サウスウェスト研究所のサイモン・マーチ博士との共著による新しい研究は、金やプラチナを含む特定の貴金属が地球のマントルに豊富に存在することを説明できる、地球物理学的にもっともらしいシナリオを初めて発見した。科学者たちは、シミュレーションまたはモデルに基づいて、衝撃によるマントル物質の混合シナリオにより、金属が核に完全に沈むのを防ぐことができることを発見しました。

サウスウェスト研究所のサイモン・マーチ博士との共著による新しい研究は、金やプラチナを含む特定の貴金属が地球のマントルに豊富に存在することを説明できる、地球物理学的にもっともらしいシナリオを初めて発見した。これらのシミュレーションに基づいて、科学者たちは、金属が核に完全に沈むのを防ぐことができるマントル物質の衝撃による混合のシナリオを発見しました。画像出典: サウスウェスト研究所

進化の初期、約45億年前、地球は火星サイズの惑星と衝突し、月は地球の軌道に衝突した円盤の破片から形成された可能性がある。続いて、月と同じくらいの大きさの微惑星が地球に衝突し、高度に「親好性」な元素 (HSE) (鉄との親和性が高い金属) を含む物質が放出され、若い地球に取り込まれた「後期降着」として知られる長期間の衝突が続きました。

「マントル貫通衝突のこれまでのシミュレーションでは、微惑星の金属核のほんの一部だけがマントルに同化され、HSEを含むこれらの金属のほとんどがすぐに核に流れ込むことが示されている」とマーチ氏は述べた。新しい発見を概説した米国科学アカデミー紀要 (PNAS) 論文の共著者。 「このことから、地球はどのようにして貴金属の一部を入手したのかという疑問が生じます。私たちは、現在のマントルにおける金属物質と岩石物質の混合を説明するために新しいシミュレーションを開発しました。」

この図は、地球のマントルに豊富な HSE 金属が存在することについての地球物理学的に最も妥当な説明を示しています。長期にわたる砲撃では、インパクターが地球に衝突し、物質が運ばれることになる。 (a) 液体金属は、衝撃によって局所的に生成されたマグマオーシャンに沈み、その下の部分的に溶けた領域に浸透したと考えられます。 (b) 圧縮により、溶融ゾーンの金属が凝固して沈みます。 (c) 熱対流は、より長い地質学的時間スケールにわたって、金属が含浸されたマントル組成を混合し、再分配する。画像出典: サウスウェスト研究所

マントル中の HSE の相対的な豊富さは、HSE が核形成後の衝突によって運ばれたことを示唆しています。しかし、これらの元素をマントル内に保持することは、これまでのところモデル化が難しいことがわかっています。新しいシミュレーションでは、局所的な衝突によって生じたマグマオーシャンの下の部分的に溶けた領域が、微惑星金属の地球核への落下をどのように防ぐことができるかを検討している。

「これを達成するために、我々は、固体ケイ酸塩鉱物、溶融ケイ酸塩マグマ、液体金属という3つの流れ段階で、衝突する微惑星とマントル物質との混合をシミュレーションした」と、論文の筆頭著者であるイェール大学の是永淳博士は述べた。 「この三相系の急速なダイナミクスと、マントル内の対流によってもたらされる長期的な混合により、微惑星からのHSEがマントル内に保持されることが可能になります。」

この場合、衝突体が地球に衝突し、局所的に液体マグマの海が形成され、その中に重金属が底に沈むことになる。金属がその下の部分的に溶けた領域に到達すると、すぐに溶融物に浸透し、その後ゆっくりとマントルの底に沈みます。このプロセス中に、溶けたマントルが凝固し、金属を捕捉します。これは、地球の核からの熱によって固体マントル内の物質が非常にゆっくりと小刻みに揺れ、その結果生じる電流が内部から地球の表面に熱を運ぶため、対流が始まるときです。

「マントル対流は、熱いマントル物質が上昇し、冷たい物質が沈むプロセスです」と是永氏は述べた。 「マントルはほぼ完全に固体ですが、地質学的に長い期間にわたって、数十億年前に起こった大衝突で蓄積したHSEを含むマントル物質を混合し、再分配する延性と粘性の高い流体として振る舞います。」