火星の地殻から謎の酸化物質の由来が判明―深部マントルのガーネットが鍵
火星の隕石から採取された岩石は、奇妙な矛盾を示していた。その化学組成は酸化物質に満ちているのに、火星内部の火山活動メカニズムから考えると、還元環境で形成されたはずだからだ。この謎を解く手がかりとなったのが、メジャライト（majorite）という特殊なガーネットだった。
愛媛大学の桑原秀治と中田亮一による研究グループが、『Journal of Geophysical Research: Solid Earth』に発表した論文で、この矛盾の説明に成功した。その鍵は、深いマントルの圧力と温度でのみ形成される鉱物の振る舞いにあった。
還元環境のはずなのに酸化した岩石
火星が約45億年前に形成された当初、重金属は惑星の中心に集まり、地球と同様に鉄に富むコアを作った。このような純粋な金属が存在する環境では、通常は化学反応から酸素が奪われ、還元環境が生じる。実際、NASAのInSight（インサイト）ミッションは、火星のコア上方150キロメートルの深さに融けたケイ酸塩からなるマントルが存在することを確認し、このマントルも高度に還元されているはずだった。
ところが、隕石と火星地殻のサンプルから採取された岩石は、いずれも著しく酸化していた。研究グループはこの謎を解くために、メジャライトに注目した。
実験で明かされた鉱物の「鉄をつかむ力」
メジャライトは火星のマントル基部、つまり還元的なコアのすぐ上で形成される。そこでの圧力は約18ギガパスカル、すなわち海面での大気圧の18万倍に達する。研究チームは、この極限環境をシミュレートするため、合成した火星の岩石サンプルをタングステンカーバイド製のブロック間に挟み、ダイヤモンドカプセル内で巨大な油圧プレスで圧縮した。温度は2150〜2200℃に加熱し、金属鉄で飽和させてコア周辺の還元条件を再現した。
加熱と加圧を十分に行った後、サンプルを冷却してSPring-8放射光施設（約250キロメートル離れた場所に位置）に運んだ。ここでX線を照射し、鉱物粒子内に結合した鉄がどのような状態にあるかを調査した。
その結果、メジャライトは鉄のスポンジのような働きをしていることが判明した。結晶構造に取り込まれた鉄のうち、11〜21%が酸化鉄だったのだ。これは同じ実験で形成された周囲のケイ酸塩よりもはるかに高い比率である。
火星の内部が冷却・結晶化する過程で、メジャライトが融けた岩石から析出する際、本来は還元的な基部に溶けていたはずの酸化鉄を捕捉していたということになる。その後、惑星マントルの対流によってメジャライト含有岩石が上昇し、オリンポス・モンスのような火山の爆発によって酸化した火山岩が表面および宇宙空間に放出されたと考えられる。
この発見は地球の内部構造にも示唆をもたらす。地球は火星の約2倍の直径を持ち、より深いマントルを有しており、コア近くではメジャライトではなくブリッジマナイト（bridgmanite）という別の鉱物が主流だ。ブリッジマナイトはメジャライト以上に多量の鉄を保有でき、地球の深部マントルは化学的に層状構造を示している。マントルが上昇するにつれてブリッジマナイトはメジャライトに変化し、酸化鉄を周囲の岩石に放出することで、マントル遷移帯を下から酸化させているということだ。
出典: Universe Today
