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インド洋に存在する巨大な“重力の穴”の謎が解き明かされるかも知れない

インド洋には、長年科学者たちを困惑させてきた、250万平方kmを超える、巨大な“重力の穴”がある。厳密に言えば穴ではないが、地球の重力の影響が平均よりはるかに低い集中的な地域を示す言葉として、科学者らは長年この言葉を使用してきた。

今回、科学誌『Geophysical Research Letters』に発表された新たな研究では、地球の奥深くに沈んだ別の海洋の古代の残骸が、この重力異常をもたらしたと提唱している。

重力の異常

ニュートンの万有引力の法則によれば、物体はその質量と距離の2乗によって決まる力で他の物体を引き寄せる。簡単に言えば、質量が大きければ大きいほど重力が大きくなり、物体に近ければ近いほどその影響を受ける(影響を及ぼす)ことになる。

地球は完全な球体にはほど遠く、極は平らだが赤道には膨らみがあるため、重力の強さは場所によって異なる。

『Scientific American』誌が説明するように、科学者たちはこれらの影響をマッピングして、平均海面を仮想的に陸地へ延長した地球の「ジオイド」を作成した。

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地球の重力地図(ジオイド)青はより低い領域を示し、赤はより高い領域を示す。 (Credit: International Centre for Global Earth Models via Wikimedia Commons (CC BY 4.0))

そして、「インド洋低ジオイド(Indian Ocean geoid low: IOGL)」は、1948年に初めて発見されて以来、研究者の注目を集めてきた。インド洋のこのエリアは、地球上のどこよりも重力が低いのだ。この問題は、科学者たちをしばらく困惑させてきた。重力が低いということは質量が欠けているということだ。しかし、この質量不足の原因はわかっていなかった。

「これらの(過去の)研究はすべて現在の異常に注目したもので、このジオイドの低さがどのようにして存在するようになったかについては関心がありませんでした」と、バンガロールにあるインド科学研究所のAttreyee Ghosh氏と博士課程の学生Debanjan Pal氏は、彼らの新しい作業仮説を記述した論文の中で説明している。

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この地球のジオイドの図は、重力の高さ(オレンジと赤)と低さ(青)をメートル単位で表している。インド洋低ジオイドはインド南端の沖合に見られる。 (Credit: “How the Indian Ocean Geoid Low Was Formed,” by Debanjan Pal et al., in Geophysical Research Letters. Published online May 5, 2023)

『Geophysical Research Letters』に掲載された新しい研究で、2人はこの重力異常を調査し、周辺海域の海面が世界平均より100メートル以上低いことを発見した。

研究は2018年、インドの国立極地海洋研究センターの科学者たちが、変形帯の海底に沿って一連の地震計を設置し、この地域の地図を作ろうとした事から始まった。

はるか沖合にあるため、この地域ではこれまで地震データはほとんど収集されていなかった。その2018年の調査結果は、インド洋の地下に上昇する溶岩の高温プルームが存在し、何らかの形でその大きなへこみに寄与していることを指摘した。

しかし、初期の低ジオイドを復元するには、もっと長い視点が必要であった。そこでGhosh氏とPal氏は、過去1億4千万年の間に地殻変動プレートが地球の高温でベトベトしたマントルの上をどのように滑っていったかをモデル化することで、巨大なジオイドの形成過程を辿った。

当時、インドプレートは超大陸ゴンドワナ大陸から離れ、北上を始めたばかりだった。インドプレートが進むにつれて、テチス海と呼ばれる古代の海の海底が地球のマントルに沈み込み、その背後にインド洋が開けた。

Ghosh氏とPal氏は、プレートの運動とマントルの動きに関する十数種類のコンピューターモデルを用いてシミュレーションを行い、これらのモデルが予測した海洋低重力の形状と、くぼみ自体の観測結果を比較した。インド洋の低ジオイドを現在の形で再現したモデルには共通点があった。これらのプルームは、特徴的なマントル構造に加えて、低ジオイドを作り出したものである。

過去1億4千万年間にこの海域がどのように変化したかについて、さまざまなコンピューターモデルを実行した結果、研究チームは、IOGLはアフリカの地下約1km以上も下に潜む地球のマントルの巨大な塊「アフリカン・ブロブ」がインド洋の下に押し込まれた結果である可能性があると結論づけた。約3,000万年前、古代の海洋の冷たく高密度な残骸がアフリカの地下の「スラブの墓場」に落ち込み、高温の溶岩をかき混ぜたのだ。

「要するに、我々の結果は、観測された低ジオイドの形と振幅を一致させるためには、プルームがマントル中部の深さまで上昇するのに十分な浮力を持つ必要があることを示唆しています」と二人は書いている。

これらのプルームが最初に現れたのは、約2000万年前、インド洋低ジオイドの南側で、古いテチス海が下部マントルに沈んでから約1000万年後のことである。プルームがリソスフェアの下に広がり、インド半島に近づくにつれ、低ジオイドが強まった。

この結果は、2017年に行われたGhosh氏の以前のモデリング研究の要素と一致していることから、2人は、テティスの海底が下部マントルに沈み込み、有名な「アフリカン・ブロブ」を乱した後に、この特徴的なプルームが突き上げられたことを示唆している。

しかし、コンピュータ・モデルに基づくこの研究結果は、少なくとも、より多くのデータが収集されるまではジオイドの低さの起源に関する激しい論争に決着をつけるものではなさそうだ。

この研究に関与していない研究者の中には、シミュレーションされたプルームが実際にインド洋の地下に存在するという明確な地震学的証拠はまだないとNew Scientist誌に語っている。

いずれにせよ、低ジオイド状態は、まだ何百万年も続くと予想されている。


論文

参考文献

研究の要旨

地球で最も低いジオイドであるインド洋ジオイド低(IOGL)の起源については議論がある。現在のトモグラフィモデルから予測されるジオイドは、中・上部マントルの高温異常がIOGLの生成に不可欠であることを示している。ここでは、140Maから始まる全球マントル対流モデルにプレート再構成を同化させ、沈み込むテチヤンスラブがアフリカ大低剪断速度領域を摂動し、インド洋下にプルームを発生させ、この負のジオイド異常の形成につながったことを示す。また、この低気圧は、ジオイド低気圧の直下にマントル密度異常が存在しなくても、周囲のマントル密度異常によって再現できることを示す。コア・マントル境界の熱化学パイルの密度と粘性、660km不連続面のクラペイロンスロープと密度ジャンプ、スラブの強度を調整し、プルームの上昇を制御することで、ジオイド低気圧の形状と振幅を決定する。

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