マントル

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マントル英語: mantle, 「覆い」の意)とは、惑星衛星などの内部構造で、(コア)の外側にある層である。

地球型惑星などでは金属の核に対しマントルは岩石からなり、さらに外側には、岩石からなるがわずかに組成や物性が違う、ごく薄い地殻がある。

地球[編集]

1=地殻; 2=マントル; 3a=外核; 3b=内核; 4=リソスフェア; 5=アセノスフェア
マントルの構造[1]

地球の場合は、大陸地域で地表約30-70 kmから、海洋地域で海底面下約7 kmから約2,900 kmまでの範囲を指す。地殻は大陸地殻や海洋地殻といった違いがあるが地表面から地下およそ5-60 kmまでの厚さを有しており、マントルはその下層に位置している。

地球のマントルと地殻の境界は、発見者の名からモホロビチッチ不連続面(略称モホ面)と呼ばれている。地震波がモホ面を通るときには密度の違いから速度が急変し角度によって屈折を起こす。地殻直下のマントルは物理的に地殻と一体化しているが、同時に、モホ面という境界が観測されるのである。密度の違いは地殻とマントルの物質組成が異なることによる。マントルの下面はグーテンベルク不連続面と呼ばれており、外核との境界になっている。

地球の上部マントルはかんらん岩を主成分とする岩石で構成されており、マントル内における化学組成に大きな差異はないとする説と、上部マントルと下部マントルで異なるとする説が対立している。

成層構造[編集]

深度が深くなるにつれ、温度・密度ともに上昇するが、特に密度については、鉱物相が相転移することにより不連続に増加する。410 km、520 km、660 km、2,700 kmの地点に地震波の不連続面があり、これが相転移の境界と考えられている。この中では660 km不連続面は明瞭であり、これを境に上部マントルと下部マントルに分けている。鉱物相による分類については、上位からかんらん石(α相)、変形スピネル相(β相、ウォズレイアイトとも)、スピネル相(γ相、リングウッダイトとも)、ペロブスカイト相ポストペロブスカイト相(D’’層 ディーツープライム とも)となっている。マントル構成物質は、この境界を移動するごとに相転移し結晶構造が変化、密度も変化する。

かんらん石の層はモホ面から440 km不連続面までで、マントルの最上部を占める。この層は、地殻とともに圧力や温度、水分含有量などの条件により、部分溶融を起こしマグマを生成する。変形スピネル相およびスピネル相はマントル遷移層または転移層とも呼ばれている。660 km以深のペロブスカイト相の層では、圧力は23.4GPaを超えている[2]。スピネル相構造のかんらん石が分解され、マグネシオブスタイト (Mg,Fe)Oと稠密な構造のペロブスカイト MgSiO3 とで構成されている。2,700 km以深のマントルの最下部はD’’層とも呼ばれ、ペロブスカイト相よりも稠密で密度も高いポストペロブスカイト相となっている。ポストペロブスカイト相の発見は、2004年のことである。核境界付近の構造は不明な部分も多く、下部マントル層の深部で核に接している部分は薄い層が溶解し、この溶解部分からマントル・プリュームが上昇しているのではないかという説がある[3]

また、マントルを力学性質から分類すると、上位から地殻と合わせてリソスフェアアセノスフェアメソスフェアに分類される[1]。リソスフェアは地殻も含んだマントル上部の層で、温度・密度が低く、剛性も高い。その下面は60-100 kmの地点にある。リソスフェアはプレートテクトニクスにおけるプレートにほぼ相当する部分で、地表面を移動している。アセノスフェアはリソスフェアとメソスフェアの間にある層で、100-300 kmの間にある。地震波の低速度域であり、物質が部分溶融し、流動性を有している。低速度域のみがアセノスフェアとされるが、場合によっては下限を660 kmの面と考える説もある。メソスフェアはマントルの大部分を占め、高い剛性を有する固体と考えられている。

構成成分[編集]

リングウッド(A. E. Ringwood, 1963)らは、上部マントルの組成はダナイト玄武岩が3:1の割合で混合したパイロライト(pyrolite)と呼ばれる仮想的岩石から構成され、この物質が分別溶融を起こすと玄武岩質マグマが生成すると考えた[4][5]

下部マントルの組成については諸説あり、上部マントルと同じパイロライトの組成を維持ししているとする説[6][7]、または、化学組成が異なりより二酸化ケイ素成分に富んだペロブスカイト相(MgSiO3)を主成分とするとする説[8]があり決着がついていない。前者であればマントルは太陽系の元素組成に近いCIコンドライトよりもケイ素に枯渇している事になり、後者であれば始源的な隕石であるC1コンドライトの化学組成に一致するが、マントルは2層対流で上部と下部の物質の混合が起りにくい構造を支持する。

上部マントルの構成元素[9][10]
構成元素 含有率/%
酸素
マグネシウム 22.22
ケイ素 21.31
5.86
カルシウム 2.50
アルミニウム 2.17
クロム 0.301
ナトリウム 0.2745
ニッケル 0.2108
チタン 0.132
マンガン 0.1016

調査法[編集]

現在は地球深部探査船ちきゅうがマントルの直接採取を予定している。マントル上部の物質についてはオフィオライト[11]など、造山運動などにより地表に現れたものがあり、マントル下部の物質についてもキンバーライトなど地表に噴出したものが発見されている。

地震波トモグラフィーにより、地球内部の密度などを算定するほか、地表で得られたマントル物質を参考に、シミュレーションのほか、鉱物の高圧実験による再現実験を行い、条件に合う圧力・温度・密度とその際の鉱物相を明らかにしている[12]

物性[編集]

マントルの物性値は下表のようであるとされている。マントルの流動の研究には流体力学などが援用されるが、物性値のうち特に粘性の(通常の流体と比較したときの)特異性がCFDなどを用いた解析を困難なものにしている。

マントル物質の物性[13]
物性 備考
熱膨張率 10-5 K-1
熱拡散率 10-6 m2/s
定圧比熱 103 J/kg K
密度 3.3-5.6×103 kg/m3 深度の違いによって、上下で約65%の差があるとされる。
体積弾性率 100-600 GPa
粘性率 1021-1022 Pa s 100 Kの温度変化で1桁低下する。
動粘性率 1016-1020 m2/s
プラントル数 約1024
応力緩和時間 10年-10万年

その他の天体[編集]

地球型惑星の内部構造。灰色がマントル。

地球型惑星や大型の岩石衛星は、地球に似たマントルを持つと推定されている。金属核の割合が高いとされる水星のマントルは地球と比較して酸化鉄の割合が少なく、硫黄の含有量が多いと推定される[14]。対して、火星のマントルは酸化鉄の含有量が多いと推定される[15]

木星型惑星は、核の外側に金属水素のマントルを持ち、その外側には液体水素の層があると推測されている。天王星型惑星は、核の外側にアンモニアメタンの氷からなるマントルがあり、その外側には水素とヘリウムの層があると推定されている。ただし、これらの層がマントルと呼ばれることは比較的少ない。

大型の氷衛星太陽系外縁天体の中には、氷と岩石の2層からなっているものがあると推測されている。この場合、中心部の岩石の層を核、周辺部の氷の層をマントルと呼ぶ。エウロパガニメデなどでは、マントルの最下層は潮汐摩擦による地熱で溶けてになっている可能性がある。

脚注[編集]

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  1. ^ a b 地球の構造 地質調査総合センター
  2. ^ http://www.misasa.okayama-u.ac.jp/intern/katsuratext.pdf (PDF)
  3. ^ 松原聰 『ダイヤモンドの科学 - 美しさと硬さの秘密』 講談社〈ブルーバックス〉、2006年、ISBN 4-06-257517-5
  4. ^ D. H. Green, A. E. Ringwood, 1963, Mineral assemblages in a model mantle composition, J. Geophys. Res., 68, 937-946.
  5. ^ B.メイスン 『一般地球化学』 松井義人・一国雅巳訳、岩波書店1970年
  6. ^ ITo, E. and E. TAKAHASHI, 1987, Ultrahigh pressure phase transformations and the constitution of the deep mantle, in High Pressure Research in Mineral Physics, edited by M. H. Manghnani and Y. Syono, pp. 221-229.
  7. ^ 入舩徹男, 下部マントル領域でのマントル物質の相関係と密度変化 -地球の原料の解明へ-(プレスリリース), SPring8 大型放射光施設
  8. ^ 村上元彦, 地球のマントルは化学組成の異なる2層構造だった! — 地球科学の定説覆す —(プレスリリース), SPring8 大型放射光施設
  9. ^ WANKE, H., G. DREIBUS and E. JAGOUTZ, 1984, Mantle chemistry and accretion history of the Earth, Archean geochemistry, editd by A. Kroner, G. N. Hanson and A. M. Goodwin, pp. 1-24, Springer Verlag, New York.
  10. ^ 理科年表』2008年
  11. ^ 惑星地球の進化 放送大学教材 松本良・浦辺徹郎・田辺英一 ISBN 978-4-595-30759-1
  12. ^ 例えば[1] 世界初!マントル深部の高温高圧条件下で地震波速度精密測定に成功 マントル遷移層の化学組成解明・「プレートの墓場」の存在を示唆 愛媛大学他 2008年]、地球のマントルは化学組成の異なる2層構造だった!地球科学の定説覆す 東北大学他 2012年
  13. ^ 鳥海光弘他、岩波講座地球惑星科学10 『地球内部ダイナミクス』、岩波書店、268ページ、1998年。ISBN 4-00-010730-5
  14. ^ 形成期の水星におけるコア-マントル間の硫黄の分配 (PDF)
  15. ^ [火星の基本情報], JAXA, 宇宙情報センター

関連項目[編集]