科学者がヘリコプターを使ってイエローストーンの配管地図を作成

イエローストーン国立公園の象徴的な場所、オールド・フェイスフルは、高さ180フィート（約55メートル）まで間欠泉を噴き上げますが、その勢いは地下のマグマが熱し、水を噴出させることから生まれていることは、おそらくご存知でしょう。科学者たちは、地震波を地中に発射して反射波を分析し、オールド・フェイスフルからの噴出物の化学組成を解析することで、深さ3マイル（約4.8キロメートル）のマグマだまりこそが、イエローストーンの世界的に有名な観光名所の原動力であると推測しています。しかし、観光客の足元にあるこの水、科学者たちが言うところの「熱水配管システム」が一体何をしているのかは、これまで謎に包まれていました。 

「地表とマグマの間の領域の写真は全くありませんでした」と、米国地質調査所の研究地球物理学者、キャロル・フィン氏は語る。「地球化学的な側面は大部分が分かっていたものの、『水はどのように流れるのか？ どこへ行くのか？ どこで混ざり合うのか？ 』という写真を見た人は誰もいなかったのです。 」 

フィン氏と同僚たちは、ヘリコプターの下に吊り下げられた直径80フィート（約24メートル）の電磁リングのおかげで、イエローストーンの激しい間欠泉の地下の配管をマッピングすることに成功した。「これは、これまでに行われた熱水系に関する調査としては最大規模です」と、本日ネイチャー誌に掲載されたこの研究成果をまとめた論文の筆頭著者であるフィン氏は述べている。 

空中ループは電磁場を発生させ、それが地面に電流を発生させ、それをループが感知しました。「これらすべてを合わせると、地面における電気の伝導性が分かります。乾いた岩石では電気は伝導しにくく、湿った岩石や粘土では電気は伝導しやすいのです」とフィン氏は言います。 

これにより、研究者たちは地球の組成を深さ1.5マイル（約2.4キロメートル）までの地図にまとめることができ、上の断面図で確認できます。（赤は物質が乾燥していること、青は湿っていることを表します。） 

できたばかりの火山岩は非常に磁性が強いのですが、熱水に触れると粘土に変化し、磁力を失います。（上の写真の青い塊、オールド・フェイスフルの左側にあるものなどです。）「重要なのは、私たちが目にするあの粘土、あの青い塊が、実は湧昇する熱水の目印だからです」とフィン氏は言います。「それらは、熱水がどこから来ているのかを大まかに示してくれるのです。」 

上の図では、イエローストーンの別の場所に青い粘土の塊が見られます。上向きの栗色の矢印は熱によって温められた水の動きを示し、ピンクの星は地表の地熱地形です。 

「もう一つ、地下水の化学組成を見ることができます」とフィン氏は言う。（地下水の動きは水色の矢印で示され、地表のすぐ下に見える。）雨や雪解け水からできた冷水は、もともと塩分やその他のミネラルを含んでいない。しかし、断層（茶色の縦線で示されている）を伝って地下深くに浸透し、地中深くで加熱されると、様々なミネラルが注入され、電磁波特性が変化する。「地下水系の最上部にある冷水と、より深いところにある温水の違いを実際に見分けることができるのです」とフィン氏は付け加える。 

上のイエローストーン湖の視覚化では、黒い矢印は熱流体の動きを示し、栗色の矢印は茶色の断層線に沿って移動する熱流体を示しています。「これらの断層の一部が実際にどのように水を地表に運んでいるかがわかります」とフィン氏は言います。 

この複雑な熱水配管は、都市のインフラのようなもので、あらゆるパイプが地形を横切って水を運んでいると考えることができます。イエローストーンの地下では活発な地質活動が見られるため、その仕組みを理解することは重要です。「今のところ、私たちが生きている間にイエローストーンの火山噴火を目にするのではないかとの懸念はそれほどありません。単に、それほど危険な状態ではないからです」と、イエローストーン火山観測所の主任科学者であり、米国地質調査所の地球物理学者でもあるマイケル・ポーランド氏は言います。ポーランド氏は今回の研究には関わっていません。「しかし、多くの人が十分に理解していないのは、熱水爆発、つまり水蒸気爆発も重要な災害であるということです。」

こうした爆発は年に一度ほど発生し、地下で蒸気が蓄積して地上の地面がニキビのように破裂し、岩石が広範囲に飛び散ります。約1万3000年前、こうした爆発の一つがイエローストーン湖の北側に幅1マイル（約1.6キロメートル）を超える湾を残しました。「これは私たちが知る限り、地球上で最大の爆発クレーターです」とポーランド氏は言います。「イエローストーンでは巨大な水蒸気爆発が発生することがあります。ですから、こうした熱水の循環パターンをより深く理解することは、この種の災害をより深く理解するために非常に重要です。」 

この地図は、地熱エネルギー、つまり地球の自然の熱を利用して発電や暖房を行うことを考える際にも役立ちます。イエローストーン国立公園内では地熱エネルギーの採取は違法ですが、例えばアイダホ州などの近隣地域で地熱エネルギーが採取された場合、公園内の地熱活動に影響を与える可能性があります。「世界各地で、近隣で地熱エネルギーが採取された際に間欠泉が活動を停止した例があります」とポーランド氏は言います。「しかし、アイダホ州の地熱系がイエローストーン国立公園とどのようにつながっているのかは分かっていません。ですから、このような地図から、地熱系がどのように機能し、どのように相互につながっているのかについての手がかりが得られるのです。」

地熱業界は、エネルギー源としてどの活動地域を利用すべきかについて既に明確な見識を持っています。彼らは今回の研究で用いられた方法と似た手法を用いていますが、地上に設置された機器が真下を撮影する点が異なります。しかし、地熱活動が活発な地形の広範囲を研究しようとする科学者にとって、ヘリコプターは優れた広範囲の視界を提供します。「この非常に有名な火山地域の熱水系を、驚くほど包括的に捉えてくれました。この研究が、おそらく同様に多くの発見をもたらすであろう他のシステムにおける更なる研究のきっかけとなることを願っています」と、ユタ大学の地球物理学者フィリップ・ワナメーカー氏は述べました。ワナメーカー氏は今回の研究には関わっていません。「この分野では画期的な成果です。」

イエローストーンの地下水がどのように混ざり合うのかを理解することは、公園内の1万ヶ所の温泉に生息する多くの微生物の研究においても、決定的に欠けている重要なピースでした。それぞれの温泉は、湧き出る水の種類によって独自の化学反応を起こし、地球上で最も生物多様性に富んだ生態系を形成してきました。温泉には、地上の太陽の光合成ではなく、地下の化学エネルギーによって生きる生物種が数多く生息しています。これは、深海の熱水噴出孔でバクテリアが硫黄を食べて生きるのと似ています。

これまで、微生物学者は温泉水の化学組成に基づいて、その基礎となる地質を推測することができました。しかし、今回の新たな研究では、その配管網をこれまでにないほど詳細にマッピングしています。「微生物は食事に来たいのです。食卓に着いて食事をしたいのです。しかし、誰が食事に来るかは、どんな食べ物が提供されるかにかかっています」と、モンタナ州立大学の地質微生物学者エリック・ボイド氏は言います。ボイド氏は今回の研究には関わっていません。「そして、それはすべて、地下で起こっている流体、水、岩石の相互作用に完全に依存しており、フィン氏はそれを画像化し、その全体像を把握することができます。」

これは、イエローストーンに現在生息する生命を研究する上で重要であるだけでなく、数十億年前の地球上で生命がどのように誕生したのかを遡って考察する上でも重要です。「『初期の生命は何をしていただろうか？』という疑問を持つなら、イエローストーンのような熱水系の温泉に生息する現代の化学合成生命を見てみましょう」とボイド氏は言います。「キャロル（フィン氏）の研究は、こうした混合体制が実際にどのように起こり得るかを実に示しており、非常に重要だと思います。そして、この研究によって、なぜこのような生物多様性が存在し、維持されているのか、そして地球上でどのようにそれが生み出されたのかを解明することができるのです。」

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