マントルダイナミクスにおける温度と化学組成の影響

　我々がこの2〜3年取り組んでいる、マントルダイナミクスに関する実験的研究についてお話します。

　よく知られているように、地球内部の構造は地震波トモグラフィーによって表されています（図1）。地震が起きると、震源からの地震波は地球内部を通って地球上のあちらこちらに到着します。震源までの距離と、地震発生から到着までの時間から、地震波の速度を求めることができます。そうして求めた地震波の速度変化を3次元マップとして表したものが、地震波トモグラフィーです。
　地震波の速度変化は、温度と化学組成の変化によってもたらされます（図2右）。例えば、地球の構成鉱物の多くでは、鉄の組成量が変わることによって地震波の速度が減少します。オリビン（かんらん石：Fo）の場合、鉄の含有量が20％増加すると、地震波の速度は5％低下します。また、温度が800K高くなると、地震波の速度がやはり5％低下します。従って、地震波の速度変化は、温度と化学組成の変化の両者を反映していることになります。
　一方、マントル内部における上昇流や下降流などの動きを支配しているのも、温度と化学組成です。鉄の含有量が増えると密度は増加し、温度が高くなると密度は減少します（図2左）。密度が小さくなると上昇流となり、密度が大きくなると下降流となります。地震波の速度の場合、温度と化学組成の2つの影響は同じ方向に働きますが、マントルのダイナミクスに関しては温度と化学組成の影響は反対になります。
　従って、マントル内部で起きている現象を考える場合、地震波トモグラフィーの姿のままでは、実態に迫ることができません。つまり、シミュレーションや実験を通して、温度と化学組成が変化する場でのダイナミクスを考えなければならない、というのが我々の研究の出発点です。
　また、地球のホットスポットの活動は、マントルの最下部からわき上がってくるプルームによって支配されていると、普通考えられています（図3）。しかし、ホットスポットをよく見ると、その先端に大きな火成活動があるものや、南太平洋のホットスポットのように大きな火成活動が見られないものなど、いろいろなバリエーションがあります。ホットスポットのバリエーションをコントロールしているものは何か。それを明らかにしたいというのが、我々の研究のもう一つの出発点です。

実験システムの概要

　マントルのダイナミクスを考えるために、我々がどのような実験を行っているのかを紹介します。図4は実験の概念図です。タンクの中は、下に重い液体、上に軽い液体という二重構造になっています。上下の液体は密度（ρ）も違うし、温度（T）も粘性（η）も違う。これを下からヒーターで加熱すると、どういうことが起きるでしょうか。我々は、それを調べているのです。
　先ほど説明したように、温度が高くなると密度が小さくなり、化学組成が変わると密度は大きくなります。従って、温度と化学組成の2つのパラメータが競合するような関係で全体のダイナミクスが変わります。我々は、温度と化学組成、そして運動の3つを1つの実験の中で詳細に解析することができるシステムを、この2年ほどで作り上げました。
　実験システムを図5に示します。タンクは15×15×20cmで、一番下に重い液体の薄い層を入れ、その上に軽い液体を入れてあります。この状態は、マントルの最下部にあるD"層（ディーダブルプライム層）という密度の大きな層を想定しています。タンクの下からヒーターで温めると、温められた重い液体が上昇していきます。
　温度構造を解析するために、液体には感温液晶の粒子を入れてあります。図5右では、内側から外側に向かって26℃、32℃、38℃の等温線が見て取れます。また、重い液体にローダミンなどの蛍光色素を入れ、レーザー光を照射することで、化学組成も可視化して観察することができます。

「成功したプルーム」と「失敗したプルーム」

　ヒーターのパワーを変えるとどうなるか、2つの層の密度差を変えるとどうなるか、重い液体の層の厚さを変えるとどうなるか、この3つのパラメータを変えて系統的な実験を行いました。すべての例を説明できませんから、簡単な例を3つ紹介します。
　まず、2つの層の密度差を変えた実験です。図6は密度差が0.9936と非常に小さい場合です。左側が化学組成像、右側が温度像です。組成プルームと熱プルームが一体となったプルームが形成され、上昇していくことが分かります。
　2つの層の密度差を大きくすると、まったく違った形になります（図7）。熱プルームが上昇していきますが、プルームヘッドには重い液体がほとんど取り込まれていません。熱プルームと組成プルームが、完全に分離してしまっています。
　今日の話の中心は、2つの中間領域で形成されるプルームです（図8）。密度差が大きくもなく、小さくもない、そういう条件で実験を行うと、まず熱プルームと組成プルームが同じように上昇を始めます。しかし、ある時点で2つのプルームの分離が起きて、熱プルームだけが上昇を続けます。１つのプルームであったものが、ある時点から先は2つのプルームに分離してしまうということが起きているのです。
　さらに、このとき興味深い現象が起きています。図8左に示した組成場を見ると分かるように、一度上昇を始めた重い液体が逆に降下していくのです。運動の解析をすると、どうしてここで降下が起きるか理由を説明できるのですが、今回は省きます。とにかく、熱プルームと組成プルームが分離して、組成プルームは沈降していく。
　このように、いろいろなパラメータにおいて実験を行った結果を図9にまとめました。横軸は密度差、縦軸は重い液体の層の厚さです。赤で示した部分は、図6に示した熱プルームです。我々はこれを「成功したプルーム」と呼んでいます。青で示した部分は熱プルームと組成プルームが完全に分離してしまっているもので、図7に対応します。そして緑色が図8に対応し、ある時点までは同じように上昇しますが、熱プルームと組成プルームが分離して、組成プルームは沈降してしまう領域です。我々は、これを「失敗したプルーム」と名付けました。

マントルに「失敗したプルーム」を探す

　このような実験から、密度差と層の厚さの違いによって、形成されるプルームが変わってくることが分かってきました。問題は、これらのパラメータが、地球内部のどこに対応するかということです。地球の場合、層構造の密度差は最大1〜2％であるといわれています（図9の赤矢印）。層の厚さは、実験スケールではmmですが、地球においては熱境界層という量を媒介して換算することができます。実験における10mmあたりが300kmくらいの厚さに対応します。つまり、地球のマントル下部、特にD"層あたりの状況を想定すると、「失敗したプルーム」が起きる条件に合致していると考えられます。
　そこで、地震波トモグラフィーによる内部構造のモデルにもう一度戻って考えてみたいと思います（図1）。我々が実験で見た、熱プルームと組成プルームが上昇しようとしたけれども分離してしまい組成プルームが下降するような「失敗したプルーム」を、地震波トモグラフィーの中に見つけることができるかもしれません。
　地震波トモグラフィーでは、地震波速度が小さい部分は赤、大きい部分は青で示されています。地震波が小さい赤色の部分は、温度が高く、鉄の含有量が大きい。つまり、マントル下部の性質を持った部分です。これまで、地震波速度が小さい部分はマントルの上昇域だと考えられていました。しかし、我々の実験によれば、地震波速度が一番小さくなるのは、沈降している場合なのです。
　ですから、単純に地震波トモグラフィーを見て「ここは地震波の速度が遅い。だから上昇域だ」と考えるのは早まっていますよ、というのが今日の主題です。講演サブタイトルの“A lesson for tomography interpretation”には、そういう意味が込められています。