• 火星深部における中心核直上のマグマ層の形成過程を示す模式図。部分溶融したマントルからメルトが下方へ分離・移動し、液体核との境界付近に集積することで、玄武岩質の基底マグマ層が形成される。右のグラフに示されているように、このマグマ層の存在は、インサイトによって得られたP波速度(VP)およびS波速度(VS)の深度方向の変化と整合的だった (出所:愛媛大ニュースリリースPDF)

    火星深部における中心核直上のマグマ層の形成過程を示す模式図。部分溶融したマントルからメルトが下方へ分離・移動し、液体核との境界付近に集積することで、玄武岩質の基底マグマ層が形成される。右のグラフに示されているように、このマグマ層の存在は、インサイトによって得られたP波速度(VP)およびS波速度(VS)の深度方向の変化と整合的だった (出所:愛媛大ニュースリリースPDF)

火星は地球の半分強の直径(約6,779km)しかなく、質量も地球の約1割にとどまる小型の惑星だ。そのため、誕生から約46億年が経過する中で内部熱が失われ、コア(中心核)まで冷えて固化した可能性が長らく指摘されてきた。

しかし、NASAとフランス国立科学研究センター(CNES)が、火星の内部構造探査を目的として2018年に打ち上げた探査機「InSight」(インサイト)により、状況は一変。岩石質のマントルと金属コアの境界における地震波の伝播異常などが確認され、地表から約1,550km以深に部分的に溶融した岩石層が存在する可能性が示されたからだ。しかし、そのような層がどのように形成され、なぜコアの直上で維持されているのかについては、多くの謎が残されていた。

このような背景のもと、愛媛大学は、火星の深度約1,550km以深にある部分的な岩石溶融層の形成プロセスと、コア直上に維持されるメカニズムを実験によって解明したと10月30日に発表。この深度では、マントルを構成する岩石が従来の想定よりも約100度低い温度で溶融し始め、周囲のマントルよりも高密なで鉄に富む液体「メルト」が生成されることが判明した。メルトはさらに深部へ移動し、コアの直上で部分溶融層を形成して長期間維持されることが推測された。

同成果は、愛媛大学先端研究院地球深部ダイナミクス研究センターのスティーブ・グレオ准教授らの国際共同研究チームによるもの。詳細は、英科学誌「Nature」系の地球・惑星科学を扱う専門論文誌「Nature Geoscience」に掲載された。

火星の内部構造の謎、実験で解明へ

太陽系の形成初期、木星が太陽に近い内側領域まで一度移動したことで、火星の軌道周辺では岩石惑星の材料となる物質が減少したと考えられている。その結果、火星は原始惑星から十分に成長できず、地球や金星と比べると極めて小型の惑星となったという説が提唱されている。そのため、早期にコアまで完全に冷えて固化したと考えられてきた。

その証拠の1つとされるのが、全球的な固有磁場が存在しないことだ。地球では、液体の外核で生じる金属流体の対流などによってダイナモ作用が働き、地磁気(固有磁場)が生成・維持されている。一方、火星には地殻に残された残留磁場が存在するものの、現在は全球的な固有磁場は確認されていない。このことから、火星では内部の冷却が進み、コアの活動が停止したことで、固有磁場が失われたと考えられてきた。

しかし、探査機インサイトの地震観測により、コア直上の部分溶融層が存在する可能性が示唆され、火星の内部構造については、従来とは真逆の溶融している部分があるとする説も唱えられるようになり、現在も議論は決着を見ていない。

だが、仮に部分的な溶融層が実際にあるとしても、その形成メカニズムは不明だったことから、研究チームは今回その解明のため、火星の組成を代表する岩石試料を合成し、マントル最下部の高温高圧条件を再現した実験に臨むことにした。

今回の研究成果

試料には、最大で大気圧の約19万倍に相当する圧力と、試料の溶融温度を上回る高温が加えられた。理化学研究所と高輝度光科学研究センターが運用する大型放射光施設「SPring-8」において超音波測定を実施し、X線回折およびX線ラジオグラフィーと組み合わせることで、岩石が溶け始める際の変化を観察。併せて、生成された液体の性質が詳細に分析された。

  • SPring-8のビームラインBL04B1における、火星の核・マントル境界の高温高圧条件下での超音波測定実験の模式図(左)と、実験装置(右) (出所:愛媛大ニュースリリースPDF)

    SPring-8のビームラインBL04B1における、火星の核・マントル境界の高温高圧条件下での超音波測定実験の模式図(左)と、実験装置(右) (出所:愛媛大ニュースリリースPDF)

実験の結果、岩石の溶け始めは、従来の想定よりも約100度低温で生じることが判明した。コア直上に極端に鉄に富む物質があらかじめ蓄積していたとする仮説とは異なり、今回の実験結果からは、岩石質マントルにもともと含まれる鉄が、深さ1,550km以深で生じる液体に自然に濃集することが突き止められた。この鉄に富み流動性の高い液体「メルト」は、周囲の固体岩石よりも高密度となるため、少量であっても岩石中を移動し、火星内部の深度1,550〜1,750kmの領域を徐々に沈降していくという。

マントルの最下部に到達したメルトは、コア直上に蓄積される。深度が増すほど温度が上昇するため溶融が進行し、メルトの蓄積が継続的に促される結果、メルトは小さなポケットとしてマントル中に分散するのではなく、最終的にコア直上に連続した均質な層を形成することが推測された。

今回の研究成果は、インサイトミッション終了後にも残されていた「火星地下の溶融層の形成メカニズム」という謎の一端を、実験的に初めて解明したものだ。同探査機が観測した火星内部の地震波伝播の異常を説明し、同惑星がどのように冷却し進化してきたのかを理解する重要な手がかりになるとしている。