The Superpile Cycle: the reorganisation of basal mantle structures coupled to the supercontinent cycle
24個の三次元マントル対流モデルを通じて、本研究は「スーパーパイル・サイクル」仮説を提唱し、超大陸の集積と分裂が、安定した対蹠的なパイル（塊）と、分裂期における一時的かつ広範なプルーム活動の間を交互に繰り返す、底面マントル構造（LLSVPs）の周期的な再編を駆動していることを示している。
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私たちの足の下では、地球は静止した岩石の塊ではなく、激しくうねるスローモーションのエンジンのような存在です。惑星のマントルの一番底、熱い岩石が固体の核（コア）と接する場所において、地震学者は、周囲の岩石とは異なる熱の移動を行う、大陸規模の巨大な2つの物質の塊を発見しました。これらは「大規模低せん断速度領域」、あるいはLLSVPsとして知られており、アフリカと太平洋の直下に位置しています。その存在は分かっていますが、その起源と挙動は謎のままです。これらは惑星形成時の残り物の古代の堆積物なのでしょうか、それとも地球表面の動きによって絶えず形を変えられている動的な構造物なのでしょうか。これらの深部構造を理解することは極めて重要です。なぜなら、これらが地球内部の熱が逃げる場所を制御している可能性が高く、それがひいてはテクトニクスプレートの動きや火山の形成を駆動しているからです。もしこれらの深い塊が安定していれば、地球の内部エンジンの恒久的なアンカーとして機能します。しかし、もしこれらが移動する性質を持つならば、地表と深部の内部との間には、より混沌とした相互接続的な関係があることを示唆することになります。
カーディフ大学の研究チームは現在、これらの深部構造を理解するための新しい方法を提案しており、それらは静的なものではなく、超大陸の組み立てと分裂に結びついた、壮大で繰り返されるサイクルの一部であると示唆しています。このアイデアを検証するために、科学者たちは地面を掘ったり火山が噴火するのを待ったりしたわけではありません。代わりに、彼らは地球内部の24種類の異なるデジタルモデルを構築し、強力なスーパーコンピュータ上で実行することで、数百百万年にわたるマントルの動きをシミュレートしました。各モデルは、核の端の温度を変えたり、表面プレートの移動速度を変えたりするなど、わずかに異なる条件から開始されており、彼らの発見が特定のセットアップによる偶然の産物ではなく、堅牢であることを保証しています。これらの仮想的な熱い岩石の塊が時間の経過とともにどのように振る舞うかを観察することで、研究者たちは「スーパーパイル・サイクル（超堆積サイクル）」と彼らが呼ぶパターンを明らかにしました。
モデルが語る物語は、超大陸の形成、すなわちすべての陸地が結合している時期から始まります。この組み立てフェーズの間、マントルへと沈み込む冷たく重い海洋プレート（沈み込みと呼ばれる）は、巨大な陸地の縁に沿ってリング状に形成される傾向があります。この沈み込むプレートのリングは、巨大なほうきのように機能し、マントルの底にある物質を掃き集め、地球の反対側にある2つの明確な場所に積み上げます。研究者が「スーパーパイル」と呼ぶこれらの堆積物は、超大陸が維持されている間、安定してその場に留まります。これらのシミュレーションにおいて、堆積物は現実世界のアフリカと太平洋の下にあるLLSVPsと驚くほど酷似しており、これは、これらの深部構造の位置が地表の大陸がどこに位置しているかによって決定されることを示唆しています。
しかし、このサイクルは永遠に静止しているわけではありません。超大陸がついに分裂するとき、沈み込むプレートのパターンは変化します。新しい沈み込み帯が異なる場所に形成され、かつての安定した沈み込みのリングが崩れます。これが、地球の深部における「再編成イベント」が起こる時です。コンピュータモデルでは、この混乱によって、かつて安定していた堆積物が形を失い、移動します。2つの山に整然と集められていた物質は、核とマントルの境界付近を掃き集められ、より混沌とし、拡散していきます。研究者は、この再編成には時間がかかることを発見しました。表面のプレートが動き始めてから、沈み込むスラブが底に到達して堆積物を動かし始めるまでに約1億6000万年を要し、さらに堆積物がその大規模な形状を完全に変えるまでに4000万年を要します。
この深部の再編成は、地表に直接的な影響を与えます。モデルによれば、堆積物が安定しているとき、深部マントルから火山を作るために上昇する熱い岩石のプルームは、堆積物の縁の周囲に密集する傾向があります。しかし、再編成フェーズ、つまり堆積物が掃き集められ再形成されている間には、これらの上昇するプルームは数が増え、地球全域に散らばります。シミュレーションは、この散在した分布が、実際には「巨大火成岩岩石区（LIPs）」と呼ばれる大規模な火山イベントの形成を困難にしている可能性があることを示唆しています。一つの巨大で集中した噴火ではなく、熱は多くの小さく分散した場所へと放出されるのです。これは、地球上で最も劇的な火山活動は、深部マントルが穏やかな状態にあるときではなく、むしろ変動状態にある時期に関連している可能性があることを意味しています。
研究者たちは、彼らの結論はこれらのシミュレーションに基づいたものであり、これらは深部地球を見るための最良のツールではあるものの、現実の完璧な地図ではないという点を強調しています。深部マントルの正確な粘性、つまり「厚み」がまだ分かっていないため、現実世界におけるこれらのイベントの正確なタイミングは異なる可能性があります。しかし、使用された特定の条件に関わらず、一連のイベントの順序は24のモデルすべてにおいて一貫していました。この研究は、密接に結合した関係を示唆しています。大陸が集まり、深部の堆積物が形成され安定する。大陸が分裂し、深部の堆積物が混乱し再編される。そして大陸が再び集まり始めると、堆積物は再び安定した位置に落ち着く。このサイクルは、地表プレートの動きを地球の最も深い部分の振る舞いに直接結びつけており、地球の表面と核が、ゆっくりとした数十億年の対話を行っていることを示しています。
最終的に、この研究は地球の歴史に対する新しい視点を提供します。それは、マントル底にある巨大な塊が、古代の不変の遺物ではなく、超大陸サイクルと共に進化する動的な特徴であることを示唆しています。これらの深部構造の安定性と、それらが供給する火山活動は、大陸を衝突させ分離させるものと同じ力によって支配されています。この論文は、深部地球のすべての謎を解明したと主張しているわけではありませんが、地球の表面と内部がいかに結びついているかを理解するための説得力のある枠組みを提供しており、深部マントルを静的な背景から、地球の長期的な進化における能動的な参加者へと変貌させているのです。
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