超イオン状態が地球内部での長期的な水貯蔵を可能にする仕組みを解明 (Study Reveals How Superionic State Enables Long-Term Water Storage in Earth’s Interior)

2026-01-29 中国科学院(CAS)

地球内部の水循環は、プレート運動や火山活動、海洋量、気候安定性を左右する重要要素である。中国科学院地球化学研究所(IGCAS)の研究チームは、分子動力学シミュレーションを用い、下部マントルから核–マントル境界(CMB)条件下での水と含水鉱物δ-AlOOHの挙動を解析した。その結果、水は自由な液体として存在せず、酸素格子中を水素イオンが高速拡散する「超イオン状態」の氷となること、δ-AlOOHもCMB付近で二重の超イオン転移を起こし高い安定性を示すことが分かった。これにより脱水反応は熱力学的・動力学的に抑制され、沈み込みによって運ばれた水や太古の水が、マントル最下部に長期貯蔵され得ることが示された。本研究は、地球深部における水の保存機構と長期的水循環の新たな理解を提供する。

超イオン状態が地球内部での長期的な水貯蔵を可能にする仕組みを解明 (Study Reveals How Superionic State Enables Long-Term Water Storage in Earth’s Interior)
Deep water reservoir and circulation. (Image by IGCAS)

<関連情報>

地球の核マントル境界における超イオン遷移による脱水の欠如 Absence of dehydration due to superionic transition at Earth’s core-mantle boundary

Yu He, Wei Zhang, Qingyang Hu, Shichuan Sun, […] , and Ho-kwang Mao
Science Advances  Published:28 Jan 2026
DOI:https://doi.org/10.1126/sciadv.aeb3006

Abstract

The properties and stability of hydrous phases are crucial to unraveling the mysteries of the deep water cycle. Under deep lower mantle conditions, water and hydrous phases transition into a superionic state. However, superionic effect on their stability and dehydration behavior remains unclear. Using ab initio and deep learning potential molecular dynamics simulations, we discovered a doubly superionic transition in δ-AlOOH, characterized by the highly diffusive behavior of both hydrogen and aluminum ions within the oxygen sublattice. These highly diffusive elements contribute external entropy to the system, stabilizing the structure at 140 GPa and 3800 K. Our free-energy calculations reveal that water tends to freeze under deep lower mantle conditions, so dehydration becomes energetically and kinetically unfavorable even under core-mantle boundary (CMB) conditions. This implies that superionic water may accumulate in the deep lower mantle over geologic time, forming a long-term reservoir at the base of the mantle.

1702地球物理及び地球化学
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