希少なダイヤモンドが地球内部の水の世界を垣間見せてくれる

水がなければ、地球は私たちが知っていて愛している故郷の惑星ではないでしょう。結局のところ、地球の表面の 70 パーセントは生命維持に必要な液体で覆われています。表面の水は観察や研究がはるかに簡単ですが、私たちの足元では深層水循環と呼ばれるより神秘的な現象が起きています。地質学的水循環とも呼ばれるこのプロセスは、地球の表層とマントルと呼ばれる第 2 層の間の水の交換を表しています。さらに驚くべきことは、水和鉱物が海水を地球の深部まで運び、その後火山の噴火やその他の地震活動によって地表に放出されることです。

深層水の循環は、科学者にとって完全に理解するのが難しい。特に、最も深いボーリング孔（石油や水を探すために人工的に掘られた狭い穴）でも、深さ7.5マイル強にしか達しないからだ。しかし、昨日ネイチャー・ジオサイエンス誌に発表された新しい研究によると、地球の下部マントルには、これまで考えられていたよりもさらに深いところに水環境が存在することが示唆されている。

研究チームは遷移層（TZ）に注目した。これは地球の地下約254～410マイルにあり、上部マントルと下部マントルを分ける境界にある。この層には巨大な圧力がかかっており、鉱物のオリビン（ペリドットとも呼ばれる）の結晶構造を変化させるほどである。オリビンは地球の上部マントルの約70％を占めているため、このような変化は鉱物とマントルの化学構造の両方にとって大きな意味を持つ。

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「こうした鉱物の変化はマントル内の岩石の動きを著しく妨げる」と、フランクフルトにあるゲーテ大学地球科学研究所の研究著者で教授のフランク・ブレンカー氏はメディアリリースで述べた。ブレンカー氏は、マントル深部から上昇する高温の岩石の柱（マントルプルームと呼ばれる）が、TZの真下で止まることがあると指摘した。

「沈み込むプレートは遷移層全体を突破するのが難しいことが多い。そのため、ヨーロッパの地下のこの領域には、そうしたプレートの墓場が広がっている」とブレンカー氏は語った。

水の証拠を探すため、研究チームは地表から410マイル下から採掘された非常に希少なダイヤモンドを分析した。宝石品質のダイヤモンドはボツワナのカロウェ鉱山で発見された。

研究の共著者であるティンティン・グー氏はポピュラーサイエンス誌に対し、米国宝石学会（GIA）の研究員として働いていたとき、チームはこのダイヤモンドとその凝集した窒素欠陥の起源に興味があったと語った。「私たちはその起源に興味があったのです。」

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研究チームは、ダイヤモンドの内部に、それを取り囲む包有物を発見した。これらは、リングウッダイトなど、より多くの水を保持できる他の鉱物の小さな破片である。リングウッダイトは、TZ でよく見られる。この意外なリングウッダイトを取り囲んでいたのは、TZ で見られるものではなく、下部マントルで一般的に見られる鉱物の形態だった。著者らによると、リングウッダイトは、ブリッジマナイトやフェロペリクレースなど、下部マントルで優勢であると考えられている鉱物よりもはるかに多くの水を含むことができる。ダイヤモンドの包み込みにより鉱物の特性が損なわれず、研究者らは、ダイヤモンドが TZ の外側の境界近くに存在していたことを解明できた。

この発見は、科学者がこれまで考えていたよりも地球の深部に水が存在する可能性があることを示唆しており、プレートテクトニクスと謎に満ちた深層水循環への理解が深まる可能性がある。研究チームは、非常に希少なIab型ダイヤモンド（窒素含有量が最大500ppmで、自然界にわずか0.1％しか存在しないダイヤモンド）に対して、「非破壊」分析法を採用した。これには、物理​​的特性を明らかにする非侵襲性レーザーや、光沢のある岩石を割ることなく内部構造を調べるX線回折法などが含まれる。

「予想もしていなかったのですが、このダイヤモンドの中にリングウッダイト鉱物が見つかりました。ダイヤモンドの中にリングウッダイトが見つかったのは、これが2度目です。さらに重要なのは、リングウッダイト鉱物が、地球深部で形成された他の2つの重要な鉱物と共存し、含水相を伴っていることがわかったことです。これらを合わせると、このダイヤモンドの起源は地球の660 kmのまだ湿った環境にあることが分かります」と、グー氏（現在はパデュー大学）はPopSciに語っています。

2014年という早い時期に、TZのダイヤモンドから含水リングウッダイトが初めて検出されました。ブレンカー氏もその研究に関わっていましたが、サンプルサイズが小さかったため、チームは石の正確な化学組成を特定できませんでした。ダイヤモンドの水分含有量は「異国の化学環境」に起因する可能性もあるため、この小さな鉱物片が下部マントルの地質構造をよく表しているかどうかは不明のままでした。この研究で使用されたボツワナ産のより大きなダイヤモンドは、科学者が正確な化学組成を特定できるほどの大きさで、予備的な結果を裏付けました。