Transition between the Pacific and African mantle domains beneath southwest Pacific marginal basins

地球の表面深く、惑星の内部は均一で攪拌されたスープのようなものではない。その代わりに、何億年もの間、分離したままの状態にある、広大で明確に区別された領域に分かれている。マントルを、ゆっくりと動く巨大な岩石の海のようだと想像してみてほしい。長い間、科学者たちは、太平洋の下にある岩石が、大西洋やインド洋の下にある岩石とは化学的に異なることを知っていた。この違いは、地球のテクトニクプレートが何世代にもわたってどのように移動し、衝突してきたかという遺産である。プレートがマントルの深部へと沈み込む際、それらは地球の地殻の一部を共に運び去り、下の岩石の化学組成を変化させる。時間の経過とともに、このプロセスは明確な境界を作り出した。一方の側には「太平洋型」のマントルがあり、もう一方には「アフリカ型」のママントルが存在している。地質学者にとっての大きな疑問は、この目に見えない線が正確にどこを通っているのか、そして大陸が漂流し、海洋が開いたり閉じたりする中で、それがどのように移動してきたのかということであった。

研究チームは、地球の地殻が数百万年にわたって引き伸ばされ、崩壊してきた領域である南西太平洋の岩石を通じて、この境界線を突き止めた。海底の古代の溶岩サンプルの化学的な指紋を分析することで、これら二つのマントル世界の間の境界線は、固定された場所にあるのではないことを発見した。その代わりに、それは移動し、進化しており、一つのプレートが別のプレートの下に滑り込む沈み込み帯の複雑な歴史によって形作られてきた。彼らの研究は、この境界が単なる地図上の線ではなく、時間の経過とともにその位置と深さを変えてきた動的なゾーンであり、そこに形成された岩石の中に明確な記録を残していることを明らかにしている。

科学者たちは、テスマン海、コーラル海、サンタクルズ盆地を含む南西太平洋の一連の盆地に焦点を当てた。これらの領域は、古代の大陸ゼアランディアとオーストラリア大陸が引き離され始めたときに形成されたため、特別な場所である。陸地が引き伸ばされ、海洋底が広がるにつれて、マグマが地球の深部から隙間を埋めるために上昇し、新しい岩石を作り出した。研究者たちは、これらの岩石を収集し、特に、海底で見られる最も一般的なタイプの溶岩である中央海嶺玄武岩と、ハワイのような火山島で見られる溶岩に似た海洋島玄武岩に注目した。彼らはこれらの岩石の日付を特定して、それらがいつ形成されたかを判断したが、一部のサンプルは8400万年ほど古く、他のものは2200万年ほど新しかった。

これらの岩石の起源を理解するために、チームはそれらの中にあるストロンチウム、ネオジム、鉛、ハフニウムといった特定の元素の比率を測定した。これらの元素は、マントル源の「化学的なIDカード」として機能する。研究者たちは明確なパターンを発見した。すなわち、5000万年から8400万年前に形成された古い大陸縁辺盆地の岩石は、「アフリカ型」のマントルドメインの化学的特徴を備えていた。これは、これらの盆地が太平洋地域に位置しているにもかかわらず、同様であった。対照的に、5000万年以降に東方の海洋盆地で形成されたより新しい岩石は、明確に「太平洋型」のマントルの特徴を示した。この変化は、二つのマントルドメインの間の境界が、かつてはゼアランドディア大陸の縁に沿って、より東側に位置していたことを示唆している。

研究はまた、マントルの非常に深い部分を調べるために、マントルの最底部から上昇する熱い物質のプルームであるホットスポットから形成された岩石を調査した。研究者たちは、北部のホットスポット（タスマニッドやロードハウ・チェーンなど）は、濃縮されたアフリカ型マントルに関連するEM-1と呼ばれる化学的特徴を持つ岩石を生成していることを見出した。しかし、ゼアランドディアや南極の縁に近い南部のホットスポットは、深い太平洋のマントルに関連するHIMUと呼ばれる異なるシグネチャを持つ岩石を生成していた。これは、この領域の上層マントルがアフリカ型に支配されていた一方で、その下の深部マントルは依然として太平洋的な性質を持っていたことを示している。二つのドメインは互いに積み重なっており、複雑な層状構造を作り出していたのである。

論文における主要な発見の一つは、これら二つのマントル世界の間の境界は、今日見られるような現代の沈み込み帯によって定義されているのではないということである。長い間、科学者たちは、太平洋プレートがオーストラリアプレートの下に沈み込んでいる現在の沈み込み帯が、境界線を示していると考えてきた。しかし、古い岩石からの化学的証拠は、この線がかつてはもっと東側、ゼアランドディアの大陸縁に沿って存在していたことを示している。研究者たちは、約5000万年前の沈み込み方向の逆転、具体的には沈み込みの方向の変化が、境界を西へと押しやったのだと主張している。この動きによって、太平洋のマントルが、以前はアフリカ型マントルに支配されていた領域へと流れ込むことが可能になった。

この研究はまた、沈み込んだ堆積物の混合や、古代の大陸地殻の分裂が、観察された化学的な違いを説明できるかどうかについても検討している。研究者たちは、沈み込んだ堆積物の混合や古代の地殻の分裂がこれらのパターンを説明できるかどうかを検討したが、データはその考えを支持しなかった。代わりに、証拠は、マントルドメイン自体の移動が主要な要因であることを強く示している。化学的特徴があまりにも明確で広範囲に及んでいるため、局所的な汚染や小規模な混合の結果であるとは考えにくい。これらのパターンは、深部マントルが何億年もの間、二つの明確な領域に分かれたまま維持されてきたという、大規模でグローバルなプロセスを示唆している。

化学的データと、地球のプレートがどのように移動してきたかというモデルを組み合わせることで、研究者たちはこの境界の歴史を再構築することができた。彼らは、超大陸パンゲアが組み立てられていた時期、太平洋プレートの長期的な沈み込みが、太平洋の周囲に濃縮されたマントルの環を作り出したと提唱している。この環は障壁として機能し、太平洋とアフリカのマントルドメインを分離し続けた。大陸が分裂し、沈み込み帯が移動するにつれて、これらのドメイン間の境界は移動したが、根本的な化学的差異は維持された。この研究は、この境界がいかに進化してきたかの詳細な地図を提供しており、それが超大陸の形成と分裂の複数のサイクルを通じて存続してきた、地球のマントルにおける第一次の特徴であることを示している。

この研究の意義は、単に南西太平洋の歴史を理解することにとどまらない。それは、地球の内部がグローバルな規模でどのように機能しているかという、新しい視点を提供するものである。これらのマントルドメインがこれほど長く明確なまま維持されてきたという事実は、地球の内部がこれまで考えられていたよりも安定し、組織化されていることを示唆している。境界の移動はランダムではなく、プレートテクトニクスの大規模な力によって駆動されている。これは、科学者が地球の長期的な進化と、深部の内部がいかに表面に影響を与えるかをよりよく理解する助けとなる。また、この研究は、完全な全体像を把握するために、マントルの浅い部分と深い部分の両方を調べることがいかに重要であるかを強調している。なぜなら、これら二つの層は異なって振る舞うことがあり、それぞれが異なる物語を伝えているからである。

結局のところ、この研究は、地球の内部領域の境界は固定されているのではなく、その上にあるプレートの動きによって絶えず再形成されているという、ダイナミックな地球の姿を描き出している。南西太平洋の岩石に含まれる化学的な指紋は、タイムカプセルの役割を果たしており、これらの動きとマントルドメインの移動の歴史を保存している。これらの発見は、太平洋とアフリカのマントルの隔たりが、時間の経過とともに移動した実在の物理的な境界であり、岩石の中に明確な記録を残していることを裏付けている。この研究は、地球の深部に関する理解の空白を埋め、過去数億年にわたって惑星がいかに変化してきたかについてのより明確な視界を提供している。