560kmマントル不連続面と整合する沈み込む海洋地殻の炭素循環

2026-09-08 愛媛大学

愛媛大学の研究グループは、大容量マルチアンビル装置を用いた高圧・高温実験により、沈み込む海洋地殻に含まれる炭酸塩が地球深部の鉱物反応と炭素循環に及ぼす影響を明らかにした。炭酸塩の存在は海洋地殻とケイ酸塩のCa-Mg交換を促進し、さらに鉄に富む条件ではケイ酸塩へのCa取り込みを増加させ、ケイ酸カルシウム鉱物デイヴマオアイト(CaSiO3)の溶出・濃集を促進することが判明した。深さ約560 kmではデイヴマオアイトが12~33体積%まで濃集し、周囲との物性差を生じさせることで、地震学的に観測される約520 kmのマントル不連続面の分裂を説明できる。成果は、沈み込んだ炭素がマントルの鉱物相平衡や化学成層を再編し、地球深部の地震学的構造形成にも関与することを示している。

560kmマントル不連続面と整合する沈み込む海洋地殻の炭素循環
520 km不連続面の分裂(スプリッティング)形成に関する概念図

<関連情報>

深部炭素循環が引き起こすマントル520km不連続面の分裂 Deep carbon cycling drives the splitting of the 520-km mantle discontinuity

Xinyue Zhang,Wei Wei,Youyue Zhang,Zhu Mao,Ningyu Sun,Daoyuan Sun,Wei Leng,Takashi Yoshino,Izumi Mashino,Tomoo Katsura,Jiewen Li,Wancai Li & Jung-Fu Lin
Nature Communications  Published:21 August 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-76803-x  Early provide

Abstract

Carbon cycling into Earth’s deep interior regulates melting, redox state, and volatile transport, yet its imprint on mantle seismic structure remains unclear. A potential seismic expressure of deep carbon cycling is the sporadic splitting of the 520-km discontinuity, expressed as a secondary reflector near 560 km beneath slabs and mantle upwellings, has been attributed to davemaoite (CaSiO3) exsolution, although its shear-wave properties cannot produce the required 2–4% impedance contrast. We conduct high pressure-temperature experiments (~20 GPa, 1200–1600 °C) to determine how carbonate-altered oceanic crust reorganizes mantle layering. Here we show that carbonate addition drives Ca-Mg exchange with silicates, increases Ca incorporation into silicates under Fe-rich conditions, and enhances davemaoite exsolution. This process yields 12–33(2) vol.% davemaoite near ~ 560 km, sufficient to match impedance contrasts observed. Davemaoite-rich crust could be recycled by mantle plumes, accounting for the 560-km reflector beneath hot regions. Subducted carbonates thus reshape mineral equilibria, reinforce chemical stratification, and generate persistent seismic signatures of deep carbon cycling.

1702地球物理及び地球化学
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