地球の底は謎だらけ

サムズアップ・アメリカ！

地球の謎：未解決の「地底の塊」とは？

地球内部を調査している研究者たちは、これまでのマントルのイメージを覆す、2つの大陸サイズの構造を発見しました。これまでのマントルのイメージを覆すものだと言います。

ドラマ「日本沈没」が好評のようです。官僚や政界の動き、世の中の反応がリアルだと言うことで、実際の政治家もこのドラマを参考に有事のシミュレーションをする動きがあるとも聞きます。

現実に、これまで幾度も地震による大災害を被ってきた日本人にとってはまさに他人事ではない一大関心事。それだけにドラマの迫真性は人を惹きつけるのでしょう。

ところでここ数十年で、地震予知を始めとする、地球の内部の研究はかなり進んだと言われますが、地球の内部を探れば探るほど、さらに多くの謎か掘り出されてくる状況のようです。ここでは現在進んでいる地の底の研究成果から、我々は（地球の）何が問題で何を知るべきなのかを明らかにしたいと思います。

地底の大きな謎

私たちの足元から約2,000km下には、高温のマントル物質の巨大な塊があり、過去40年間、科学者たちを悩ませてきました。

この巨大なマントル物質の塊を、一部の科学者は「ブロブ」と呼んでいますが、その大きさは大陸の長さに匹敵し、エベレストの100倍の高さがあります。このブロブは、地球の岩石質マントルの底に位置し、溶融した外核の上にあります。この塊は、他のマントルと同様に岩石でできていますが、より熱く、より重く、地球の過去の歴史を解明する鍵を握っているかもしれません。

科学者たちがこのブロブを初めて発見したのは1970年代後半のこと。

当時の研究者たちは、地球の内部を見るための新しい方法「地震波トモグラフィー」を発明したばかりでした。

地震が地球を揺らすと、エネルギーの波があらゆる方向に放出されます。科学者たちは、その波が地表に到達するのを追跡し、どこから来たのかを計算します。

世界中の何千もの観測機器から得られた多くの地震の波の移動時間を見ることで、科学者たちは地球内部の写真をリバースエンジニアリングすることができます。このプロセスは、医師が超音波診断装置を使って子宮の中の胎児を画像化するのに似ています。

「ハーバード大学の地球物理学者ハリエット・ラウ氏は、「最終的には、多くの人がプレートテクトニクスが地球上に生命が存在する理由の1つであると考えています。

科学者たちは、この塊がプレートテクトニクスや火山活動など、地球深部の多くのプロセスに関与していると考えています。

地球内部のイメージができてくると、想像していなかったものが見えてきました。

アリゾナ州立大学のエド・ガーネロ教授（地球・宇宙探査学）は、「地球のマントルの底、中心のほぼ半分に、波の速度が遅くなる巨大なゾーンがあることは、最初からモデルではっきりしていました」と語ります。

波の速度が遅いゾーンは、2つの場所に集中しています。

1つは太平洋の下、もう1つはアフリカと大西洋の一部の下である。ケンブリッジ大学の地震学者Sanne Cottaarは、「コアとマントルの境界にある巨大な山」のように見えると述べている。他の研究者は、砂利の円錐形の穴が「互いに重なり合っている」とか「巨大な砂の山」と表現しています。

この塊は非常に大きく、もし地球上にあったとしたら、国際宇宙ステーションはこの塊の周りを航行しなければならないでしょう。

「オックスフォード大学の地震学者であるカリン・シグロック氏は、「基本的に見逃すことはできません。「みんなの写真に写っているんですよ」。

ブロブが存在することは疑いの余地がありませんが、科学者たちはそれが何であるかを知りません。最近の論文では、ブロブは "謎に包まれている "と述べられています。科学者たちは彼らを何と呼べばいいのかさえ決めかねています。

（＊LLSVPはLarge Low Shear Velocity Provincesの略です）

この謎の理由の一つは、地球科学者が常に抱えている問題です。地球の内部を見ることはできません。ユニバーシティ・カレッジ・ロンドンの研究者であるPaula Koelemeijerは、「私たちは、太陽や月、火星の表面よりも、足元の奥深くに何があるのかを知らないのです」と語ります。科学者たちは、地球の内部を間接的に覗くための新しい方法を常に考えています。

幸いなことに、地球の微小な揺れを感知する技術の進歩と、より多くの場所に観測機器を設置する努力が、この分野を前進させています。最新の技術を用いたいくつかの研究が、新たな知見をもたらしています。

ブロブの密度はどれくらいか？

ブロブの謎の多くは、ブロブが何でできているかを特定することにあります。

というのも、波の速度の変化は、岩石の組成などの複数の要因に左右されるため、ほとんどの地震観測では、物質の密度を特定することができないからです。アリゾナ州立大学の鉱物物理学者ダン・シムは、密度がわからないことで多くの「扉」が開かれていると言います。

アリゾナ州立大学の鉱物物理学者であるダン・シムは、1990年代に大学院生だった頃から、ブロブの物質に関する議論が激化しているのを目の当たりにしてきました。「私は自分のキャリアを通じて、この論争をずっと見てきました」と語ります。

研究者たちは、この塊が化学的に特異な岩石の密集した山でできているのか、それとも地殻に向かっている弾けるような溶岩ランプのプルームでできているのかについて、何度も議論してきました。

研究者たちは、この塊がハワイのような海の島々を形成するホットスポット火山に供給されているのではないかと推測しています。

また、過去にこの塊が超巨大火山の燃料となり、地球最大の絶滅イベントの原因となったのではないかと考える科学者もいます。

しかし、シムは、ブロブの密度が解明されない限り、"次のレベルの質問に進むことはできない "と述べている。

最近の2つの研究では、従来の地震学的手法を用いずに密度を測定する方法を発見し、以前よりも複雑な見解を示しています。



波打つ地球

地球の地殻は1日に2回、潮の満ち引きによって上下しています。

私たちには海の潮汐がよく知られていますが、固体の地球にも海と同じような力が働いています。太陽と月が地球を引っ張ることで、地球全体が曲げられたり、伸ばされたりします。場所によっては、地球の表面が40cmも上下することもあります。

科学者たちは、高感度のGPS測定でこの動きを追跡することができます。台湾のアカデミア・シニカのリンゴ・ユアンを中心とする研究グループは、16年間にわたって世界各地のGPS観測所の測定値を分析した結果、地球の潮の満ち引きが期待したものとは違っていたことを発見しました。

ブロブがある場所の真上で、潮の流れが狂っているように見えたのです。彼らは2013年に発表した論文の中で、潮汐は "固体の地球の深い内部に関する重要な情報を提供する "と書いています。

ハーバード大学のポスドク研究員であるハリエット・ラウは、ユアンの研究を耳にして、地球規模のデータセットにチャンスがあると考えました。

「偶然にも、ボディタイド、つまり固体地球の潮汐は、密度構造に非常に敏感です」と彼女は言います。この潮汐は、地震トモグラフィーで使われる進行波では得られない知識のギャップを埋めることができます。

ラウは、地球の潮汐が歪んでいることを説明するモデルを何十種類も作成し、ユアンのデータと比較しました。

彼女は、現実のデータに最もよく合うモデルは、周囲のマントルよりも密度の高いブロブを持つモデルであることを発見したのです。

2017年に『Nature』誌に掲載されたこの発見は、ブロブが他のマントルよりも何らかの「組成の違い」を持っていることを主張するものです。

一方、別の研究では、ラウの研究で判明したこととは逆のことが示唆されました。

Paula Koelemeijerは、2008年に大学院生としてノーマルモード振動の研究を始めました。通常モード振動は、"地球を考える上で非常に強力な方法 "であるにもかかわらず、「当時はまだあまり利用されていませんでした」と彼女は言います。

ノーマルモードは、従来の地震学的手法では見逃してしまうような詳細を明らかにしますが、「直感を働かせるのは難しい」と彼女は言います。

地震学者の多くは、地球から出てくる波を分析しますが、すべての波が同じように作用するわけではありません。

地球内部の地図を作成する画像には、体波と呼ばれるものが使われています。この波は、大気中で誰かの口から部屋を隔てた別の人の耳に伝わる音波と同じように、地球の中である場所から別の場所へと伝わります。

しかし、振動するだけでは移動しない種類の波があります。これは定在波と呼ばれるもので、バイオリンの弦を震わせるような波です。「定在波とは、全体が同時に共振している状態を指します」とKoelemeijer氏は言います。

「例えば、鐘が叩かれて、全体として振動しているようなものです」。地震は両方のタイプの波を引き起こし、地震計はそれを地表で検出します。

Koelemeijer氏の最近の研究では、Stoneleyモードと呼ばれる通常のモードの中から、blobの密度に応じて振動するタイプのものを選びました。

Koelemeijer氏のチームは、大規模な地震が発生した後の数日間の地面の動きの記録を分析し、定在波の低周波の振動を探しました。

その結果をモデルと比較したところ、コアの形状などのいくつかの制約を説明するには、ブロブの密度が周囲のマントルよりも低くなければならないことがわかったのです。

この2つの研究をどのように調和させるかという質問に対して、研究者たちは、どちらの論文も正しい可能性があると示唆した。

Koelemeijerは、「Harriet Lauと私の研究を両立させる1つの方法は、この高密度の物質が非常に大きな深さの範囲に分布していないことです」と説明しています。

おそらく、コアのすぐ隣にある小さな塊が最も密度が高いのではないかと思います。Lauもこの意見に同意しています。「矛盾しているように見えても、実はまったく心配していません。今回の結果は、これまでの結論を「微調整」するのに役立つだけだとのことです。

非常に立体的な構造

地震学者のエド・ガーネロは、2002年に妻が双子を妊娠したとき、医師のところに行って超音波検査を受けたことを覚えています。

新しい3D画像技術にもかかわらず、スクリーンに映し出された低解像度の画像は不快なものだったと言います。

「脳が横に浮いているように見えたんです。脳が横に浮いているように見えて、本当に気持ち悪かった」と語っています。

地震波トモグラフィーでも同じような問題がある。blobは、地震波トモグラフィーの地図上で、柔らかい塊のような形をしていることから、そのように呼ばれるようになりました。しかし、実際にはもっと繊細な構造をしているとしたらどうでしょうか。また、blobの形状を知ることで、その密度を制限することができるのでしょうか？

昨年12月、オックスフォード大学の博士課程に在籍するマリア・ツェクミストレンコが、これまでで最も鮮明な構造物の画像を発表しました。

AGU秋季大会のセッションで、ツェクミストレンコは、アフリカの下にあるブロブの約半分の地震トモグラフィーマップを公開した。

この画像は、マダガスカル周辺の海底にセンサーを設置する大規模な地震計プロジェクトで得られたものです。

テクミストレンコは、さまざまな種類の波を使って、ブロブのギザギザした角度のある側面と、その上にあるプルームを明らかにしました。

テケミステンコのアドバイザーであるカリン・シグロックは、「全体の構造は、地表のホットスポット火山に向かって枝分かれしている木のように見える」と語っている。

最初、ツェクミストレンコは、自分たちが見たものを信じられなかったという。「私のデータに何か問題があるのではないかと心配しました。そして、「予想していたものとは違って見えた」ものの、それが正しかったことに気がついた、と言うのです。

「それは非常に立体的だ 」と彼女は付け加えました。

この発表を見たガルネロ氏は、「AGUで見た地球内部のイメージングの発表の中で一番良かった」と語ります。また、地球内部の動きを研究しているジオディナミストと呼ばれる科学者たちは、ツェクミストレンコの画像を手にして興奮するかもしれないとも付け加えました。

「その構造の傾きは、密度を制約する上で非常に重要であることがわかった」と彼は言います。「これはダイナミズムを追求する者にとって、とても重要なことです」。

Tsekhmistrenko氏は、すでにある地質力学者から、将来のモデルでこの構造をシミュレートする計画があると聞いています。

内向きの姿勢

メリーランド大学の地質学者Ved Lekic氏は、「地震学の進歩にもかかわらず、ブロブを理解することは本質的に学際的な問題」と語ります。

例えば、鉱物物理学者は、地震学のモデルを改良するために、異常な圧力下で岩石の中を波がどのように伝わるかを測定します。また、地球化学者は、地球上の火山から岩石を採取し、ブロブに関連するユニークな化学物質の貯留層の手がかりを探します。

また、モデル担当者は、数十億年かけてマントルを進化させるための複雑なコードを構築し、ブロブがどのように形成されたかをシミュレーションします。

その答えが何であれ、地殻の下を覗くことは、研究者たちに私たちの初期の始まりを考える方法を与えるかもしれません。

「ハリエット・ラウは、「このような疑問は、ある意味でとてもロマンティックです。「存在や宇宙の根源に迫る質問には、とても刺激を受けます」と。

地球はもっかのところ、プレートテクトニクスが存在する唯一の惑星であり、最近の研究では、プレートテクトニクスが窒素やリンなどの栄養分を地表に安定的に供給することで生命維持に役立っている可能性が示唆されています。

しかし、プレートテクトニクスの動きの原因が何であるかは、研究者にもよくわかっていませんし、ブロブの原因もわかっていません。

レキック氏は、「ブロブの基本的かつ哲学的な魅力は、その神秘性にあると思います」と語る。「地球上で最も大きなもののひとつであるにもかかわらず、それが何なのか、どこから来たのか、どれくらいの期間存在しているのか、何をしているのか、文字通り分かっていないのです」。

最終的には、謎を解明するための道のりは長いかもしれないと、ガルネロは言います。

「これはスローモーションの発見であり、コミュニティのものです」と、過去15年間ブロブの研究をしてきたガルネロは言います。


今年末にカリフォルニア大学バークレー校で教授職に就き、ブロブの研究を予定しているラウ氏は、この謎に立ち向かうことを宣言しています。

「科学は段階的に進歩していくものだと思います。だからこそ、例えばPaula Koelemeijer氏の結果にも特に戸惑いはありませんでした。「むしろ興奮しました」と言うのです。

地球の底の研究は、まだ始まったばかりなのかもしれません。