機械学習シミュレーションが暴いた水素の移動
研究チームは、機械学習を活用した高度なシミュレーションを用いて、水素の地球内部における移動を探求した。
水素は非常に軽いため量子的な特性を強く持つ原子であり、その挙動を詳細に分析することが可能になった。
海洋島玄武岩における通常の水素に対する重水素の比率を調べた結果、太陽星雲由来の軽い水素が核から逃げ出し、マントルを豊かにしながらD/H比を低下させていることが示された。
初期地球の環境とマグマの海の結晶化モデル
初期のマグマの海の結晶化モデルを検証したところ、鉱物とメルト間の分別効果は非常に弱く、初期マントル全体にわたって均質な水素同位体組成をもたらすことが判明した。
初期の水量が大きく影響を与えなかった一方で、混沌とした初期地球の激しい環境により、重水素と通常の水素が綺麗に層別化されることはなかった。
研究チームは「こうした発見は、仮に原始の深部マントル貯留層がかつて存在していたとしても、現代の下部マントル深部における水素同位体比のシグネチャーは、初期の地球分化による単純な遺物を表している可能性が低いことを示している」とScience Advancesで述べている。
ヘリウム3とタングステンが明かす核・マントル間の動的交換
さらに、海洋島玄武岩におけるヘリウム3とヘリウム4の比率が高くなっていることも、太陽星雲に由来する原始の同位体が核から上方に漏れ出しているさらなる証拠を添えている。アイスランドなどの場所は、こうした元素が現在でも脱出し続けている可能性を示唆している。
地球の形成初期に核の分離に伴って内部に閉じ込められた重金属であるタングステンも重要なピースとなっている。初期に隔離された古いタングステン同位体が、上昇するプルームに同乗して運ばれることで、地球の内部から吐き出される核の物質を跡付けている。
研究チームは、それは「地球の進化を通じて継続している核とマントルの相互作用による動的な改変を反映している」とScience Advancesで述べている。
化学的兆候が示す進化する地球の内部システム
こうした水素、ヘリウム、タングステンの三位一体の化学的兆候は、深部マントルが単なる古い時代の遺物ではなく、地球の進化を通じて核とマントルが絶えず物質を交換してきた動的なシステムであることを物語っている。
この研究は、科学雑誌『Science Advances』に掲載された。