地球の大陸のユニークな化学構造の謎

地球の大陸は、酸素が豊富な大気と豊富な水とともに、生命を維持するのに地球をユニークな居住環境にしている。それにもかかわらず、地球の地殻のこれらの巨大な断片がどのようにして生まれたのか、またそれらを特別なものにしている特性についてはほとんどわかっていない。有力な仮説の 1 つは、大陸地殻は海洋地殻に比べて鉄分が少ないため、大陸地殻の鉄分が少ないことが、地球表面の大部分が海面より上にあり、陸上生物の乾燥地となっている理由の一部であるというものである。

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しかし、科学者たちは、地球の大陸地殻における鉄が枯渇した酸化化学は、2018年に提唱されたように鉱物ガーネットの結晶化から生じたものではない可能性が高いことを発見した。代わりに、研究チームは酸化硫黄がその背後にあると考えている。彼らはその研究結果を5月4日に科学誌サイエンスに発表した。

新しい大陸地殻は、太平洋北西部の沖合にあるカスケーディア沈み込み帯のような沈み込み帯にある大陸弧火山から生じます。これらの帯は、海洋プレートが大陸プレートの下に潜り込む場所です。

2018年、大陸地殻が鉄分に乏しく酸化している理由が、ケイ酸塩鉱物のグループであるガーネットの結晶化によるものだという説明がつきました。この理論によると、大陸弧火山の下にあるマグマに含まれるガーネットは、地球の陸地プレートから酸化されていない鉄を除去しています。同時に、溶融マグマは鉄分が枯渇し、酸化が進んでいます。

大陸弧マグマにおける鉄の枯渇と酸化に関するこのガーネットの説明は、スミソニアン国立自然史博物館の岩石学芸員で研究地質学者でもある共同研究者のエリザベス・コトレルにとっては非常に説得力のあるものでした。しかし、その説明の1つの側面は彼女には納得できませんでした。

「ガーネットを安定させるには高い圧力が必要で、鉄分の少ないマグマは地殻がそれほど厚くなく、圧力がそれほど高くない場所で見つかる」とコトレル氏は声明で述べた。

5年前、コーネル大学のコットレルとミーガン・ホーリークロスは同僚とともに、島弧火山の下にあるガーネットの結晶化が大陸地殻の形成に実際に不可欠であるかどうかをテストする方法を模索し始めた。

これをテストするために、研究チームはピストンシリンダープレスを使用して、大陸弧火山の下にある膨大な圧力と熱を再現しました。13 の異なる実験で、研究チームはピストンシリンダープレス内で、地球の地殻深部のマグマ溜まり内の状態と似た圧力と温度 (ソーダ缶内の圧力の約 8,000 倍) の下で溶融岩からガーネットのサンプルを生成しました。実験中の温度は華氏 1,742 度から 2,246 度の範囲で、岩を溶かすのに十分な熱です。

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その後、研究チームはスミソニアン国立岩石コレクションや、酸化鉄と非酸化鉄の濃度がすでに分かっている世界中の他のコレクションのガーネットを使用しました。

その後、材料はイリノイ州にある米国エネルギー省のアルゴンヌ国立研究所の先進光子源に運ばれました。高エネルギー X 線ビームを使用して、研究チームは X 線吸収分光法を実施しました。この技術により、科学者は X 線の吸収方法に基づいて材料の構造と組成を知ることができます。研究チームは、酸化鉄と酸化されていない鉄の濃度を調べて、X 線吸収分光法の測定値を確認および較正し、以前の実験で得られた材料と比較しました。

研究者たちは、地球の大陸地殻を形成するマグマ中の鉄の枯渇と酸化のレベルを説明できるほど、岩石サンプルから酸化されていない鉄がガーネットに十分に取り込まれていなかったことを発見した。

「これらの結果から、大陸弧火山のマグマが酸化され鉄が枯渇する理由をガーネット結晶化モデルで説明するのは極めてありそうにない」とコトレル氏は言う。「大陸地殻の下の地球のマントルの状態がこうした酸化状態を作り出している可能性の方が高い」

この発見により、地殻内で鉄が酸化されて減少すると実際に何が起こるのか、また、その組成に何が変化をもたらすのかなど、さらなる疑問が生じた。

有力な説は、酸化硫黄が鉄を酸化している可能性があるというもので、現在スミソニアンで調査が行われている。この研究は、スミソニアン（Our Unique Planet イニシアチブの一部）、国立科学財団、エネルギー省、およびリダ ヒル財団からの資金援助を受けて行われた。