지구 중심부의 초고압 고온 상태

지구는 어떻게 탄생했고 어떻게 지금의 모습이 되었을까요? 그것을 아는 단서는 현재 지구 내부에 숨겨져 있습니다. 지구의 내부는, 그 중심으로부터 코어(핵), 맨틀, 지각의 순서로 층을 이루고 있습니다. 이러한 층 구조는 지진이 일어났을 때 전해지는 '지진파'의 속도를 측정함으로써 알 수 있습니다. 예를 들어, 일본에서 지진이 일어나면 지진파는 지구의 중심부를 지나 일본의 뒤쪽에 해당하는 칠레에도 전해져 갑니다. 그 도중에 층 경계를 지날 때 굴절되거나 반사되기 때문에 지진파가 전해지는 속도의 변화와 층 두께를 추정할 수 있는 것입니다.
그러나 각각의 층이 무엇으로 이루어져 있는지는 지진파로는 알 수 없습니다.그것을 아는 방법으로 구멍을 파서 내부 물질을 채취하는 방법이 있는데, 이것으로 채취할 수 있는 것은 지금으로서는 지각까지입니다. 그 밖에 맨틀이 융해되어 생기는 마그마*1에 의해서 심부에서 지표로 운반되어 오는 암석을 조사하는 방법이 있습니다. 다이아몬드는 5만 기압, 즉 지하 150km보다 깊은 곳에서 생성되기 때문에 다이아몬드를 포함한 암석은 150km보다 깊은 곳에 존재했던 것입니다. 그러나 이 방법으로도 기껏해야 지하 200km까지의 맨틀 암석밖에 구할 수 없습니다. 지표에서 지구 중심부까지는 6378km이기 때문에 우리는 지구 내부의 대부분의 물질을 구할 수 없는 것입니다.

 

심부의 환경

그래서 지구 심부의 환경을 실험실에 만들어 그 환경에 존재할 수 있는 물질을 인공적으로 만들어내는 연구가 활발히 이루어지고 있습니다.지구 내부는 깊어짐에 따라 압력과 온도가 올라갑니다. 지구의 중심은 364만 기압, 5500°C라는 초고압 고온 상태이며, 이 환경을 실험실에서 만드는 데 전 세계 연구자들이 계속 노력해 왔습니다. 그러한 가운데 고압 고온 상태의 발생에 관한 세계 기록을 보유해 온 것이, 도쿄 공업 대학의 히로세 케이 교수등의 그룹입니다. 2004년에는 맨틀의 최하부에 있는 'D'층의 환경하(125만 기압 2200°C 이상)에서 실험하여 거기에 완전히 새로운 광물이 존재하는 것을 발견하여 이 분야 전체에 큰 임팩트를 주었습니다. 

 

수백만 기압이라는 거대한 압력을 발생하는 장치는 의외로 작고 손바닥에 들어갈 정도의 크기입니다.이것은 "다이아몬드 앤빌 셀"이라고 하며, 두 다이아몬드 사이에 시료를 끼우고 육각 렌치를 사용하여 손으로 나사를 조이는 것만으로 시료에 수백만 기압의 압력을 가할 수 있습니다. 그리고 근적외선 레이저를 다이아몬드를 통해 시료에 조사함으로써 초고온도 동시에 실현할 수 있는 것입니다. 다이아몬드 끝을 가늘게 만들수록 강한 압력을 만들어 낼 수 있습니다.그러나 선단 커팅 방법을 궁리하지 않으면 다이아몬드가 변형되어 깨져 버립니다. 지금까지 많은 다이아몬드를 산산조각 냈지만, 다양한 형상을 시험해, 약 10년에 걸쳐 364만 기압이라는 초고압의 발생에 성공했습니다」 단, 초고압 고온 상태가 실현되고 있는 것은 직경 수십μm(1μm: 100만분의 1m)라고 하는 매우 좁은 영역으로 시료는 이보다 작아집니다. 그러한 미세 시료를 어떻게 해석하면 좋은 것일까요? 거기서 활약하는 것이 Spring-8의 X선입니다. 시료가 작기 때문에 기존 장치에서 발생하는 X선으로는 충분한 해석을 할 수 없었습니다.Spring-8로 얻을 수 있는 X선은 강력하고 고밀도이며, 게다가 고압 고온 조건을 유지한 채, 즉석에서 시료의 결정 구조를 해석할 수 있다는 큰 강점을 가지고 있습니다. 얼마 전까지만 해도 고압실험은 100만 기압 정도로 수십 년 동안 멈춰 섰습니다.설사 그 이상의 고압을 낼 수 있었다고 해도 시료를 해석하는 기술이 없었던 것입니다. Spring-8을 비롯한 대형 방사광 시설이 전 세계적으로 충실해지면서 연구자들이 고압을 더욱 실현시키기 위해 노력하게 된 것이 최근 급속한 진보로 이어진 것이라고 생각합니다.