愛媛大学、岡山大学、海洋研究開発機構(JAMSTEC)の3者は5月5日、巨大天体衝突によって生じる深いマグマオーシャン中で生成される3価鉄(Fe3+)の量を決める実験に成功し、その結果から、地質記録によって示唆されている地球の「冥王代」(40億年より以前の時代)の、非常に酸化的な上部マントルを定量的に説明できることを共同で発表した。
また、当時の火山ガス組成が二酸化炭素(CO2)や二酸化硫黄(SO2)主体であり、原始生命にとってとても過酷な表層環境が形成されたことが示唆されたことも併せて発表した。
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巨大天体衝突イメージ。(出所:愛媛大プレスリリースPDF)
同成果は、愛媛大 地球深部ダイナミクス研究センターの桑原秀治助教、同・入舩徹男教授、JAMSTEC 高知コア研究所の中田亮一主任研究員、JAMSTECの門屋辰太郎Young Research Fellow、岡山大 惑星物質研究所の芳野極教授らの共同研究チームによるもの。詳細は、英科学誌「Nature」系の地球化学全般を扱う学術誌「Nature Geoscience」に掲載された。
地球はプレートテクトニクスや火山噴火、そして海洋や雨・雪などによる風化があるため、地球が誕生したおよそ46億年前の痕跡を留めるような岩石はもう地球表面には残されていないとされる。この46億年前から、最初の生命が誕生したとされる40億年ごろまでは、地質時代区分として冥王代と呼ばれるが、上述したように地球表面には証拠がほとんど残されていないため、研究があまり進展していないという。
大気は、その温室効果や紫外線などによる化学反応によって惑星表層環境に多くの影響を与える。地球をはじめとした岩石惑星の大気は、火山から供給されたガスによって形成されたと考えられており、火山ガスの組成は上部マントルの酸化状態によって大きく異なる。つまり、生命誕生前の地球上部マントルがどのような酸化状態にあったのかを明らかにすることは、生命誕生の謎を解明する上で重要な手がかりを提供するという。
数少ない地質記録からは、地球上部マントルの一部が、約44億年前にはすでに現在と同程度かそれ以上に酸化されていたことが示唆されている。こうした酸化を引き起こす原因として、惑星形成末期の微惑星や原始惑星などによる巨大天体同士の衝突によって生成されるマグマオーシャン(岩石惑星表面が全球的に溶融したマグマ状態のこと)中で2価鉄(Fe2+)の電荷不均化反応が起こり、Fe3+が生成されることでマントル全体が酸化することが最近提案されたとのことだ。
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Fe2+の不均化反応によるマグマオーシャン酸化メカニズムの概要。Fe2+の不均化反応により生成した金属鉄がマグマオーシャンから取り除かれ、Fe3+の割合が増加し、マントルが酸化する。(出所:愛媛大プレスリリースPDF)
しかし先行実験研究においては、実際のマントルとは大きく組成が異なる試料が用いられていたという。また、実際の巨大天体衝突で生じたであろうマグマオーシャンと比べると低い圧力条件で実験が行われており、それら低圧での実験結果をより高圧へ延ばした予想値も、圧力20万気圧以上では理論予測と大きく異なるという課題を抱えていたとする。そのため、現実的なマントル組成の試料を用いたさらなる高圧下での実験的検証が必要とされていた。そこで研究チームは今回、深度およそ660km～800kmに相当する下部マントル圧力条件におけるマグマオーシャンを再現する実験を試みたという。
