マントルで無水鉱物と含水鉱物が一つに!?ー 圧力が変える地球深部の水貯蔵能力ー

2026-10-09 大阪大学

大阪大学大学院理学研究科などの研究グループは、地球深部のマントルを構成する鉱物が、高圧になるほど水を蓄えやすくなる仕組みを明らかにした。研究では、マントル深部の高温・高圧環境を再現した実験に、大型放射光施設SPring-8の強力なX線分析と理論計算を組み合わせ、鉱物の構造変化を調べた。その結果、二酸化ケイ素(SiO₂)を主成分とする無水鉱物と、オキシ水酸化アルミニウム(AlOOH)を主成分とする含水鉱物の成分が互いに置き換わり、固溶体を形成することを発見した。この置換は圧力が高くなるほど進行する。成果は、地球深部における鉱物の水貯蔵能力が深さによって変化する可能性を示している。マントル内部の水の不均一な分布やマグマの形成過程を理解する手がかりとなり、地球内部の物質循環や進化の解明への貢献が期待される。

マントルで無水鉱物と含水鉱物が一つに!?ー 圧力が変える地球深部の水貯蔵能力ー
SiO₂相、AlOOH相、および両者の間に形成される固溶体の模式図。鉱物を構成する原子の置き換わりを概念的に示している。

<関連情報>

下部マントルSiO₂ – AlOOH相における圧力増強型含水-無水固溶体のその場観察 In Situ Observation of Pressure-Enhanced Hydrous–Anhydrous Solid Solution in Lower-Mantle SiO2–AlOOH Phases

M. Nishi, K. Takahashi, H. Dekura, K. Kawano, H. Koike, K. Nakamura, T. Kondo, H. Kuwahara, S. Kakizawa, N. Tsujino, Y. Higo
Geophysical Research Letters  Published: 29 September 2026
DOI:https://doi.org/10.1029/2026GL124407

Abstract

Water plays a critical role in Earth’s mantle dynamics and evolution, yet lower-mantle storage mechanisms remain debated. δ-AlOOH and SiO2 phases have been independently proposed as high-pressure water hosts. Here, we conducted in situ synchrotron X-ray diffraction experiments with a multi-anvil apparatus and sintered diamond anvils to investigate phase relations in the SiO2–AlOOH system up to 45 GPa and high temperatures. We found that SiO2 and δ-AlOOH form extensive, stable CaCl2-type solid solutions across a broad compositional range under lower-mantle conditions. The solid-solution extent increases strongly with pressure, indicating enhanced H2O storage in dense SiO2-rich phases and stabilization of SiO2-enriched AlOOH-rich hydrous phases at greater depths. These results suggest that water released from less favorable peridotitic hosts during lower-mantle transport can be redistributed into subducted crustal lithologies, where pressure-stabilized complementary CaCl2-type phases serve as water hosts.

1702地球物理及び地球化学
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