巨大な地下の「木」がマグマを地表に動かしている

2021年10月10日午前8時

マントルの奥深くでは、非常に高温の物質が枝分かれして噴出しており、これが大規模な火山活動の原動力となっているようだ。

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インド洋西部に浮かぶフランス領レユニオン島は、まるでバーナーの先端に浮かぶマシュマロのようだ。地球のマントルプルームの一つ、マントル深部から上昇する高温の岩石の塔の一つの上に位置し、絶えず変化する地球の姿を形作るジグソーパズルのピースであるプレートの基盤を炎のように燃やしている。プルームの影響は見逃せない。島にある二つの巨大な火山の一つ、ピトン・ド・ラ・フルネーズ（「炉の峰」）は、その名にふさわしく、地球上で最も活発な火山の一つである。

しかし、この煙突の現代における威力は、過去に比べれば取るに足らないものだ。

約6500万年前、プルームが現在のインド洋の下にあった頃、デカン・トラップと呼ばれる一連の溶岩洪水が、わずか70万年という地質学上の鼓動の期間に、150万平方キロメートル（テキサス州、カリフォルニア州、モンタナ州を埋め尽くすほどの広さ）の陸地を覆い尽くしました。巨大な小惑星の衝突が恐竜にとってとどめを刺すような出来事だったはずですが、デカン・トラップの存在は、恐竜がどのような気候条件に耐えなければならなかったかを長らく曖昧にしてきました。

2012年、地球物理学者と地震学者からなるチームがプルームの地図作成に乗り出し、インド洋の海底の広大な深部に巨大な地震計ネットワークを設置した。それから約10年後、チームはマントルが予想以上に奇妙な構造をしていることを明かした。チームは6月にNature Geoscience誌に、プルームは単なる柱状ではないと報告した。惑星の溶融した中心部の縁から巨大なマントルプルームの「木」が立ち上がり、そこから高温の枝のような構造が斜めに伸びているように見える。これらの枝が地殻に近づくにつれて、より小さな垂直に伸びる枝が生えてくるように見える。これが、地表の既知の火山ホットスポットの下にある超高温プルームである。

レユニオン島の地下で発見されたこの巨大構造は、11月に報告されたアフリカの地下のプルームに新たな構造が発見されたという最近の発見とほぼ一致している。これら2つの発見を合わせると、科学における重要な進歩となる。プルームは従来のモデルが想定していたよりも特異性があり、より複雑な背景を持つ可能性があることを示唆している。

レユニオンの木の根は、研究者たちが以前の研究で既に知っていたように、おそらく原始的な物体であり、地球自体とほぼ同じくらい古いと考えられています。つまり、この燃え盛る木は数十億年もの間、煙の樹冠を成長させてきた可能性があります。さらに多くの枝が成長し続けると仮定すると、科学者たちは地球の燃え盛る未来を垣間見ることができるのです。

「核とマントルの境界を観察することで、海がどこに開くかを予測できるかもしれません」と、研究の共著者であるカリン・シグロッホ氏は述べた。研究者たちは、いつか消滅する陸地も予測できる。もし新しいモデルが正確であれば、数千万年後には、南アフリカ、いや、もしかしたら地球自体に居たくないと思うようになるかもしれない。

火の噴水

1960年代、プレートテクトニクス理論が急速に受け入れられ始めた頃、一部の地質学的特徴は説明がつかないように思われていました。この理論は、火山がどこで出現するのか、陸地はどこで生まれるのか、海盆はどこで削り取られるのか、古代の地殻はどこで消滅したのかなど、長年科学者を悩ませてきた疑問を説明しましたが、ハワイのような現象は説明できませんでした。

プレートテクトニクスによれば、地球上の地質学的に複雑な地形のほとんどは、プレート境界（二つのプレートが衝突したり、互いに重なり合ったり、あるいは互いに沈み込んだり、隣り合って擦れ合ったり、あるいは離れたりする場所）に分布していると予測されています。太平洋プレートを取り囲む多数のプレートの境界を示す馬蹄形の領域、いわゆる環太平洋火山帯には、世界の活火山の75%が集中しています。

ハワイはプレート境界から程遠いにもかかわらず、巨大な火山が連なる島々です。ハワイ島南東沖に浮かぶ活海底火山ロイヒは、全長6,000キロメートルに及ぶ歪んだ火山列の最年少メンバーです。この火山列は、北西太平洋の遥か昔に活動を停止した海底火山にまで遡ることができます。プレート内火山活動として知られるこの現象は、地質学上の異常現象として際立っていました。

1963年、カナダの地球物理学者ジョン・ツゾ・ウィルソンは、このような火山列は、マントル内の静止したホットスポット（地球の体積の84%を占める灼熱の岩石）の上をプレートが継続的に移動することによって形成されると提唱しました。プレートがマグマの燃料源から離れていくにつれて、一連の火山が噴火し、成長し、そして消滅していきます。1971年、アメリカの地球物理学者ウィリアム・ジェイソン・モーガンは、これらのホットスポットは下部マントルから上昇する非常に高温の物質のプルームによって引き起こされるという説を提唱しました。

その後数十年にわたり、地球物理学者たちは、プルームは周囲のマントルよりも約200℃も高温であると結論づけました。プルームがプレートの底部に到達すると、その熱によって周囲が溶け、大量のマグマが生成されます。プルームはまた、地球深部からマントル物質を運び上げます。この物質は、核から離れた低圧下で溶け、地殻にさらなるマグマを供給します。この高温のマグマの供給の組み合わせは、地球の多くのプレート内火山を端的に説明しています。

ホットスポット・トラックとも呼ばれる火山列は、プルームを伴わずに説明するのは難しい。ハワイは海洋の例だが、陸上にも見られる。イエローストーンの超巨大火山は、少なくとも1700万年前に遡るホットスポット・トラックの中で最も新しい火山であり、このホットスポット・トラックは太平洋岸北西部に21万立方キロメートルの溶岩を注ぎ込み、その後オレゴン州からワイオミング州にかけて巨大な火山釜の列を噴出した。これは、容赦ないマントル・プルームの紛れもない痕跡である。

化学的な証拠もマントルプルームの存在を示唆している。ヘリウムには安定した2種類、ヘリウム3とヘリウム4がある。ヘリウム3は地球形成時に深部に閉じ込められており、明らかに古い時代から存在している。ハワイのキラウエア火山を含むいくつかのホットスポット火山は、ヘリウム3を豊富に含む溶岩を噴出している。エディンバラ大学の岩石学者ゴッドフリー・フィットン氏によると、これはこれらの火山がかなり深いところからマントル物質を採掘していることを示唆しており、プルームの存在は妥当な説明となる。

地震シーン

噴煙を直接目にした者はいない。噴煙は存在すると推測されているだけだ。しかし、研究者たちは噴煙の存在を裏付けるかなりの証拠を集めている。

地震波は、驚くべき証拠を提供してきました。地震から発生した地震波は、地球の内部を潜り抜け、再び地表へと戻ってきます。地震波が伝わるにつれて、通過する地質学的構造によって速度と軌道が変化します。地震計はこの情報を捉え、科学者たちはそのデータを用いて、この深淵に何が潜んでいるのかを解明しようと試みています。

地震波は高温の岩石中をゆっくりと伝わり、深部マントルから隆起して地表の火山のホットスポットにつながる細長い構造物を通過すると速度が遅くなることが多いことが、多くの研究でわかっています。

地震学者たちは、マントルと核の境界にまたがる二つの巨大な物質塊を発見した。一つはアフリカの地下、もう一つは太平洋の地下だ。深海を伝わる波は、二つの巨大な塊を通過する際に減速する。これは、これら二つの巨大な塊が核とマントルの境界全体の約30%を覆う高温の巨岩であることを示唆している。

この二つの岩塊の起源については、様々な説が考えられます。消滅したプレートの破片の墓場から、誕生間もない地球に衝突して月を形成した原始惑星テイアの死骸まで、多岐にわたります。インペリアル・カレッジ・ロンドンの地球物理学者サスキア・ゴーズ氏によると、イエローストーンのような例外はあるものの、地球のプルームはこれら二つの巨大な塊のいずれかに根ざしているようです。これは、これらの塊がほとんどのプルームの起源説において何らかの役割を果たしていることを示唆しています。

しかし、地震学は万能ではない。地震波はマントル内の構造を検出できるが、その構造のあらゆる特徴を明らかにすることはできない。「物質を加熱すれば地震波の速度を遅くすることはできる」と、カリフォルニア大学バークレー校の地球物理学者ハリエット・ラウ氏は述べた。しかし、岩石の鉱物組成の変化でも同じ効果が得られる可能性がある。科学者は、測定を行うたびに、どちらの可能性がより高いかを判断しなければならない。地震学はハードサイエンスではあるが、そこには芸術的な側面もある。

地殻下構造もまた、カモフラージュ機能を備えている。地震波は高速レーンを好み、より冷たく硬い岩石へと向かう。プルームは高温であるため、地震波を反発する。また、プルームは薄いため、ほとんどの地震波は容易に回避できる。

プルーム内の同じ地点を通過する地震波の数が多いほど、そのプルームの存在を確信できます。しかし、「地震はどこでも起こるわけではありません」と、サウサンプトン大学の地球物理学者キャサリン・ライチャート氏は述べています。また、地震観測所は海底ではなく陸上に設置されていることがほとんどであるため、海域では地震波の観測範囲が狭いのです。

「理論的には、（プルームが）存在することは分かっています」とラウ氏は述べた。「しかし、地震波で観測するのは非常に難しいのです。」結果として、地震波はプルームの一部しか捉えることができず、その特性はしばしば解決不可能な議論の対象となっている。

科学者たちは理想的には、土星の底から地表まで広がるプルームの画像を撮影したいと考えています。そのためには、広大な地域に多数の地震計を設置し、できるだけ多くの地震波を吸収してマントルのかなり広い範囲を観測できる巨大な開口部を形成する必要があります。これは、巨大望遠鏡に相当する地震観測装置です。

そこで、2012年に科学者たちはそれを作りました。

木と真実

その年、2隻の船が西インド洋をジグザグに航行し、時折停泊して海底地震計を板の上を歩かせ、海底に沈めました。合計57個の地震計が海中に投げ出され、最終的に2,000キロメートル四方の観測点が作られました。この広大な観測網は、マダガスカル島やいくつかの小さな島々に設置された37の地震観測所によってさらに拡張されました。

2012年から2013年にかけての13ヶ月間、その開口部は開かれていました。その目的は、過去1億年で地球を彩った最も重要な火の泉の一つ、レユニオン火山の噴煙を追跡することでした。

科学者チームがマントル望遠鏡を覗き込み、他の2つの地震データセットとデータを組み合わせたところ、レユニオン島の真下に薄く垂直に伸びていたプルームが下部マントルに消え去るのを見て衝撃を受けた。当時オックスフォード大学でシグロクの学生だったマリア・ツェクミストレンコは、その瞬間、「ああ、何かとんでもない間違いを犯してしまったに違いない。何もかも間違っていた。博士号はもう終わりだ」と思ったと回想する。

しかし、チームが地域全体を観察していくうちに、データは壮観な光景を描き始めた。地表から2,900キロメートル下にあるアフリカの巨大な塊は、その中央から成長して「幹」を形成し、深さ1,500キロメートルに達する。カスプと呼ばれる幹の先端からは、西端と東端から高温物質の太い枝が伸びているように見える。これらの枝は斜め上方に伸び、深さ1,000キロメートルから800キロメートルに達する。この時点で、枝の先端から垂直に伸びる細い枝が伸びる。

これらの細い枝の一つは、火山活動が活発なレユニオン島の下面まで達しています。北西約3,000キロメートルの地点では、もう一つの斜めの枝が東アフリカまで伸びています。この地域は火山活動が活発で、これまでの地震探査によって、この地域には一つ、あるいは二つのマントルプルームが存在することが分かっています。

しかし、問題がありました。この構造は熱力学の法則と調和するのが困難でした。

プルームは非常に高温で浮力があるため、プレート運動を含む他のマントル移動の10倍の速度で急速に上昇します。「プルームは非常に速いので、上昇中に傾ける時間はありません」とゴーズ氏は言います。

ツェフミストレンコ氏、シグロチ氏、そしてその仲間たちは、プルームは真上に上昇するという考えに同意している。つまり、この樹木構造は、マントル内でより複雑なプロセスが進行していることの証拠となるのだ。

彼らの考えでは、その仕組みはこうだ。アフリカ・ブロブ（幹とカスプを含む）は核によって加熱される。高温カスプの東西の周縁部は、比較的低温の周囲のマントル物質に大きく囲まれており、かなりの浮力を持つ。最終的に、両端から直径800キロメートルのブロブが分離し、両方とも数千万年かけて垂直に上昇する。そして最終的に、密度の高い下部マントルと密度の低い上部マントルの浅い境界に達する。そこで、ブロブは横方向に広がる。ブロブの先端からは複数の尾が生え、垂直に上昇して、プルームと呼ばれる細い塔を形成する。

一方、これら2つのサブブロブのうち1つが東アフリカへ、もう1つがレユニオンへ上昇するにつれ、カスプの東端と西端（今や中央に近づいた）から2つの新しいブロブが生まれ、それらも真上に上昇します。これらのブロブは後に東アフリカとレユニオンのブロブのそれぞれ右下と左下に位置するため、斜めに繋がった枝のように見えます。実際には、それぞれ別々のブロブであり、垂直に上昇しています。

独立系科学者たちは、この研究を大いに称賛している。従来、プルーム構造を高解像度で画像化する際の問題は、地震データの不足である。しかし、今回はそうではないとライチャート氏は述べた。「インド洋で素晴らしい実験が行われていた」のだ。その実験では、様々な地震波が観測されたのだ。

巨大アレイのデータと追加の地震データセットを組み合わせることで、チームはマントルの最深部から最上部まで、マントルの帯状領域全体を正確に解析することができたため、非常に有益であることが証明されました。「地震学の観点から言えば、これは大きな前進です」と、カリフォルニア大学ロサンゼルス校の地球物理学者、カロライナ・リスゴー＝バーテロニ氏は述べています。「その意味では、素晴らしい成果だと思います。」

フィットン氏は、この樹状構造は「興味深い観察結果だ」と述べ、それが核からどのように枝分かれしていくのかを示すチームのモデルは「実に巧妙なアイデアだ」と付け加えた。しかしフィットン氏は、マントル内部で何が起こっているのかを詳細に表すこのモデルは、実際に起こっていることに対する複数の解釈のうちの一つに過ぎないと警告する。「本当に素晴らしいアイデアだと思います」とライチャート氏は言う。「正しいアイデアかどうかは分かりませんが、素晴らしいアイデアです」

「地震トモグラフィーは今日のスナップショットです」とリスゴー＝バーテロニ氏は述べた。現在の構造物のスナップショットを撮り、それが何百万年もかけてどのように形成され、今後どのように進化していくのかを推測することは、不確実性に満ちていると彼女は警告する。

これから起こる大災害

チームの理論モデルが正しければ、長年信じられてきた2つの考え方を裏付けるものとなる。ゴーズ氏によると、1つ目は地球のプルームは「実験室でシロップの箱の中に湧昇を起こすほど単純ではない」ということだ。自然は複雑であり、しばしば驚くべき形で現れる。

2 つ目は、これらの巨大な塊が地球の激動の歴史において極めて重要な役割を果たしてきたし、これからも果たし続けるだろうということです。

一部の科学者は、アフリカ巨大塊からの噴煙が少なくとも1億2000万年かけて、古代の超大陸ゴンドワナを粉々に引き裂いたと推測しています。噴煙が底部まで上昇するにつれて、ゴンドワナは熱せられ、弱体化しました。モグラが丘を作るように、噴煙の頂上にあった土地はドーム状に盛り上がり、その後、下方へと滑り落ちました。オーストラリア大陸はインドと南極大陸から、マダガスカル島はアフリカから、そしてセイシェル諸島はインドから分離しました。この破壊行為によってインド洋が形成されたのです。

東アフリカの下にあるプルームが猛攻撃を続けると、将来的にアフリカ大陸の分裂につながるだろう。具体的には、東アフリカが分裂し、世界で最も若い海の横に浮かぶ新しい微小大陸が形成されることになる。

しかし、大陸南端に降りかかるであろう大惨事を考えると、この将来の地殻変動は取るに足らないものに思える。研究チームは、数千万年後には悪夢のような巨大な塊が中央カスプから分離し、現在の南アフリカの地盤にまで達すると推定している。シグロク氏によると、これは壊滅的な噴火を引き起こすだろうという。デカン・トラップは、私たちが孤立したマントルプルームと考えるものによって引き起こされた。しかし、この将来の巨大塊は、デカン・トラップが比較にならないほどの大規模かつ活発な火山活動を引き起こす可能性がある。

将来の火山による大惨事を想像するのは不安なことかもしれない。しかし、だからこそ、噴煙の正確な描写が重要なのだ。噴煙は生死を左右するものだ。

しかし、それらが引き起こすあらゆる混乱にもかかわらず、それらは絶え間ないプレートテクトニクスのサイクルの重要な一部です。このサイクルは、炭素と水を不規則に埋め立て、噴出させ、奇跡的に、呼吸可能な大気と広大な海を持つ居住可能な惑星、つまり深海の巨獣が作った楽園を生み出しました。「惑星がどのようにして数十億年もの間、人類の存在を基本的に可能にしてきたのかを知ることは重要です」とライチャートは述べています。

マントルの怪物が完全に解明されるまでには、まだ時間がかかるだろう。その日が来るまで、科学者たちは形を変えるマントルの姿を描き続け、足元でうごめく多くの怪物たちの音に耳を澄ませ続けるだろう。

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、 シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。

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