マントル深部にある奇妙な塊は古代惑星の残骸である

地球の深部マントルにある大規模な低速領域 (LLVP) は、テイアンのマントル物質の残骸である可能性があります。 クレジット：Hongping Ding および Hangzhou Field Studio

カリフォルニア工科大学の研究によると、地球のマントル深部にある2つの巨大な鉄分に富んだ構造物は、地球と衝突して月を形成した古代惑星テイアの残骸であることが示唆されている。 この発見は、月の起源とテイアの運命に関する長年の疑問に答えます。

1980 年代、地球物理学者は驚くべき発見をしました。地球の中心の深部で、大陸ほどの大きさの珍しい物質の塊が 2 つ発見され、1 つはアフリカ大陸の下、もう 1 つは太平洋の下でした。 それぞれの点は月の約 2 倍の大きさで、周囲のマントルとは異なる割合の元素で構成されている可能性があります。

大規模で低速な郡資産

正式には大規模低速度州 (LLVP) として知られるこれらの奇妙な塊はどこから来たのでしょうか? カリフォルニア工科大学の研究者らによる新しい研究は、それらが数十億年前に月を誕生させたのと同じ巨大な衝突で地球に激しく衝突した古代惑星の残骸であることを示唆している。

研究は雑誌に掲載されました 自然 11月1日には、惑星科学における別の謎への答えも提案されている。 研究者らは長い間、月は地球とテイアと呼ばれる小さな惑星との巨大衝突の後に誕生したと考えてきたが、小惑星帯や隕石からはテイアの痕跡は見つかっていない。 この新しい研究は、テイアの大部分が若い地球に吸収されてLLVPを形成し、衝突で残った破片は月に吸収されたことを示唆している。

地球の核近くに高密度物質の大きな「塊」がある地球の視覚化。 これらの点は 1980 年代に発見されました。 現在、研究者らは、これは実際には地球と衝突して月を形成した古代の惑星テイアの残骸であると示唆しています。 クレジット: エドワード・ガーネロ

研究方法と結果

この研究は、地質学および地球化学のエレノア・マクミラン教授とジョン・R・マクミラン教授であるポール・アシモ（修士号’93、博士号’97）の研究室のオーキー・アール博士研究員である銭源氏が指揮した。 ジョン・E・スミッツおよびヘイゼル・S・スミッツ地球物理学教授、クラレンス・R・アレン・リーダーシップチェア、カリフォルニア工科大学地震研究所所長、およびカリフォルニア工科大学シュミット・ソフトウェア・エンジニアリング・アカデミー所長のマイケル・ジョーネス氏。

科学者は、地球を伝わる地震波を測定することによって初めて LLVP を発見しました。 地震波はさまざまな物質をさまざまな速度で伝わり、1980 年代に、地球の構造の深部にある大規模な 3 次元の変動に関する最初のヒントが現れました。 より深いマントルでは、地震波のパターンは、異常に高いレベルの鉄を含むと研究者が信じている地球の核近くの2つの大きな構造の痕跡によって支配されています。 この高い鉄含有量は、その地域が周囲よりも密度が高いことを意味し、その地域を通過する地震波の速度が低下するため、「大規模な低速地域」と呼ばれるようになりました。

訓練を受けた地球物理学者であるユアン氏は、2019年にアリゾナ州立大学教授のミハイル・ゾロトフ氏が開催した惑星形成に関するシンポジウムに出席していた。ゾロトフ氏はジャイアント・インパクト仮説を発表したが、チェン氏は月には比較的鉄が豊富であると指摘した。 ゾロトフ氏は、車両の痕跡は見つからず、確実に地面に衝突したと付け加えた。

「マイケルが、衝突物体が今どこにあるのか誰も知らないと言った直後、私は『閃いた瞬間』を感じ、鉄分を多く含む衝突物体がマントルの塊に変わった可能性があることに気づきました」とユアン氏は言う。

テイアの地球への影響の詳細なシミュレーション。 衝突は激しかったが、地球の下部マントルを溶かすほど強力ではなかった。つまり、テイアの残骸は地球の物質と均一に混合するのではなく、保存された可能性がある。 クレジット: ホン・ビンディン

ユアンは学際的な協力者と協力して、テイアの化学組成と地球への影響についてのさまざまなシナリオをモデル化しました。 シミュレーションにより、衝突の物理学がLLVPと月の両方の形成につながる可能性があることが確認されました。 テイアのマントルの一部が地球のマントルに取り込まれ、最終的に溜まって結晶化して、今日マントルとコアの境界で検出できる2つの異なる塊を形成した可能性があります。 衝突による他の破片が混ざり合って月が形成されました。

意味と今後の研究

この激しい衝撃を考えると、なぜテイアの物質は、形成中の惑星の残りの部分と混合せずに、2 つの異なる場所に集まったのでしょうか? 研究者のシミュレーションは、テイアの衝突によるエネルギーの多くがマントルの上半分に残り、地球の下部マントルが以前の低解像度衝突モデルが推定したよりも低温のままであることを示した。 下部マントルは衝突によって完全には溶けていなかったため、テイアからの鉄分が豊富な物質の塊は、消えた溶岩ランプの中のカラフルなパラフィンワックスの塊のように、マントルの基部に移ってもほとんどそのままの状態で残った。 もし下部マントルがもっと熱くなっていたら（つまり、衝突によってより多くのエネルギーを受け取っていれば）、絵の具の入った鍋の中の絵の具のように、鉄を多く含む物質とよく混ざり合ったはずだ。

次のステップは、地球深部に初期に存在した不均質なテイア物質が、プレートテクトニクスなどの地球の内部プロセスにどのような影響を与えたかを研究することです。

「LLVP がテイアの残存物であるという考えの論理的な帰結は、それらが非常に古いものであるということです」とアシモフは言います。 「したがって、現代のプレートテクトニクスに適した条件になる前の沈み込みの開始、最初の大陸の形成、最古のプレートの起源など、それらが地球の初期進化にどのような影響を与えたかを研究することは理にかなっています。地球の鉱物のこと。」

新しい研究は、惑星科学の2つの長年の謎に答えます：地球の核近くにある巨大な謎の物質の「塊」とは何ですか、そして月を作成するために地球と衝突した惑星に何が起こったのでしょうか？ カリフォルニア工科大学の新しい研究は、この古代惑星の残骸が今も地球内に存在していることを示唆しており、核とマントルの境界付近にある「塊」の起源を説明している。

参考文献: 「地球の基底マントル異常の原因としての月形成衝突」Qian Yuan、Mingming Li、Stephen J. デッシュ、ビョングァン・クー、ホンペン・デン、エドワード J. ガルネロ、トラビス S.J. ガブリエル、ジェイコブ A. 、ヴィンセント エッケ、ポール D. アシモフ、2023 年 10 月 32 日、 自然。
土井: 10.1038/s41586-023-06589-1

最初の著者は銭源です。 ユアンとアシモに加えて、カリフォルニア工科大学の追加の共著者は、比較惑星進化に携わるスタンバックの博士研究員である宮崎義則氏です。 その他の共著者は、アリゾナ州立大学 (ASU) の Mingming Li、Stephen Desch、Edward Garnero (PhD ’94) です。 アリゾナ州立大学およびミシガン州立大学のByungkwan Ko。 中国科学院の丁宏平氏。 USGSのトラビス・ガブリエル氏。 ジェイコブ・ケゲリス NASAエイムズ研究センター; とダラム大学のヴィンセント・エッケ氏。 資金は、国立科学財団、カリフォルニア工科大学のアオキ・アール博士研究員フェローシップ、USGS、NASA、およびカリフォルニア工科大学比較惑星進化センターによって提供されました。