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マントルでの水の影響

マントル運動における水の役割が疑わしくなった



地球深部の岩石の流れは考えられていたほど湿った鉱物に依存しないようだ。

Alexandra Witze
12 June 2013


地球のマントル内部の滞留(黄色の外核の周りのオレンジの輪)は水の存在による潤滑効果に依存しないらしい。これは地球物理学者たちの想定とは異なる。
JOSE ANTONIO PEÑAS/SPL


水は研究者たちが考えていたほどは地球内部の岩石の流れを支配しないらしい。

数十年にわたって、科学者たちは地球深部の岩石にある水の存在が、その粘性を減らして流れるようにしていると考えてきた。その動きは、テクトニックプレートの押し退け運動から地球マントル内の熱を移動する巨大な対流パターンまで、すべての種類の地球物理学的現象の基盤となっている。それは炭素などの生命に必須の元素を地球深部から地表へ、そしてまた深部へと移動させるこの惑星の循環をも支配する。

しかしマントル内でありふれた鉱物である、カンラン石の結晶の高圧実験は、教科書の説明が少なくとも部分的に間違っていることをほのめかす。バイロイト大学(ドイツ)の地球化学者、費宏展(Hongzhan Fei)と彼の共同研究者たちはその研究結果を今日ネイチャー誌(Nature)に記述した。

数多くのラボでの実験が水の鉱物への強度低下効果を立証してきた。しかしそれらの研究は水で過剰に浸された複数の鉱物を見ていた、と費は話す。結晶が圧力をかけられると、粒子間の水はそれらを結晶の境界に沿って滑らせてしまって、本物の岩石の流れで予想されるような、結晶内部の変形を引き起こしてくれない。

これを避けるために、費のチームはカンラン石の単結晶を、地球マントル内の深さ100-200キロメートルに似た温度圧力の下で調べた。研究者たちは水がどのように岩石を弱くするかを直接見るのではなく、それがどのように結晶内のケイ素原子の拡散に影響したのかを見た。カンラン石が圧力をかけられたとき、ケイ素は鉱物を動き回る最も遅い原子であり、その拡散率は岩石がどれだけ素早く流れるかを支配する、と費は話す。

しけった花火
この実験は水が持つ効果が予想されていたよりもずっと小さいことを示した。カンラン石の結晶内の含水量を1,000倍に上げるたときのケイ素の拡散の上昇は10倍以下だった。「とても驚いた」と費は話す。

いくつかの主要な地球物理学的考えは書き換えが必要だ、とチームは主張する。たとえば、水はマントル上部をテクトニックプレートが動き回るのに充分なほど軟らかくする駆動因子ではなさそうだ。また含水量の違いは、ハワイの下にあるような、マントル深部から吹き出す「ホットスポット」がテクトニックプレートの動きにかかわらず不動のままである理由を説明しないだろう。

他の地球深部の専門家たちはまだ納得していない。ルール大学ボーフム(ドイツ)の岩石学者で費の研究に使われた資料の一部を提供した、スミット・チャクラボルティ(Sumit Chakraborty)は水がカンラン石内のケイ素の拡散率に大きな効果を持つことを発見した論文を発表している。彼は最新の研究にいくつかの大きな不備があると主張している。

一つには、ケイ素リッチな鉱物が水を含むか否かにかかわらず、それらの中でのケイ素の拡散率が実際に岩石が滑る素早さを決めるのか、完全には明らかでない。また鉄含有量に依存して鉱物の歪み方が違うにもかかわらず、数多くのタイプのカンラン石と違って、研究に使われた結晶は鉄を含んでいない。チャクラボルティによると、新しい研究は多くの無理やりな主張をしすぎている。

費としては、いまケイ素がどのように鉱物粒の境界を横切って拡散するのかを見て、この振る舞いが単結晶でのものと違うのかを調べている最中だ。

Nature News
Water's role in mantle movement thrown into doubt
Alexandra Witze, 12 June 2013
Nature doi:10.1038/nature.2013.13167

原論文
Hongzhan Fei, Michael Wiedenbeck, Daisuke Yamazaki & Tomoo Katsura
Small effect of water on upper-mantle rheology based on silicon self-diffusion coefficients
Nature 498, 213–215 (13 June 2013) doi:10.1038/nature12193
Published online 12 June 2013
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