地球のマントルを掘る数十年にわたる探求は、すぐに有料の汚れを打つかもしれない科学| スミソニアン - 記事、科学、私たちの惑星

1961年の春の初めに、地質学者のグループがバハカリフォルニアの太平洋岸沖の海底に穴を開け始めました。遠征は、その種の場合は初めてですが、地球の地殻を突き抜けて下層のマントルに到達することを目的としたプロジェクトの初期段階でした。ジョン・F・ケネディがその年の5月に月へのレースを始めたとき、彼らの努力がすぐに影を落とすことを彼らは少しも知りませんでした。

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1972年末までに、数十億ドルを費やし、数千人の科学者とエンジニアの共同の努力により、6つのアポロミッションが地球の軌道仲間に上陸し、841ポンド以上の月の岩と土を持ち帰りました。

その間、地球の内部の働きを垣間見ることを夢見た地球に拘束された地質学者は、予算削減のおかげで、さまざまなプログラムの残骸を手放したままにしていました。

1960年代以来、研究者は地球のマントルを掘り下げようとしましたが、まだ成功していません。技術的な問題が原因で一部の取り組みが失敗しました。他の人たちは、さまざまな不運の餌食になっています-事後に発見されたように、不適当な場所を選んでドリルすることを含みます。それにもかかわらず、これらの努力は、マントルを掘削する技術と専門知識が存在することを示しています。そして今、私たちの惑星のこの重要な部分に到達するための最新の試みの最初の段階は、南西インド洋の海洋地殻の薄い部分を退屈しています。

心配しないでください。ドリラーが最終的にマントルに穴を開けるとき、熱い溶けた岩が穴を押し上げて、火山噴火で海底にこぼれることはありません。マントル岩は流れますが、爪の成長速度と同程度の速度で流れます、とサンディエゴのスクリップス海洋研究所の地球物理学者であるホリー・ギブンは言います。

マントルは私たちが故郷と呼んでいるこの惑星の最大の部分ですが、科学者は直接分析を通してそれについて比較的少ししか知りません。私たちが住んでいる地殻の薄いベニアは、地球の体積の約1％を占めています。内側と外側のコア（主に鉄、ニッケル、その他の高密度元素でできている固体と液体の塊）は、惑星の体積の15％しか占めていません。外側のコアと地殻の間にあるマントルは、惑星の質量の推定68パーセントとその体積のなんと85パーセントを占めています。

マントルを惑星サイズの溶岩ランプと考えてください。物質はコアとマントルの境界で熱を吸収し、密度が低くなり、地球の地殻の下端まで浮力のあるプルームで上昇し、冷却されて沈むまでその天井に沿って流れます。コアに戻ります。マントル内の循環は非常にだるい：ある推定によると、地殻からコアへの往復は、20億年もかかる可能性があります。

マントルの原始的な塊を取得することは、惑星科学者が太陽系が若いときに地球が蓄積した原料をよりよく確認するのに役立つため、重要です。「それは、世界が何でできているのかについての真実です」とGivenは言います。その組成は、地球が最初にどのように形成されたのか、そして今日私たちが生息する多層球にどのように進化したのかについての手がかりも提供すると彼女は言います。

科学者は、サンプルがなくてもマントルについて多くのことを推測できます。惑星を通過する地震で発生した地震波の速度と経路は、マントルの密度、粘度、全体的な特性、およびそれらの特性が場所によってどのように変化するかについての洞察を提供します。地球の地殻が、最近（地質学的に）融解した巨大な氷床に圧迫された後、上向きに跳ね上がる速度も同様です。

スクリプスの物理海洋学者ウォルター・ムンクは、私たちの惑星の磁場と重力場の測定は、より多くの情報を与え、深部で見つかる鉱物の種類を絞り込みます。現在98人の科学者は、1957年にマントルへの掘削のアイデアを最初に思いついた少数の研究者グループの一部でした。「分析したいものの塊を手に持つことに代わるものはありません。」

研究者は手にマントルのサンプルを持っていますが、手付かずではありません。それらのいくつかは、火山の噴火によって地表に運ばれる岩の塊です。他のものは、構造プレート間の衝突をくしゃくしゃにすることによって上向きに重くされた。地質学者のヘンリー・ディックとクリス・マクラウドは、他の人がゆっくりと広がる中央海ocに沿って海底に上がっていると言います。マサチューセッツ州のウッズホール海洋学研究所のディックとウェールズのカーディフ大学のマクラウドは、現在インド洋南西部で開催されている深海掘削遠征の共同リーダーです。

現在のすべてのマントル試料は、それらを地球の表面にもたらしたり、大気にさらしたり、長期間にわたって海水に浸したりするプロセスによって変更されています。空気と水にさらされたこれらのマントルサンプルは、おそらくより簡単に溶解した元の化学元素の一部を失っています。

それゆえ、マントルの汚れのない塊を手に入れたいという大きな願望は、ディックが言います。科学者は、入手可能になると、サンプルの全体的な化学組成と鉱物学を分析し、岩石の密度を評価し、岩石が熱波と地震波をどれだけ簡単に伝導できるかを判断できます。結果は、間接的な測定から推測された値と比較され、これらの手法を検証または論争します。

マントルまでずっと掘削すると、地質学者はモホロビチッチの不連続、またはモホと略すものを見ることができます。 1909年に発見したクロアチアの地震学者にちなんで名付けられたこの神秘的なゾーンの上では、地震波は毎秒約4.3マイルで移動し、その速度は玄武岩または冷却された溶岩を移動する波と一致します。モホの下では、波は1秒あたり約5マイルで裂けます。これは、カンラン岩と呼ばれるシリカの少ないタイプの火成岩を通過する速度に似ています。モホは通常、海底から3〜6マイル、大陸から12〜56マイル下の場所にあります。

このゾーンは長い間、地殻とマントルの境界であると考えられていました。そこでは、物質は徐々に冷却され、上にある地殻に付着します。しかし、いくつかの研究では、モホは、地殻から浸透する水がマントルかんらん岩と反応して蛇紋岩と呼ばれるタイプの鉱物を生成するゾーンを表している可能性が示唆されています。この可能性はエキサイティングです、ディックとマクラウドは提案します。蛇紋石を生成する地球化学反応も水素を生成します。水素は海水と反応して、ある種のバクテリアのエネルギー源であるメタンを生成します。または、研究者は、モホは科学にとってまったく未知の何かである可能性があると指摘しています。

マントルの秘密を解き明かす鍵は、ドリルする適切な場所を見つけることです。マントル物質は、中央海atで海底に上昇し、そこでは構造プレートがゆっくり押し離されます。しかし、これらのサンプルではうまくいきません。海底下の数マイルの地殻を処理すると、物質が大幅に変化し、マントルのサンプルが地球の奥深くにあるものを代表しなくなります。また、これらの尾根の1つをより深く掘削することにも問題があると、ディックは言います。「海の尾根またはそのすぐ脇腹では、地殻は熱くなりすぎて約1キロメートルまたは2キロメートル以上は掘削できません。」

そこで彼と彼の同僚は、マダガスカルの南東約808マイルにあるアトランティス銀行と呼ばれる南西インド洋の地点で掘削を行っています。ディックは、多くの要因がこの場所を遠征に最適な場所にしていると言います。

構造地質学者のカルロッタ・フェランドは、岩石が変形しているかどうかを知ることができる割れ目や脈がないか、いくつかのコアを調べます。（ビル・クロフォード、IODP JRSO）

この下部地殻のサンプルの小さな変形した鉱物粒子は、薄くスライスされ、偏光を透過するように材料に挟まれており、部分的に溶融した岩がアトランティス銀行の海底に向かって上昇したときにどのように圧迫されて伸びたかを記録しています。（ビル・クロフォード、国際海洋発見プログラム）

地質学者ジェームズナットランド（左）と遠征共同チーフサイエンティストのヘンリーディック（中央）とクリスマクラウド（右）は、海洋掘削プログラムによってチームがこれまでに回収した最大のコアであると信じているものを見ます。（Benoit Ildefonse、IODP）

1つは、このデンバーサイズの海底パッチは、約1100万年前の海洋地殻の上にあり、掘り下げるのに十分なほど冷たくなっています。別の場合、銀行の上部は、海面から2, 300フィート以内にある9.7平方マイルの高原です。近くの深さ3.7マイルの海底とは対照的に、それはそこの海底をタップすることを簡単にします。この地域の強い海流により、堆積物が海底に堆積するのを防いでおり、そこの地殻が大きく露出し続けています。また、比較的薄いです。この地域の以前の地震調査では、そこの地殻の厚さはわずか1.6マイルであることがわかりました。

さらに、アトランティス・バンクの下の海洋地殻は中央海midのセクションで形成され、そこでは新生地殻の上層がリフトから一方向に広がり、下層はもう一方の層に移動しました。科学者は、これがどのように、またはなぜ起こったのか、まだわかりません。しかし、おそらく世界の中央海のかなりの部分で発生するこのいわゆる非対称的な広がりのために、アトランティス銀行は掘削されているときに砕けて穴に落ちる可能性のある上部地殻の脆い層で覆われていません、ディックは言います。このような破片はドリルビットに損傷を与えたり、ドリルビットを焼き付けたり、小さなビットの岩や泥を穴から洗い流すのを困難にしたりします。

アトランティス銀行での掘削の利点にもかかわらず、遠征は多くの海洋掘削プロジェクトに共通する後退に苦しんでいます。船の積み込みに関する問題により、チームのスリランカのコロンボからの出発が1日遅れました。現地に到着すると、チームはドリルビットを壊しましたが、穴からピースを釣り上げる前に、彼らは荷物をまとめて、モーリシャスに向かって北にいる病気の乗組員を連れて、医療避難のために海岸にあるヘリコプターに会わなければなりませんでした。 JOIDES Resolutionと名付けられたこの船は、1週間近く後に戻ってきて、壊れたドリルビットの破片を回収しようと強力な磁石を使用して数日を費やさなければなりませんでした。

彼らはそれらの行方不明の部分を決して見つけませんでした。しかし、強力な真空を使用してそれらを丸tryみしようとする最後の溝の努力の間に、遠征はこれまでに回復した海洋地殻の最大直径の塊であるかもしれないものを持ち帰りました。斑れい岩と呼ばれる暗い粗い岩の円柱は、直径7インチ（通常のサイズの3倍）、長さ20インチです。

この遠征のチームの目標深度は、地殻内に4, 265フィート、マントルの半分近くまででした。残念ながら、1月22日現在、掘削は海底下2, 330フィートの深さまでしか達していない。

この記事が公開される頃には、プロジェクトのこの区間で、アトランティス銀行で掘削作業が終了します。ミッションの承認済みの2番目のレグがタスクを完了し、マントルに到達することを期待します。しかし、それは2〜5年後のどこかになります。 Dick氏は、世界の他の場所での掘削を希望する他のチームからの出荷時間の競争はCompetition烈だと言います。

しかし、科学チームはこのプロジェクトの第1フェーズから手放せないわけではない、とMacLeodは言います。地球の地殻全体からサンプルを回収することも重要です。「海洋地殻のバルク組成が地球上のどの場所にあるかはわかりません」とディックは言います。以前に他の深部掘削サイトから回収された地殻下部の岩石は、研究者が期待したものとはまったく異なっていた、と彼は言います。

アトランティスバンクプロジェクトは、下部地殻の化学組成を調査します。そして、層全体の完全なプロファイルは、科学者がマグマが化学的および物理的に変換される方法を理解するのに役立ちます-マントル岩が結晶化して地殻の下面に付着する方法を含む。

研究者が最終的にマントルのサンプルを取得すると、他のチームは自分の実験でプロジェクトに便乗することができます、とMacLeodは言います。「今後の遠征では、今後数年間、楽器を穴に落とす可能性があります。」たとえば、地震学者は、深さ数マイルの穴にセンサーを送り、実験室で推測するのではなく、地殻を脈動する地震波の速度を直接測定できます岩石の小さなサンプルのテスト。研究者は、一連の温度センサーを穴の中に下げて、惑星の内部からの熱の流れを測定することもできます。

間違いなく、最終的にアトランティスバンクから取得した海洋地殻とマントルのサンプルは、残された穴から収集されたデータと同様に、地質学者と地球物理学者を今後数十年間忙しくし続けます。しかし、忍耐は美徳であり、彼らの時間を費やすことは、ディック、マクラウド、そして地球物理学の兄弟たちが何十年もしてきたことです。

編集者注：この記事は、Atlantis Bankの地震調査の属性を修正するために更新されました。