3_219 最外核の水素富化層 2：ダイヤモンドアンビル

　E"層は、地球のかなり深部になるので、非常に高温高圧の条件になります。そのような条件で実験を進めていくことになります。どんな装置で実験をしていくのでしょうか。

---

　最下部マントルと外核の境界は、超高温高圧となっているため、通常の実験装置では、再現がしがたい条件となります。特殊な装置を利用することで、その条件を達成していきます。
　その装置とはダイヤモンドアンビル（Diamond anvi）と呼ばれているもので、聞き慣れないものです。ダイヤモンドとは、皆が知っている宝石のことです。アンビルとは、もともとは金床（かなとこ）という意味で、ダイヤモンドを支える台座を意味します。つまり、ダイヤモンドを台座として高温高圧を発生する装置となります。
　タイヤモンドアンビルだけは、手のひらほどの小さな装置で高圧を発生できます。それはダイヤモンドが小さいためと、圧力発生する仕組みが小型であるためです。
　圧力の発生は、通常は巨大なピストンで押し付けていくため、高圧を発生するのに、大きな装置が必要になります。しかし、単純な原理で小型にする方法があります。
　圧力をかけたとき、かかる場所の面積によって圧力のかかり方は変わってきます。同じ圧力でも、かかる場所が広ければ単位面積当たりの圧力は小さくなり、狭ければ狭いほど大きくなります。したがって、ハイヒールで踏まれたり、針で刺されると、非常に痛いものです。それは狭いところには、非常の大きな圧力がかかるためです。
　2個のダイヤモンドの細い先端を少しだけ平らに削り、その狭い面同士を合わせたところに試料を入れます。その2つのダイヤモンド全体を、ネジで締めていけるようなジグを用います。ネジを締めていくと、合わせ面にすごい圧力が発生します。
　この装置の有利な点は、圧力をかけた状態で、レーザ光線で加熱していきます。ダイヤモンドは透明なのでレーザやX線を当てて、高圧状態で物質の性質を調べることができます。ただし、面積が小さいので、実験に使える試料も少なくなります。また、実験に用いるダイヤモンドは高価なものなので、それなりの経費が必要になってきます。
　キムらの研究では、タイヤモンドアンビルを用いて、外核のもっとも上部の条件を再現しました。その結果は次回としましょう。

・7回目の調査・
9月には2度の野外調査をしました。
幸いにも、天候にも恵まれて
予定してた通りに進めることができました。
申請時の計画では
すべてで7回を予定していたのですが、
予算的にはもう一回は厳しくなっています。
そのため、最後だと思っています。
少しだけ予算が残っているので
近場に重要な地点を見つけて、
1泊の予定で調査をしようかと考えています。
しかし、だいぶ先のことになりそうですが。

・パソコン更新・
メインのパソコンを9月に更新しました。
多様なソフトや大量のデータを使っているため、
メインとなるパソコンを入れ替えるためには
長い時間が必要になってきます。
問題は、新しいシステムになると
古いアプリケーションが動かくなることがよくあります。
アプリケーションの設定のやり直しも
アプリケーションの数だけあるので
手間もいっぱいかかります。
8月に購入していたのですが、
切り替えに時間がかかるので、
時間的余裕のできる9月に
更新することにしました。
いろいろなことが重なっているため
9月は忙しい日々となります。

3_218 最外核の水素富化層 1：E"層

　前回のシリーズはD"層についてでした。今回のシリーズは外核のE"層についてのシリーズです。E"層とは、現在あまり使われていない名称ですが、外核のもっとも外側の部分のことです。E"層の様子を探る研究が報告されました。

---

　前回のシリーズでD"層についての実態解明が、なされつつあることを紹介してきまた。核とマントルの境界付近には、まだよくわかっていないE"層と呼ばれる層があります。ところが、E"層は、あまり使わわれていない名称です。
　E"層の名称の由来を紹介しておきましょう。かつて、地震波による地球の内部を、地表からA層（地殻）、B層（上部マントル）、C層（マントル遷移層）、D層（下部マントル）、E層（外核）、F層（外核と内核の境界）、G層（内核）の7層に区分されてきました。外核がE層となり、E層のもっとも外側をE"層として区分され呼ばれています。
　今回紹介するのは、E"層の実態を明らかにしようとして研究がされました。アリゾナ州立大学のキム（T. Kim）さんたちの研究グループが、2023年11月13日発行のNature Geoscience誌に、
A hydrogen-enriched layer in the topmost outer core sourced from deeply subducted water
（深くに沈み込んだ水から供給された最外核の水素に富んだ層）
という論文を報告しました。
　この論文内で、E"層という名称が使われています。D"層同様に、最外核でも地震波が遅くなる領域があります。数十～数百kmの幅を持っているため、E"層と名付けられています。
　外核は、地球の深部で溶けている金属鉄を主成分とし、マントルはケイ酸塩からなるため、化学的特徴が非常に異なっています。そのため、この境界部は非常に特別なものです。マントル側はD"層として研究されてきているのですが、E"層はあまり研究がされていませんでした。高温高圧の条件であることもさることながら、化学的特徴が異なるため、実験も難しくなっています。
　今回の論文では、その境界の実験を進めています。どのようは工夫をしているのでしょうか。詳細は次回としましょう。

・シリーズが3つ連続・
いくつかの重要だと思える核に関する
論文がたまってきています。
それを順番に紹介していくことにしました。
前回も今回も含めて、
核やマントルの境界に関する論文3つを
連続のシリーズとして紹介していくつもりです。
核はその存在は古くから知られていたのですが
研究方法がなかなか開発できず、
最近になって研究が進むようになってきました。

・野外調査中・
現在、野外調査中なので、
このメールマガジンは予約配信しています。
来週からは、後期がはじまるので、
野外調査が集中して進められるのは9月だけです。
そのため、9月が忙しくなります。
さらに今年度で退職なので
校務としての野外調査も最後になります。
噛み締めながら、野外調査を進めています。

3_217 外核とマントル最下部 3：D"の広がり

　この研究で、南半球のD"の様子を観測がされました。これまでの知見を塗り替えるようなものが、見つかってきました。問題は、なぜそうなっているのかです。ここから科学がはじまりそうです。

---

　ハンセンたちの研究チームは、手薄な南半球の地震波を計測するとにしました。しかし南半球は海が多いため、南極大陸に15箇所の観測点を設置しました。そして、3年にわたってデータを収集していきました。
　その結果、南半球のマントルの底には、広範囲にD"（超低速度帯ULVZと論文では呼ばれています）が発見されました。D"は、これまで考えられていたよりも、ずっと広範囲に広がっていることがわかっていました。
　さらに、D"の厚さは濃度はさまざまですが、マントル下部全体に広がっている可能性もでてきました。これまでD"はないとされていたところも、薄いものがあるかもしれません。
　D"の由来は、沈み込んだメガリスがあります。これは低温のD"となります。ところが、南半球には、海が多いのですが、海洋プレートがマントルに大量にもたらすような沈み込み帯が、多くはありません。では、この南半球の広範囲のD"、あるいは全地球のマントルの底に広がるD"は、いったいどこから由来したのでしょうか。
　沈み込んだメガリスが、マントルに底を流動しているかもしれません。そのようなことが起こりうるでしょうか。シミュレーションや岩石の高温高圧での物性に関する研究が、さらに必要でしょう。
　一方、D"には温かいものもあります。これは、古いメガリスが温まったものという考えがありますが、別の可能性も指摘されてきました。外核は液体の鉄で活発な対流をしています。その対流とともに、液体の鉄に含まれている成分で、岩石に取り込まれやすい成分（親石元素）や揮発成分（水素、酸素など）が、マントルの岩石に反応して取り込まれたという考えもあります。そのような成分を含んだマントル物質も温まり地震波が低速度になっていくと考えられています。
　またマントルの岩石が、外核に対流の熱によって、少し溶融しているとも考えられます。少し溶融してていても、地震波速度は小さくなります。
　D"の実体が少し鮮明なってきました。しかし、まだまだわからないことがいろいろあります。ここから、新しい科学がはじまっていくことになりそうな予感がします。

・野外調査・
9月の新学期がはじまります。
野外調査を連続的に進めています。
その傍ら、本の執筆の最終段階を進めています。
9月は研究を進めることがいろいろあるります。
その他に後期の校務も9月から
本格的にスタートしました。
忙しくて、あっという間に
9月は過ぎていきそうです。

・9月は忙しい・
8月上旬に購入していた、
新しいPCのセットアップを
9月に入って進めています。
このPCは、退職後に使うためのもので用意しました。
小型のコンパクトなものです。
小さいですが、新しいシステムになります。
するとそこでは動かない
アプリケーションがいくつもあります。
工夫でなんとなるのか、
それとも、諦めて代替のものを探すのか。
その判断もしていかなければなりません。
9月は忙しいです。

4_187 フォルンフェルスの付加体

　道南瀬棚の海岸には、花崗岩と付加体の堆積岩が接しているところがあります。その露頭は、新しくできた道路の入口にあります。なかなかの見ごたえがある露頭なので、何度が訪れています。

---

　北海道の南部、瀬棚町には、海岸を辿る道道740号線があります。この地域には、何度も出かけていいます。以前は、いくつかのトンネルはできていたのですが、一部開通していないところがあり、不通の道路で通り抜けることができませんでした。この間、陸側に国道229号線があるので、日常生活には不自由はなかったのかと思います。
　開通前は、南側が太田神社にあるトンネルの入口まで、北側が鵜泊（うどまり）漁港までで、それぞれバリケードがあり、通行止めになっていました。両地は、バリケード付近まで、昔から生活の場がありました。
　大田神社の本殿は、海を遥か上から望む崖の上にあります。そこにたどり着くためには、急傾斜の石段があり、その踏み面も狭く、足を横にしないと登れないほどです。安全のために何本かのロープがあり、それを掴んで登っていくことになります。この大田神社の本殿周辺はジュラ紀の付加体が分布していますが、海岸にある拝殿の周辺は、白亜紀の花崗岩が分布しています。ちょうと付加体と花崗岩の境界にトンネルがあります。
　興味深いのは、北の鵜泊の方でした。こちら側には、漁港に海岸にジュラ紀の付加体が分布しています。激しく褶曲したタービダイト層が、海岸沿いに分布しています。ここの地層は、すぐ南に広がっている白亜紀の花崗岩類の熱によって接触変成作用を受けています。見かけは堆積岩のままなのですが、固くなったホルンフェルスと呼ばれる接触変成岩になっています。
　付加体のよく見える海岸に出るには、漁港の水産物処理場の裏にでなければなりません。許可をもらって見にいくことになります。残念なことに、こんな見事な、地層がでているのですが、海岸には処理場の廃液が流されているために、ひどく汚く臭う状態になっています。しかし、写真には臭いは映りませんので、画像をたくさん撮影しました。
　海岸沿いは、硬い花崗岩が分布する地域で、海岸まで切り立った崖となっています。大田神社と鵜泊の間は、硬い岩石を掘り進めなければならないので、多数のトンネルが掘削しなければなりません。そのため、工事が遅れていました。
　工事中の区間は、2013年に開通しました。開通後、しばらく瀬棚の方には出かけていなかったのですが、コロナ終了後、瀬棚方面から海岸沿いを訪れました。そのとき、やっと開通区間を通ることができました。ただ、当日は吹雪いていたため、調査はできずに、通り抜けるだけでした。日本海からの季節風がひどかったのですが、トンネルが多かったので、安心して通行することができました。
　その後、2度ほどこのルートを通りました。今年の春にも調査をしました。漁港の海岸にあるフォルンフェルスへも再訪しました。この9月中旬にも通る予定です。トンネルが多くて露頭を見れるところは少ないですが、それでも海岸沿いを進めるのはいいですね。

・予約配信・
本エッセイは、予約配信をしています。
月の初めのエッセイは、
地球地学紀行をテーマとしています。
今年で退職ですので、
北海道を中心に野外調査を進めています。
7、8月は暑いので調査は休んでいました。
9月早々に再開をしました。
5泊6日で道東に調査にでています。
移動距離が長いので、
調査の日程が長めのほうが有効です。
以前、道外に長期の調査にでていたのですが、
最近は北海道中心に進めています。

・いろいろと調整を・
長期の調査にですためには、
出かける前には、不在時の時の分も
研究や校務を計画的に進めて
いかなければなりません。
会議や打合せも調整しておきます。
今年度で退職なので
こんな苦労も最後になりそうです。

3_216 外核とマントル最下部 2：D"の由来

　プレートテクトニクスでは、海洋プレートが沈み込んで、マントル対流が起こると考えられています。その実体は複雑なものです。沈み込んだ海洋プレートの行方はマントルにとどまり、やがてマントルの底にたどり着きます。

---

　前回、核とマントルの境界（CMB）にある不思議な層について紹介しました。その層は、D"（Dダブルプライム）と呼ばれています。D"は、薄い領域（厚さ5～50kmほど）で、境界に連続した層となっているわけではありません。領域として、境界部の部分的に、その存在が分散していると考えられていました。
　D"は、地震波速度が異常に小さくなっている領域なので、超低速度帯（Ultra Low velocity zones　ULVZと略されています）と呼ばれることがあります。実体としては、沈み込んだ海洋プレートだと考えられています。ただし、その履歴は複雑なものになっています。その履歴をみていきましょう。
　海溝で沈み込んだ海洋プレートは、マントルに入っていきますが、密度の釣り合うマントル遷移層に滞留します。海洋プレートがマントル内で滞留したものを、メガリスと呼んでいます。メガリスが、マントルにしばらく滞在していると、周辺のマントルの温度が高いため、温まってきます。温度変化のため、メガリス内の結晶が、より高密の構造に変わっていきます。その結果、メガリス全体の密度が、遷移層や下部マント物質より大きくなり、ある時バランスがくずれ、下部マントルの中を落下していきます。メガリスはやがてCMBに達します。
　このメガリス、つまり沈み込んだ海洋プレートが、D"だと考えられています。海洋プレートに由来しているため、上部マントル物質に海洋底堆積物や海洋地殻が混在した岩石となっています。高密度になっていたとしても、下部マントルとは、明らかに異なった物質となります。そして、地震波速度は、非常に小さい値をもつことで、超低速度帯として見分けられています。
　このD"が、CMBに長期間滞在することで、温まってくると、やがて周りより密度が小さくなってきます。そのため上昇しやすくなります。上昇するD"が、大きなマントルプルームとなります。
　現在、アフリカの大地溝帯をつくっているマントルプームと南太平洋のマントルプルームの2つができています。これが、プルームテクトニクスの重要な要素なっています。
　ただし、この上下するプルームは地震波で調べていくのですが、南半球のマントル最下部が、実は、まだ詳しく調べられていませんでした。なぜなら、南半球は陸地が少なく、地震波の測定が詳しくできていないためでした。
　アラバマ大学のハンセン（Samantha Hansen）とその共同研究者は、その地域を調べて、2023年4月「Science Advances」誌に報告しました。タイトルは、
Globally distributed subducted materials along the Earth's core-mantle boundary: Implications for ultralow velocity zones
（地球のコア－マントルの境界に沿った全地球的に分布する沈み込み物質：超低速帯との関連）
というものです。
　その詳細は次回としましょう。

・月末はバタバタと・
今週は、集中講義があったのですが
無事終わりました。
いくつかの校務があり、
査読論文の返却がありその締切があります。
本の最終修正も終えたいと考えています。
完成後、印刷屋さんと調整に入ります。
医者の検診も入っています。
9月上旬に野外調査を再開します。
1週間の長期になりますので、
その間の校務をすべて調整していき、
今週にすますべきことが多くあります。
少々バタバタしています。

・休みの日に・
週末には停電とネットワークの停止、
医者の診療などで、
土曜の午後から月曜日まで
2日半の間、不在となりました。
その間、自宅で日曜大工をする予定をしています。
壊れたブラインドをカーテンに交換して、
エアコンの室外機に木枠をつくり
その上にビニールシートをまいて
冬越としようと考えています。
さてうまくできるでしょうか。

3_215 外核とマントルの境界 1：異質な領域

　最近、核に関する報告がいくつかあったのですが、しばらく眠らせていました。そこで、今回3つの論文をまとめて、紹介していこうと考えています。まずは、外核とマントルに存在する不思議な層の話題です。

---

　地球深部は、直接岩石を入手して調べることができません。地震波を利用するころで、ある程度調べることができます。ただし、詳細に調べることは、なかなか難しいです。しかし地球の内部の概要は古くからわかってきており、地震波の詳細な解析で少しずつ、わかってきました。
　まず、地球の表層から、地殻、マントル、核という層構造を持っています。それぞれの構成物の密度や組成がかなり異なっているため、地震波速度の違いとして見分けることができます。
　それぞれの層は、さらに詳しく調べられて、区分されてきました。地殻は大陸地殻と海洋地殻に、マントルは遷移層を境界に上部と下部に、核は外核と内核に分けられています。
　大陸地殻は花崗岩（とその変成岩）、海洋地殻は玄武岩（斑レイ岩）からできています。マントルは、カンラン岩の仲間ですが、深くなると密度や温度が上がるために、より高密度の結晶に変わっていき、別の岩石になっていきます。そのような結晶の変化が起こるところが、遷移層となっています。下部マントルは高密度のカンラン岩（ペロブスカイトという鉱物が多い岩石）からでています。核は金属の鉄からできていますが、外核は液体の鉄、内核は固体の鉄となっています。
　観測技術が進んでくると、各層のそれぞれ違いも、地震波の詳細な解析から見分けられてきています。そのひとつに外核とマントル最下部の境界があります。かつてはグーテンベルク不連続面と呼ばれていましたが、現在ではCMB（core–mantle boundary）と略されることが多いようです。
　外核は液体の鉄でできており、マントルは固体の岩石からできています。この境界は、非常の大きな変化、違いがあるところになります。核が液体の金属の鉄からできているの対し、マントルは固体の酸化物の珪酸鉱物を中心としています。非常に異なった境界となっています。
　ところが、詳しくみていくと、両者の間に、異なった物質からできている領域があることがわかってきました。ただし、その領域は、明瞭は層となっていませんでした。
　その領域について、新しい報告が出されました。それは、次回としましょう。

・集中講義・
今週は集中講義を担当しています。
この講義も、今年が最後となります。
夏の暑い時期の講義になるので、
午前中は西向きの教室で
午後は東向きの教室で実施することにしています。
最近は教室にエアコンが入るようになったので
涼しい部屋で講義ができます。
それでも太陽が入らない教室がいいので
午前と午後で移動して実施します。

・復調・
だいぶ体調が戻ってきたので、
集中講義もなんとかこなせるかと思っています。
ただし、もともと集中講義は
4日間連続して実施するので、
体力的、精神的に疲れます。
声も枯れそうです。
連続した講義ならではの有利な点もあるので、
その良さを利用しています。

2_221 太陽系外生命の痕跡 3：パンスパーミア説

　惑星への小天体の衝突で、岩石が飛び出すことがあります。一部は、大きな惑星の影響で軌道をはずれ、恒星の引力も振り切って飛び出すこともあるようです。そんな微隕石が地球に届いているかもしれません。

---

　前回紹介した戸谷さん論文を紹介しました。大量の微隕石の中には、稀ですが、太陽系外から由来するものが含まれている可能性があると推定されました。さらに稀でしょうが、生物の痕跡が発見できるのではないかと考えました。
　これは生命起源にも関係します。地球外のどこかの天体で誕生した生命が、微隕石とともに地球に飛来して、それが地球生命の起源になったいうパンスパーミア説に通じるものです。
　太陽系内であれば、例えば火星から、小天体の衝突で飛び出した岩石は、惑星軌道を一定期間（100万から1000万年ほど）回り、やがてその天体に落下していきます。しかし、巨大惑星（木星や土星）の影響があると、岩石の軌道が乱され、太陽系を飛び出すものもあるとされています。
　しかし、パンスパーミア説として、他天体まで生きたまま移動させるためには、生命の生存期間（10万から1000万年以内）や生命体を守れる岩石の大きさ（10kg以上）にも制限がかかります。
　ところが、生きていなくても、生命の痕跡であれば、期間や大きさの制限はほどんなくなります。化石などの生物の痕跡、バイオマーカーと呼ばれる化学分子や同位体組成、あるいは生物がつくった鉱物（バイオミネラル）などであれば、1μm以上あれば、検出できそうです。
　このシリーズの最初に紹介した地表で見つかる大量の微隕石は、非常に有効な素材となります。数が多ければ、太陽系外の微隕石も含まれているはずです。中には、太陽系外の生物の痕跡もあるかもしれません。そのような目で再度探してみることは、手軽ですが、重要なテーマとなりそうです。
　太陽系外からの由来をどのように検証していくかが、問題となります。いくつかの同位体組成で太陽系固有の値があることが知られているので、そのような成分を利用するといいかもしれません。
　ただし、微隕石は、長年地球の表層にあったので、地球の物質や地球生物の汚染を受けているはずです。汚染の少ない氷床の中の微隕石を探すなどの工夫が必要でしょう。その中から、太陽系外の成分やが検出できるでしょうか。地球生物の汚染がないのであれば、地球外生物の化石の痕跡やバイオミネラルも、検出可能かもしれません。必要であれば、地球外の惑星空間で、微隕石を収集するはいいかもしれません。
　天文学的観測による系外惑星の地球型惑星の探査とは、異なったアプローチになります。このような試みで、見つかれば、はじめて地球外生命、太陽系外生命の発見となります。いくつも見つかってくれば、銀河系にどの程、生命が分布しているのかがわかるはずです。だれかチャレンジしませんかね。

・帰省・
お盆の只中です。
皆様も、里帰りされているのでしょうか。
我が家では、長男が帰省しています。
少々長く滞在します。
あちこち出かけたいとのことですが、
日程もあまり決まっていないようです。
その日程によって親の日程も変わってきます。
それでも家族の久しぶりの帰省はいいものです。

・復調・
体調は戻ってきています。
ただし、長時間じっと
同じ姿勢をしているのが少々つらいので、
うろうろ歩たり、研究室内で動きながら
研究を少しずつ進めています。
まあ、とりあえず一番ひどい状態から
脱したのでホッとしています。
お盆中も無理せず
じっとしていようと思っています。