研究の概要

地震が発生すると、地下の振動によって音響エネルギーを伴う弾性波が発生します。これは地震波（seismic waves）と呼ばれ、地球内部を伝播していきますが、その伝播速度は、地下を構成する岩石の密度と弾性（図1）に関係します。科学者たちは、既知の鉱物組成を持つ岩石を合成し、その岩石を伝播する弾性波の速度を実験室で測定することで、この現象を再現しています。実験室で測定された弾性波の速度と、PREM（Preliminary Reference Earth Model, 図1）のような地球全体の一次元モデルによる地震波速度を比較することで、どのような岩石が地球深部に存在するかを直接的に推定することができます。この手法は、私たち自身が到達不可能な深部地球の組成と構造を推定するために用いられます。何十年もの間、科学者たちはこの技術を用いて地表から深い下部マントルや核に至るまでの地球内部を調査してきました。その結果、パイロライト（pyrolite, 図2）と呼ばれる仮想的な岩石（約60%のカンラン石と40%の輝石・ガーネットから構成される）の弾性波速度が、深さ約560 kmまでの観測値とよく一致することが示されました（図2）。しかし、これより深い領域、特に下部マントル（図1、2）については、現在の鉱物学的モデルでは地震波観測で求められる弾性波速度を完全に説明できておらず、確固たる結論は得られていません。地球深部のこの理解不足は、主に下部マントルの高い圧力と高い温度条件で実験室での測定を実施することが技術的に非常に困難であることに起因しています。

研究の特色

過去10年間で、私たちは兵庫県にある世界最大の放射光施設の一つであるSPring-8のビームラインBL04B1において、高圧セル実験試料、超音波干渉法及びX線イメージングシステムを開発しました（図3）。特に、岡山大学で開発されたテーパータングステンカーバイド（超硬合金）アンビルを二次的な加圧ステージとして使用することで、地下深さ約800 kmの下部マントルに相当する30 GPa（30万気圧）を超える高圧を達成できるようになりました。試料は、コバルトが微量添加された酸化マグネシウム製の媒体に入れられ、円筒形レニウム（Re）ヒーターが装備されています。これにより、高圧下で2000 ºCまでの高温を発生させることが可能です。また、加熱中の内部圧力の低下や弾性波信号の減衰を防ぐため、アンビルを冷却するシステムも確立しました。この放射光施設の高エネルギーX線ビームは、(1) エネルギー分散型X線回折によって、高圧下における鉱物の結晶構造を分析、(2) X線ラジオグラフィイメージング（図4）によって、試料の長さの決定、の2つの目的に使用されます。特に、大型高圧発生装置の直後に配置された高解像度CMOSカメラを用いたラジオグラフィ撮像は、ミリメートル以下のサイズの試料の長さを高精度で測定することを可能にしました。超音波エコーの記録には、新しく導入された低ノイズ・高周波増幅器と高速伝送（ソリッドステートリレー）システムが組み合わされています。これにより、パルス・エコー重畳法（図4）を用いて、P波（縦波）は60 MHz、S波（横波）は40 MHzの共振周波数で、伝播時間を正確に測定できるようになりました。これらの改善された技術により、私たちは現在、深さ約560 kmよりも深い領域の高圧高温条件において、あらゆる物質の弾性波速度を測定することが可能になっています。

図3：（左）高圧実験に使用した、ビームラインBL04B1に設置されているマルチアンビル高圧発生装置SPEED1500。（中）裏側に超音波測定用の装置が取り付けられたタングステンカーバイド（超硬合金）アンビル。（右）実験前のセルアセンブリを組み込んだ高圧装置の内部。

研究の魅力

地球深部の謎に挑む：超高圧下での弾性波速度測定と新たなフロンティアである新しい超音波測定システムと高速データ取得装置を放射光施設のビームラインに導入したことにより、私たちは2019年に、地球の下部マントル最上部に相当する圧力・温度条件下で、下部マントルの主要鉱物であるCaSiO3ペロブスカイト（デイブマオアイトとも呼ばれる）の音速測定に世界で初めて成功しました。この成果に続き、私たちは他の重要鉱物の弾性波速度も調査し報告してきました。これらの知見は、地球マントルの全体的な化学組成に関する理解を深めるとともに、沈み込むスラブ（プレート）の地震学的構造の解明を進めました。現在、私たちは下部マントルの他の2つの主要鉱物、ブリッジマナイト（MgSiO3）とフェロペリクレース（Mg,FeO）の弾性波速度測定に取り組んでいます。これらの実験で期待できる成果を達成すると想定していますが、このような超高圧・超高温の条件下で行われた実験データの蓄積数はまだ限られています。そのため、地球の下部マントルに残された最後の秘密、つまり、下部マントルはどのような鉱物で構成されているかを解き明かすには、さらなる時間が必要です。また、これらの実験技術、特に数十万気圧・数千度に及ぶ超高圧・超高温の極限環境条件下における弾性波速度測定は、、地球の鉱物研究に限定されるものではありません。例えば、私たちはこの技術を、地球マントル内の部分溶融領域の調査や、近年の探査での地震データによって低速度域の存在が示唆され、将来の探査ミッションが計画されている月や火星の内部構造の解明にも応用しています（図5）。これは、国際的な惑星科学コミュニティから近年非常に強く求められている研究トピックです。さらに、私たちは地球科学をとびだし、研究対象を多成分からなる岩石集合体や、硬質セラミックス、ガラス、軟質材料など、材料科学や物性物理学の対象となる非常に幅広い物質にまで広げました。これにより、様々な研究分野の国内外の機関との協力関係を深めることにも成功しています。

この研究を志望する方へのメッセージ

高圧下における鉱物の弾性波速度を研究することは、非常に狭い専門的な分野に思われるかもしれません。しかし、これは地球やその他の岩石惑星の深部内部を探る機会を提供する、極めて重要な研究領域です。この研究は、最先端の実験技術を用いる、実践的で高度な技術を要する学問分野です。この研究では、以下の最先端技術を活用します。

• ①大型高圧発生装置：巨大な圧力を発生させる。
• ②放射光：高輝度なX線を提供する国立研究施設において、強力なX線を用いて高圧下の物質の内部構造を解析する。
• ③音響干渉法：ナノ秒単位の精度で音波の伝播時間を測定する。

この研究分野は、地質学、物理学、化学、そして材料科学という複数の学問領域の交差点に位置しています。このような幅広い分野に触れることで、多岐にわたる科学や工学のキャリアに応用可能な汎用性の高いスキルセットを身につけることができるでしょう。