下部マントルの構造と組成地球内部の巨大な領域を解明する

地球の内部は、私たちが想像する以上に複雑でダイナミックな構造を持っています。その中でも、地球全体の体積の約56%を占める下部マントル（かつてはメソスフィアと呼ばれていました）は、地表から660kmから2,890kmという深海よりも遥かに深い領域に位置しています。この領域は、上部マントルの遷移層と地球の核である外核の間に挟まれた、地球最大級の層です。

Key Facts

• 体積比率：地球全体の約56%を占める。
• 深度：地表から660kmから2,890kmまで。
• 主要鉱物：ブリッジマナイト、フェロペリクラーゼ、ケイ酸カルシウムペロブスカイト。
• 移動速度：年間約1cmという極めて緩やかな速度で流動している。
• 境界：上端はリングウッダイトの分解による不連続面、下端は外核との境界（D"層）で定義される。

下部マントルの層構造と物理的特性

地震波の速度データに基づいた「予備的参照地球モデル（PREM）」では、下部マントルをさらに3つのセクションに分類しています。まず、深度660kmから770kmまでの最上層では、鉱物リングウッダイトが分解してブリッジマナイトとフェロペリクラーゼに変化するため、地震波速度が急激に上昇します。これが上部マントルとの明確な境界となります。

次に、770kmから2,700kmにわたる中層領域では、断熱圧縮によって地震波速度が緩やかに上昇し続けます。そして、最深部の2,700kmから2,890kmの間には、外核への移行帯であるD"層（Dダブルプライ層）が存在します。

極限の温度と圧力

この領域の環境は過酷の一言に尽きます。圧力は24〜127 GPaに達し、温度は最上部の約1,960 K（約1,690 °C）から、最深部付近の約2,630 K（約2,360 °C）まで上昇します。熱輸送の主役は対流であり、深度が増すにつれて温度勾配は緩やかになる（0.47 K/kmから0.24 K/kmへ減少）という断熱的な特性を持っています。

化学組成を巡る議論：パイロライトかコンドライトか

下部マントルを構成する主要な3成分は、ブリッジマナイト、フェロペリクラーゼ、およびケイ酸カルシウムペロブスカイトです。しかし、これらの配合比率については、現在も科学的な議論が続いています。

下部マントルの組成モデル比較

モデル名	根拠・特徴	推定される主要構成比（体積比）
パイロライトモデル	上部マントルのかんらん岩に基づき、上下で均質であると仮定（Mg/Si比 1.27）	ブリッジマナイト 75%、フェロペリクラーゼ 17%、ケイ酸カルシウムペロブスカイト 8%
コンドライトモデル	地球がコンドライト隕石のような組成で集積したと仮定（Mg/Si比 約1）	ブリッジマナイトとケイ酸カルシウムペロブスカイトが主成分

X線回折を用いた高圧実験や第一原理計算では、パイロライトモデルがPREMの密度・速度プロファイルとよく一致することが示されています。一方で、ブリュイアン分光法による研究では、ブリッジマナイトが93%以上を占めるコンドライト的な組成が地震波速度と一致するという結果も出ており、結論はまだ出ていません。

鉄のスピン転移がもたらす影響

下部マントルの特異な現象の一つに、鉄を含む鉱物（ブリッジマナイトやフェロペリクラーゼ）で起こるスピン転移があります。これは、超高圧環境下で鉄イオンの電子状態が「高スピン状態」から「低スピン状態」へ変化することを指します。

フェロペリクラーゼでは50〜90 GPa、ブリッジマナイトでは部位によって30〜120 GPaの範囲でこの転移が発生します。この変化により、鉱物の密度や非圧縮性が増大するほか、鉄の分配係数が変化してフェロペリクラーゼに鉄が濃縮される傾向があります。これがマントルプルームのダイナミクスや化学的性質にどのような影響を与えるか、現在数値シミュレーションによる研究が進められています。

用語の歴史と変遷

「メソスフィア」という言葉は、ハーバード大学のレジナルド・アルドワース・デイリー教授が提唱した「メソスフェリック・シェル」に由来します。プレートテクトニクス理論が確立する前、デイリーは地球の外部構造をリソスフィア（岩石圏）、アセノスフィア（岩流圏）、そしてメソスフィアの3層で捉えていました。また、マントルホットスポットが存在する参照枠として「メソプレート」という概念が導入されたこともあります。

Frequently Asked Questions

下部マントルと上部マントルの境界はどうやって決まりますか？

深度660km付近で、鉱物リングウッダイトがブリッジマナイトとマグネシオウスタイトに分解します。この化学反応に伴い、地震波の速度と密度が急激に上昇するため、ここが境界として定義されています。

下部マントルの中では物質が動いているのでしょうか？

はい。非常にゆっくりとした速度ですが、年間約1cmというペースで流動しています。この緩やかな対流が地球内部の熱輸送において重要な役割を果たしています。

「スピン転移」とは具体的に何が変わる現象ですか？

高圧環境によって、鉄イオンの電子配置が変化し、電子がより密に詰まった状態（低スピン状態）になることです。これにより、鉱物の密度や硬さなどの物理的特性が変化します。

D"層（Dダブルプライ層）とはどのような場所ですか？

下部マントルの最下端（深度2,700km〜2,890km）に位置し、液体である外核との境界に接している遷移領域のことです。地球内部の熱や物質の交換が行われる重要なエリアと考えられています。

なぜ組成について「パイロライト」と「コンドライト」の2つの説があるのですか？

上部マントルの岩石組成から推測するアプローチ（パイロライト）と、地球の材料となった隕石の組成から推測するアプローチ（コンドライト）があるためです。解析手法によって得られる結果が異なるため、現在も議論が続いています。