核のすぐ上に、水を抱えたまま壊れない鉱物があった

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地球の水は海だけではない、という話は以前からあります。マントルの岩石には、結晶のすき間に水素として水が抱え込まれていて、その総量は海の何杯分にもなるかもしれない、という見積もりです。ただ、この話には長いあいだ穴がありました。地下660kmから2,900kmまでの「下部マントル」、つまり地球の体積の半分以上を占める領域については、水をどの鉱物が持てるのか、はっきりしなかったのです。

2026年9月8日にネイチャー・ジオサイエンス誌に載った論文は、この穴を埋める候補を実験で作ってみせました。鉄と酸素と水素でできた、これまで知られていなかった鉱物が2種類。深さにして核のすぐ上まで、水を抱えたまま壊れずにいられる鉱物です。

乾いているはずの下部マントル

マントルの上のほうには、水をたっぷり持てる鉱物があります。深さ410〜660kmの「マントル遷移層」に多いウォズレアイトやリングウッダイトは、重さの1〜2%ほどの水を結晶の中に取り込めます。この層だけで海数杯分の水を持てる計算になり、「地下に海がある」といった見出しで紹介されることも多い話です。

ところが660kmより下に行くと事情が変わります。下部マントルの大部分を占めるブリッジマナイトとフェロペリクレースという2つの鉱物は、ほとんど水を持てません。水を持てる鉱物がないわけではないのですが、特殊な組成でないと安定しなかったり、深部の高温で分解してしまったりと、どれも決め手に欠けていました。

一方で、下部マントルに水があるらしいことを示す証拠は、別の方向から出ていました。カナダのバフィン島やアイスランドの火山岩を調べると、水素の同位体（重さの違う水素）の比率が、地球誕生のころの水を引き継いでいると考えられる値を示すのです。つまり、地球ができたときの水が、どこか深いところにまだ残っていて、ときどき火山と一緒に上がってくる。その「どこか」が、下部マントルの底のあたりだと考えられてきました。

証拠はあるのに、受け皿になる鉱物が見当たらない。今回の研究は、その受け皿を探す実験です。

ダイヤモンドの間に作った、核の手前の世界

地下2,900kmの条件を調べるといっても、掘って取ってくることはできません。人類が掘った最も深い穴でも12kmほどで、地殻すら抜けていません。そこで研究者が使うのが、ダイヤモンドアンビルセルという装置です。2つのダイヤモンドの先端で紙ほどの厚さしかない試料をはさみ、両側から締め上げて高圧をかけ、そこにレーザーを当てて加熱します。

今回の実験では、圧力は最大で200ギガパスカル近く、大気圧の約200万倍。温度は2,500℃前後まで上げました。下部マントルの底、核との境界のあたりに相当する条件です。試料にはマントルの主成分に近い鉄を含むケイ酸塩鉱物などを使い、できあがった結晶を放射光と呼ばれる強力なX線で調べて、原子の並び方を決めました。測定は欧州放射光施設ESRF（フランス）、ドイツのDESY、上海の放射光施設で行われています。

そこで出てきたのが、鉄と酸素と水素でできた2種類の結晶でした。化学式で書くと Fe₅O₁₂H_x と Fe₇O₁₂H_x。「鉄の酸水酸化物」と呼ばれる仲間で、身近なところでは鉄さびの一種であるゲータイト（FeOOH）が同じ仲間です。x が付いているのは、水素の量が一定でなく、条件によって変わるからです。どちらも六方晶という対称性の高い結晶で、これまでの高圧実験で報告されたことのない構造でした。

研究は、上海の高圧科学技術先端研究センター（HPSTAR）の袁宏昇（ホンシェン・ユアン）さんとドイツ・バイロイト大学のレオニード・ドゥブロビンスキーさんらの国際チームによるもので、バイロイト大学、ESRF、DESY、チューリッヒ工科大学などが加わっています。

水がほとんどない試料からも生まれた

ここが、この研究のいちばん意外なところです。

「水を抱える鉱物」というと、水をたっぷり含んだ出発物質から作るものだと思われがちです。ところがチームは、水をほとんど含まない試料からも同じ鉱物を作れてしまいました。実験のいくつかでは、出発物質に含まれる水は重さの0.1%に満たない量でした。装置のすき間に紛れ込む程度の、わずかな水素です。それでも、この2つの鉱物は現れました。

ドゥブロビンスキーさんはDESYのニュースの中で、ごく少量の水素があれば、この水素を多く含む鉄化合物ができてしまうようだ、と述べています。

これが重要なのは、下部マントルの実態に合っているからです。地球の深部は、どこかに水たまりや地下海があるような場所ではありません。あるとすれば、鉱物の結晶の中に水素として閉じ込められた水だけで、「自由な水」はほぼ存在しません。そんな乾いた環境で育つ鉱物でなければ、そもそも受け皿として意味がないのです。水がたっぷりある条件でしか作れない鉱物なら、それは実験室の産物で終わっていました。

もうひとつの性質が、これに重なります。2つの鉱物は、周りのマントル鉱物よりもはっきり密度が高い、つまり重いのです。

地球ができたばかりのころ、マントルは深いところまで溶けていて、固まっていく過程で底のほうに「基底マグマの海」と呼ばれる溶けた層が残ったと考えられています。それが冷えて結晶になっていくとき、重い鉱物は下へ沈みます。水素を抱えて、しかも重いこの鉱物ができていれば、地球誕生期の水を抱えたまま、核との境界に向かって沈殿していったはずです。バフィン島の火山岩が示す「地球誕生のころの水」が、どこにどうやって保管されてきたのか。その一つの答えになりうる筋書きです。

地震波の「異常な層」と火山のつながり

核とマントルの境界には、以前から地震学者を悩ませてきた場所があります。地震波の速さがまわりより極端に遅くなる、厚さ数十kmほどの薄い層で、「超低速度層」と呼ばれています。何かが違う物質でできているのは確かなのに、それが何かは決まっていませんでした。

論文は、この鉄の酸水酸化物が境界に溜まったものが超低速度層の正体になりうる、と提案しています。実験では、この鉱物ができるときに周りのケイ酸塩鉱物から鉄を引き抜いていました。まわりの鉱物の組成が変わると、鉱物同士の境目がずれて、地震波の伝わり方も変わります。密度の高い鉱物が境界に溜まっている、という像は、地震波の観測ともつじつまが合います。

さらにチームは、この溜まりが火山活動の「導火線」になる可能性も挙げています。核から熱で温められたとき、この鉱物が周りのケイ酸塩より先に溶けるなら、抱えていた水やほかの揮発成分が溶けた岩に混じって、マントルプルーム（深部から上がってくる熱い岩の流れ）に乗って上がってくる。地下2,900kmの水が、地表の火山まで直結する道筋です。ただし、これは論文の中でも「提案」の段階です。

実際、この鉱物は圧力を下げると壊れることも分かっています。実験後に圧力を抜いて回収した試料では、Fe₅O₁₂H_x は分解して、単純な酸化鉄に変わっていました。マントルの循環で浅いほうへ運ばれれば安定を保てなくなり、水素をほかの鉱物や溶けた岩へ手放すことになります。深部に閉じ込められた水が、いつかは地表側へ戻ってくる、という話と整合しています。

昔の実験に出ていた「正体不明の相」

この研究には、おまけのような収穫もありました。

鉄と酸素の高圧実験では、以前から「H相」と呼ばれる正体のよく分からない結晶が報告されることがありました。水を含まないはずの実験で出てくるので、新しい酸化鉄だろうと考えられていたのですが、構造がうまく決まっていませんでした。

今回決めた Fe₅O₁₂H_x の結晶の寸法は、そのH相と一致しました。つまり、乾いた実験のつもりでも、装置に残ったわずかな湿気の水素が入り込んで、この酸水酸化物ができていたらしいのです。水素は軽くてX線では見えにくいので、含まれていることに気づかれずに「謎の酸化鉄」として記録されていた、というわけです。ごく少量の水素で安定するという性質が、ここでも効いています。

分かったことと、まだ分からないこと

この研究が示したのは、「下部マントルの底の条件で、水素を抱えたまま安定な、重い鉄の鉱物ができる」ということです。これは実験室で確かめた事実です。

一方で、この鉱物が地球の内部に実際にあるかどうかは、まだ分かっていません。DESYのニュースもこの点をはっきり書いています。実験は「できうる」ことを示したのであって、「ある」ことを示したわけではないのです。

論文に添えられた解説記事で、英リーズ大学のアルフレッド・ウィルソンさんは、この発見を地球がどうやって水を手に入れ、保ってきたかという謎への大きな前進だと評価しつつ、まだ全体像は不完全だとも書いています。この鉱物が実際にどれだけの水を持てるのか、核との境界にたどり着いたあとどうなるのか（核に水素を渡してしまうのか、境界に溜まり続けるのか）、深部の水がどのくらいの時間をかけて地表へ戻ってくるのか。どれも、これからの課題として残っています。

それでも、「地球の水は海だけではない」という話に、下部マントルの底まで含めて具体的な鉱物名が付いたのは、大きな変化です。地下2,900km、核のすぐ手前まで、水の循環は続いているのかもしれません。

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出典

H. Yuan, L. Man, I. Kupenko et al., “Dense iron oxyhydroxides as possible reservoirs of water under deep mantle conditions,” Nature Geoscience (2026年9月8日公開)
https://doi.org/10.1038/s41561-026-02067-1（本文は有料。要旨は無料で読めます）

A. J. Wilson, “The Earth’s puzzling deep water cycle,” Nature Geoscience News & Views (2026)
https://doi.org/10.1038/s41561-026-02088-w

DESY News, “Iron minerals could store water deep inside the Earth”（研究機関のニュース。無料）
https://www.desy.de/news/news_search/index_eng.html?openDirectAnchor=4394

ScienceAlert, “Earth May Be Harboring a Hidden Stash of Water, Up to 1,800 Miles Below The Surface”（Starre Vartan、2026年9月15日）
https://www.sciencealert.com/earth-may-be-harboring-a-hidden-stash-of-water-up-to-1800-miles-below-the-surface