1961 年の早春、地質学者のグループがバハ カリフォルニアの太平洋沿岸で海底に穴をあけはじめました。 地殻を突き破り、その下にある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として、この種の探検は初めてだった。 1972年末には、何十億ドルも費やし、何千人もの科学者やエンジニアの努力によって、6つのアポロミッションが地球の軌道上の仲間に着陸し、月の岩や土を841ポンド以上持ち帰ったのです。
一方、地球の内部構造を垣間見ることを夢見た地質学者たちは、予算削減のおかげで、さまざまなプログラムの残骸を手ぶらで過ごすことになりました。 技術的な問題で失敗したものもあれば、掘削に都合の悪い場所を選んでしまったなど、さまざまな不運に見舞われたものもあります。 しかし、マントルまで掘削する技術やノウハウがあることは証明されている。
心配しないでください。ドリラーが最終的にマントルを貫通しても、高温の溶岩が穴を突き上げて、火山噴火のように海底に流出することはありません。 サンディエゴにあるスクリップス海洋研究所の地球物理学者、ホリー・ギブンは、「マントル岩石は確かに流れますが、その速度は指の爪の成長速度に似ています」と述べています。 私たちが住んでいる薄い地殻は、地球の体積の約1パーセントを占めています。 内核と外核は、鉄やニッケルなどの高密度な元素でできた固体と液体の塊で、地球の体積のわずか15パーセントを占めるにすぎない。
マントルを惑星サイズの溶岩洞と考えると、物質はコアとマントルの境界で熱を吸収して密度が低くなり、浮力のあるプルームで地殻の下端まで上昇し、その天井に沿って流れ、冷えてコアに向かって沈んでいくことがわかります。 マントルの循環は非常に緩やかである。
マントルの原始的な塊を得ることは、惑星科学者が太陽系が若かったときに地球が獲得した原材料をよりよく確認するのに役立つため、重要です。 「というのも、太陽系が生まれたばかりの頃に、地球がどのような物質でできていたのかを、惑星科学者がより正確に知ることができるからです。 その組成は、地球が最初にどのように形成され、どのように今日のような多層構造の軌道に進化したかを知る手がかりにもなると、彼女は言います。 地球を通過する地震波の速度と経路から、マントルの密度、粘性、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異なるかについての洞察を得ることができます。 また、最近（地質学的に）溶けた巨大な氷床によって重くなった地殻が、どの程度の速度で上に跳ね上がるかもわかります。
地球の磁場と重力場の測定は、深海に存在する鉱物の種類を絞り込む、さらなる情報を与えると、スクリップスの物理海洋学者、ウォルター・マンク氏は言います。 現在98歳のマンク博士は、1957年にマントル掘削を思いついた小さな研究者グループの一員であった。 しかし、このような間接的な方法で科学者が知ることができるのは、ほんのわずかなことだと彼は指摘する。 「分析したいものの塊を手にすることに代わるものはないのです。
研究者たちはマントルのサンプルを手にしていますが、それは原始的なものではありません。 中には噴火した火山が地表に運んだ岩石の塊もあります。 また、地殻プレート同士の衝突で上方に押し上げられたものもある。 しかし、地質学者のヘンリー・ディックとクリス・マクラウドは、ゆっくりと広がる海洋中央構造線に沿って海底に隆起したものもある、と言う。 マサチューセッツ州ウッズホール海洋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、インド洋南西部で現在行われている深海掘削探査の共同リーダーを務めている。 大気や水にさらされたマントル試料は、溶解しやすい元の化学元素を失っている可能性があります。
そのため、汚れていないマントルの塊を手に入れたいと強く願っていると、ディック氏は言います。 入手できれば、科学者はサンプルの全体的な化学組成や鉱物組成を分析し、岩石の密度を評価し、熱や地震波の伝わりやすさを判断することができます。
マントルまで掘り進めば、地質学者たちが「モホロビチッチ不連続面」（略してモホ）と呼んでいる部分を見ることもできます。 1909年に発見したクロアチア人の地震学者にちなんで名付けられたこの不思議な地帯の上では、地震波が毎秒約4.3マイルで伝わり、玄武岩や冷却した溶岩を伝わる波と同じ速度で伝わります。 モホの下では、地震波は秒速約5マイルで、かんらん岩と呼ばれるシリカに乏しい火成岩の中を伝わるのと同じような速さである。 モホは通常、海底から3～6マイル、大陸からは12～56マイル下にあります。
この地帯は長い間、地殻-マントル境界と考えられており、ここで物質は徐々に冷え、上にある地殻にくっつきます。 しかし、ある研究室では、モホは、地殻からしみ出た水がマントルのかんらん岩と反応して、蛇紋岩という種類の鉱物を作り出す場所である可能性があることを示唆しています。 ディックとマクラウドは、この可能性を高く評価している。 サーペンタインを生成する地球化学反応は、水素も生成する。この水素が海水と反応して、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する可能性があるのだ。 あるいは、モホは科学的にまったく未知の何かである可能性もあると、研究者たちは指摘しています。
マントルの秘密を解明する鍵は、掘削するのに適した場所を見つけることです。 マントル物質は、地殻変動によってプレートがゆっくりと押し広げられる海中海嶺で海底に上昇する。 しかし、そのようなサンプルでは意味がない。 海底の数キロメートルの地殻を掘ると物質が大きく変化し、マントルのサンプルは地球の奥深くにあるものを代表するものではなくなってしまうのです。 また、海嶺でより深く掘削することも問題であるとディックは言う。 「海嶺やそのすぐ脇では、地殻が高温のため、1～2km以上掘削することはできません」
そこで、彼と彼の同僚は、インド洋南西部のアトランティスバンクという場所で掘削を行っています。 多くの要因が、この場所を探検隊が掘削するのに最適な場所にしていると、ディックは言います。
一つは、このデンバーサイズの海底は、約1100万年前の地殻の上にあり、掘削するには十分に冷たいということです。 また、堤防の上部は9.7平方マイルの台地で、海面から2,300フィート以内にある。 そのため、近くの深さ3.7マイルの海底ではなく、そこの海底を掘削するのは簡単なことなのだ。 この地域は海流が強いため、海底に堆積物が堆積せず、地殻がほぼむき出しの状態になっている。 さらに、アトランティスバンクの下の地殻は、海洋海嶺の一部で形成され、地殻の上層が裂け目から一方向に広がり、下層がもう一方向に動いたのです。 このような現象がなぜ起こったのか、科学者たちはまだよく分かっていない。 しかし、この非対称的な広がりは、おそらく世界の海洋中層帯のかなりの部分で起こっていることで、アトランティスバンクは、掘削中に砕けて穴に落ちるような脆い上部地殻の層で覆われていない、とディック氏は言う。 そのような破片は、ドリルビットを傷つけたり、固まったり、穴から小さな岩や泥を洗い流すことを難しくします。
アトランティス・バンクでの掘削の利点にもかかわらず、この探査は多くの海洋掘削プロジェクトに共通の挫折を味わいました。 船への積み込みの問題で、チームはスリランカのコロンボを出発するのが1日遅れました。 現場到着後、チームはドリルビットを壊したが、その破片を穴から釣り上げる前に荷物をまとめ、病気の乗組員をモーリシャス北方へ搬送し、陸上のヘリコプターと合流して医療搬送を行わなければならなかった。 ジョイデス・レゾリューション号と名付けられたこの船は、1 週間近く離れてから戻り、壊れたドリルビットの破片を回収するために、強力な磁石を使って数日間を過ごさなければなりませんでした。 しかし、強力な真空を使用してそれらを吸い上げようとする最後の努力の間に、探査隊はこれまでに回収された海洋地殻の最大直径の塊と思われるものを持ち帰りました。 ハッブロと呼ばれる黒っぽい粗粒岩の円柱は、通常の 3 倍の大きさの横 7 インチ、縦 20 インチです。
この探検のチームの目標深度は、地殻の 4,265 フィート、マントルまでのやっと半分の深さでした。 残念ながら、1月22日の時点で、掘削は海底2,330フィートの深さまでしか到達していませんでした。
この記事が掲載される頃には、このプロジェクトのためにアトランティス・バンクでの掘削作業は終了しているでしょう。 すでに承認されている2回目のミッションで、この作業を完了し、マントルを掘り下げることが期待されます。 しかし、それは2〜5年後になるかもしれない。 世界の他の場所で掘削を希望する他のチームとの船上での競争は激しいと、ディックは言います。
しかし、科学チームはこのプロジェクトの第1段階から手ぶらでは帰れないと、マクラウドは言います。 地殻全体からサンプルを回収することも重要です。 「地球上のどの場所でも、海洋地殻のバルク組成がどうなっているかはわからないのです」とディック氏は言います。 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明らかにするものです。 マントル岩石がどのように結晶化し、地殻の下表に付着するのかなど、マグマがどのように化学的、物理的に変化しているかを理解するのに役立ちます。 「将来の探検隊は、今後数年間、この穴に機器を落とすことになるかもしれません」。 例えば、地震学者は、深さ数マイルの穴にセンサーを送り込み、地殻を通過する地震波の速度を、小さな岩石のサンプルを使った実験室試験で推論するのではなく、直接測定することができるのだ。
間違いなく、アトランティス・バンクから最終的に回収される海洋地殻とマントルのサンプルと、残された穴から集められたデータは、今後何十年も地質学者と地球物理学者を悩ませることになるでしょう。 しかし、忍耐は美徳であり、時間を待つことは、ディック、マクラウド、および彼らの地球物理学の仲間たちが何十年も行ってきたことです。
編集者注：この記事は、アトランティスバンクの地震探査の帰属を修正するために更新されました。