上部マントル

地球の上部マントルは、惑星内部にある非常に厚い岩石層で、地殻のすぐ下（海洋では約10 km 、大陸では約35 km ）から始まり、下部マントルの最上部（約670 km）で終わります。温度は、地殻との境界付近で約900 K（627 °C、1,160 °F）から、下部マントルとの境界付近で約1,200 K（930 °C、1,700 °F）まで変化します。地表に上昇してきた上部マントルの物質は、深さによって異なりますが、約55%がカンラン石、35%が輝石、そして5～10%が斜長石、スピネル、ガーネットなどの酸化カルシウムと酸化アルミニウム鉱物で構成されています。            

地球内部の密度分布は地震波の速度によって決まる。密度は各層で徐々に増加するが、これは主に深度が増すにつれて岩石が圧縮されるためである。密度の急激な変化は物質組成が変化する場所で発生する。^{[ 1 ]}

上部マントルは地殻のすぐ下から始まり、下部マントルの最上部で終わる。上部マントルは、地殻プレートの移動を引き起こす。

地殻とマントルは組成によって区別され、岩石圏とアセノスフェアは力学的特性の変化によって定義される。^{[ 2 ]}

マントルの最上部は、アンドリヤ・モホロヴィチッチが1909年に初めて指摘した地震波の速度の急激な増加によって定義されます。この境界は現在、モホロヴィチッチ不連続面または「モホ面」と呼ばれています。^{[ 3 ]}

モホ面は地殻の基底を定義し、地球表面から10 km (6.2 mi)から70 km (43 mi)の深さで変化します。海洋地殻は大陸地殻よりも薄く、一般的に厚さは10 km (6.2 mi)未満です。大陸地殻の厚さは約35 km (22 mi)ですが、チベット高原の下にある大きな地殻の根は約70 km (43 mi)の厚さです。^{[ 4 ]}          

上部マントルの厚さは約640 km (400 mi)です。マントル全体の厚さは約2,900 km (1,800 mi)なので、上部マントルはマントル全体の厚さの約 20% にすぎません。^{[ 4 ]}    

上部マントルと下部マントルの境界は、670 km (420 mi) の不連続面です。^{[ 2 ]} 浅い深度での地震は横ずれ断層運動によって発生しますが、約50 km (31 mi)より下では、高温高圧の状態がそれ以上の地震活動を抑制します。マントルは粘性があり、断層運動を起こすことができません。しかし、沈み込み帯では、 670 km (420 mi)まで地震が観測されています。^{[ 1 ]}      

温度は、地殻との上部境界で約500 K (227 °C; 440 °F)から、核とマントルの境界で約4,200 K (3,930 °C; 7,100 °F)まで変化します。 ^{[ 12 ]} 上部マントルの最高温度は1,200 K (930 °C; 1,700 °F)です。^{[ 13 ]}         

高温は地表のマントル岩石の融点をはるかに超えるが、マントルはほぼ完全に固体である。 ^{[ 14 ]}マントルにかかる巨大な静水圧は、融解が始まる温度（固相線）が圧力とともに上昇するため、融解を防いでいる。 ^{[ 15 ]} 下層の物質は上層の物質すべての重量を支えなければならないため、深さが増すにつれて圧力が増加する。マントル全体は、長い時間スケールでは流体のように変形し、永久的な塑性変形を起こすと考えられている。

上部マントルの最高圧力は24.0 GPa (237,000 atm) ^{[ 13 ]}であり、マントルの底部の圧力は136 GPa (1,340,000 atm)である^{[ 12 ] [ 16 ]}。    

上部マントルの粘性の推定値は、深さ、^{[ 17 ]温度、組成、応力状態、およびその他多くの要因に応じて、10 19}～ 10 ²⁴ Pa·sの範囲である。上部マントルは非常にゆっくりとしか流動できない。しかし、最上部マントルに大きな力が加わると、弱くなることがあり、この効果は、テクトニックプレート境界の形成を可能にする上で重要であると考えられている。

深度が深くなるほど粘性が高くなる傾向があるものの、この関係は線形とは程遠く、特に上部マントルや核との境界では粘性が劇的に低下する層が見られる。^{[ 17 ]}

地球の表面と外核の温度差と、高圧高温下にある結晶質岩石が数百万年かけてゆっくりと粘性変形を起こす能力があるため、マントル内では対流による物質循環が起こっている。 ^{[ 3 ]}

高温の物質は上昇し、低温で重い物質は沈み込みます。物質の下降運動は、沈み込み帯と呼ばれる収束型プレート境界で発生します。プルームの真上に位置する地表の場所は、（下にある高温で密度の低いプルームの浮力のため）標高が高く、ホットスポット火山活動を示すと予測されています。

地震データだけではマントルの組成を決定するには不十分である。地表に露出した岩石の観察やその他の証拠から、上部マントルは苦鉄質鉱物であるカンラン石と輝石であり、密度は約3.33 g/cm ³ (0.120 lb/cu in)であることが明らかになっている^{[ 1 ] 。}   

地表に上昇してきた上部マントル物質は、約 55% のカンラン石と 35% の輝石、そして 5 ～ 10% の酸化カルシウムと酸化アルミニウムから構成されている。^{[ 1 ]} 上部マントルは主にペリドタイトであり、主にカンラン石、単斜輝石、斜方輝石、およびアルミナ相のさまざまな割合の鉱物から構成されている。 ^{[ 1 ]}アルミナ相は、最上部マントルでは斜長石、次にスピネル、そして約100 キロメートル (62マイル)より下ではガーネットである。^{[ 1 ]}上部マントルを徐々に通過するにつれて、輝石は不安定になり、マジョライト ガーネットに変化する。 

カンラン石と輝石に関する実験では、これらの鉱物は深部で圧力が増加すると構造が変化することが示されており、これが密度曲線が完全に滑らかにならない理由を説明しています。より密度の高い鉱物構造に変化すると、地震波速度が急激に上昇し、不連続性が生じます。^{[ 1 ]}

遷移帯の上部では、カンラン石は等化学相転移を起こしてワズレイアイトとリングウッダイトに変化する。名目上無水のカンラン石とは異なり、これらの高圧カンラン石多形は結晶構造内に水を大量に貯蔵する能力がある。このことから、遷移帯には大量の水が存在する可能性があるという仮説が立てられている。^{[ 18 ]}

地球内部では、カンラン石は上部マントルの深さ410キロメートル（250マイル）未満に存在し、リングウッダイトは深さ約520～670キロメートル（320～420マイル）の遷移帯に存在すると推定されている。深さ約410キロメートル（250マイル）、520キロメートル（320マイル）、670キロメートル（420マイル）における地震活動の不連続性は、カンラン石とその多形体を含む相変化に起因すると考えられている。     

遷移帯の基底部では、リングウッダイトはブリッジマナイト（旧称マグネシウムケイ酸塩ペロブスカイト）とフェロペリクレースに分解する。ガーネットもまた、遷移帯の基底部またはそのすぐ下で不安定になる。

キンバーライトは地球内部から噴出し、時には岩石の破片を運びます。これらの異種岩片の中には、地殻下の高圧下でしか生成されないダイヤモンドが含まれています。これに伴う岩石は、超苦鉄質団塊とかんらん岩です。^{[ 1 ]}

組成は地殻と非常によく似ているようだ。違いの一つは、マントルの岩石や鉱物は地殻に比べてマグネシウムが多く、ケイ素とアルミニウムが少ない傾向があることである。上部マントルで最も豊富な元素の上位4つは、酸素、マグネシウム、ケイ素、鉄である。

マントルの探査は、一般的に陸上ではなく海底で行われる。これは、海洋地殻が大陸地殻に比べてはるかに薄いためである。

マントル探査の最初の試みである「モホール計画」は、度重なる失敗とコスト超過のため、1966年に中止された。最深掘削深度は約180メートル（590フィート）であった。2005年には、海洋掘削船JOIDES Resolution号による海洋掘削孔が海底下1,416メートル（4,646フィート）に達した。   

2007年3月5日、 RRSジェームズ・クック号に乗船した科学者チームは、カーボベルデ諸島とカリブ海の中間にある、地殻に覆われていないマントルが露出している大西洋の海底地域への航海に出発した。露出した場所は海面下約3キロメートル（1.9マイル）にあり、数千平方キロメートルに及ぶ。 ^{[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]} 

地球掘削ミッションでは、日本の掘削船「地球」を使用して海底から最大7,000 m (23,000フィート)まで掘削しようと試みました。2012 年 4 月 27 日、「地球」は海面下7,740 メートル (25,390フィート)まで掘削し、深海掘削の世界新記録を樹立しました。この記録はその後、米国メキシコ湾ミシシッピ キャニオン フィールドのタイバー鉱区で操業していた不運なディープウォーター ホライズン移動式海洋掘削装置によって破られ、垂直掘削ストリングの全長で世界記録となる 10,062 m (33,011フィート) を達成しました。^{[ 24 ]}以前の記録は、1978 年にマリアナ海溝で海面下 7,049.5 メートル (23,130 フィート) まで掘削した米国の掘削船グロマー チャレンジャーが保持していました。^{[ 25 ]} 2012年9月6日、科学深海掘削船「ちきゅう」は、北西太平洋の日本の下北半島沖の海底から2,111メートル（6,926フィート）より深いところまで掘削し、岩石サンプルを採取して、新たな世界記録を樹立した。      

地球の最上部数百キロメートルを探査する新しい方法が2005年に提案された。これは、小型で高密度の発熱プローブが地殻とマントルを溶かしながら下降し、その位置と進行状況は岩石で発生する音響信号によって追跡されるというものである。^{[ 26 ]}プローブは、直径約1メートル（3フィート3インチ）のタングステン製の外球と、放射性熱源として機能するコバルト60の内部で構成されている。海洋のモホ面に到達するには半年かかるはずである。^{[ 27 ]}  

マントルの進化のコンピュータシミュレーションによって探査が促進されることもある。2009年には、スーパーコンピュータアプリケーションによって、45億年前にマントルが形成された時からの鉱床、特に鉄の同位体の分布に関する新たな知見が得られた。^{[ 28 ]}

2023年、JOIDES Resolutionはアトランティス山塊に数百メートル掘削しただけで、上部マントル由来と思われる岩石のコアを回収した。掘削孔は最大深度1,268メートルに達し、主にペリドタイトからなる886メートルの岩石サンプルを回収した。サンプルがどの程度上部マントルを代表しているかについては議論があり、海水の影響により、サンプルは深部下部地殻の例であると主張する人もいる。しかし、サンプルはマグマに溶融したり再結晶化したりしていないため、マグマ捕獲岩よりもマントル岩石にずっと近い類似物である。 ^{[ 29 ]}