南アフリカのフォースポード鉱山から採掘されたダイヤモンドに含まれるニッケルに富む金属インクルージョンが、地球のマントル深部で起こりうる化学反応の初の直接的な証拠を提供しました。この発見は、地球内部のプロセスと揮発性成分に富むマグマの形成に関する貴重な洞察をもたらします。
ヘブライ大学地球科学研究所のヤエル・ケンペ氏とヤアコフ・ワイス氏が率いる研究チームは、地球の表面から280〜470キロメートル下で形成されたダイヤモンドを分析しました。この発見はNature Geoscience誌に掲載され、これらのダイヤモンドから、ニッケル鉄金属ナノインクルージョンとニッケルに富む炭酸塩マイクロインクルージョンが発見されました。これは、理論モデルで約250〜300キロメートルの深さでの安定化が予測されていながらも自然界では確認されていなかった、ニッケルに富む合金がマントル深部に存在することの最初の確実な証拠となります。
ニッケル鉄合金とニッケルに富む炭酸塩の両方の存在は、「凍結酸化」と呼ばれる珍しい酸化還元反応を伴う交代作用プロセスを示唆しています。このプロセスでは、酸化された炭酸塩質・ケイ酸塩質のメルト（融液）が、還元された金属を含むペリドタイト（かんらん岩）に浸入します。この反応中、鉄はニッケルよりも速く酸化され、残りの合金はニッケルに富み、メルトからは炭酸塩とダイヤモンドが結晶化します。この相互作用は、還元されたマントル岩石を、より酸化され揮発性成分に富む領域へと変化させ、炭酸塩を還元してダイヤモンドを形成するという、地球内部の化学的な一瞬を捉えたものです。
この発見は、マントルダイナミクスとマグマ生成の理解に広範な影響を与えます。マントルの局所的な酸化は、他の超深成ダイヤモンドに含まれるインクルージョンが予想外に高い酸化条件を示す理由を説明する可能性があります。また、このようなプロセスは揮発性成分に富むマグマの起源にも光を当てます。これらの酸化還元イベント中にマントルペリドタイトが炭酸塩、カリウム、および不適合元素で豊かになることは、キンバーライトやランプロファイア、さらには一部の海山玄武岩の形成の可能性を高めるかもしれません。
ダイヤモンドは単なる宝石以上の科学的価値を持っていることが、この研究によって改めて示されました。数ナノメートルの合金から高圧鉱物に至るまで、ダイヤモンドに含まれるインクルージョンは、私たちの足元数百キロメートルの深さの条件を知るための、数少ない自然の記録の一つを提供します。研究者たちがこれらの鉱物タイムカプセルをさらに探求するにつれて、ダイヤモンドはマントルの隠された化学組成や、私たちのダイナミックな惑星を形成し続けるプロセスについて、さらなる秘密を明らかにする可能性があります。
一部の研究では、大型で希少なダイヤモンドが、大陸プレート下のマントル深部、約360〜750キロメートルという非常に深い場所で形成された可能性が示唆されています。これは、他の多くの宝石質ダイヤモンドが形成される深さよりもさらに深い場所です。さらに、ダイヤモンドに含まれる金属インクルージョンは、鉄、ニッケル、炭素、硫黄の混合物が固まったものであり、金属相とそれを囲むメタンや水素の液体と共存していることが発見されています。これらの発見は、地球内部の複雑な化学的環境と、そこで起こるダイナミックなプロセスについての理解を深めるものです。