火山岩が語るマントルの水

解説執筆:中村仁美
作成協力:赤司卓也・乾 保雄・竹内晋吾・平野直人



1.白い石と黒い石
2.中部日本のマントル
3.スラブ流体と火山
4.スラブ流体を探す旅 〜エピソード〜
5.スラブ流体の検出
6.終わりに
7.原著論文
8.参考文献・リンク




5.スラブ流体の検出


図5−1:溶岩試料
 両白山地での出会いに感謝すると共に反省から多くを学んだ私は、手に入れた四輪駆動車に乗って、文字通り、東奔西走に南北も加え、中部日本の火山を駆けめぐりました。そうして、最終的に、30ほどの火山から約400個の溶岩を集めることができました(図5-1)。

 集めた岩石はまず洗浄します。岩石試料には泥が付いているだけでなく、時には隙間に虫が棲んでいたりします。一つずつ岩石カッターで三等分くらいにし、内部の状況を見ます。変質の程度や空隙の状況を確かめて、これからの作業方法を考えるためです。変質がひどいものは使えないし、空隙が多いものは崩れてしまうので試料にあった処理方法を施します。

 問題がなさそうな試料は、偏りがなく試料を代表できるような箇所を選んで薄く切り、鏡面のようになるまで研磨します。これを岩石薄片と呼びます。透けるくらい薄く研磨することで、照射した光を使って顕微鏡で岩石を観察することができるようになります。 顕微鏡下では、石の中に入っている鉱物がはっきり見え、一つ一つの鉱物の中にある構造や鉱物同士の関係を見ることができます。岩石薄片の観察は、肉眼では見えなかった変質だけでなく、その岩石が経てきた歴史を推測する手助けになります(図5-2)。

 次に、薄片に電子線を照射して鉱物の化学組成や特徴を調べます。また、岩石を粉末化し、X線を照射して化学組成を調べます。こうした作業を、一つの火山について十数試料行い、その情報を組み合わせることで岩石の経てきた歴史を読み取ることができます。岩石の経た歴史を決めることで、ようやく、マントルの情報を持っている石を選び出すことができるようになります。

図5−2:溶岩の岩石薄片の顕微鏡像

 さらに、選抜した石を丁寧に粉末化し、超清浄化学処理室において何段階もの化学的処理を加えることによって、特定の元素を抽出します。ここでは、スラブ流体に入りやすい鉛などの元素をターゲットにしています。例えば、溶岩試料に含まれる鉛は数十ppmです。ほんのわずか含まれるこのような元素を溶岩から正確に抽出することが、この研究ではとても重要です。抽出した元素を含んだ試料を高電圧や熱を使ってイオン化し、質量分析計で放射改変起源の同位体を測定します。

 その結果、スラブ流体の痕跡を検出することができました。痕跡は形としてあるのではなく化学組成の中に残っているので、広域的な化学組成分布を解析することで初めてその影響を捉えることができたわけです。また、研究が進んでいる伊豆弧や東北日本の火山と比較することで、中部日本の火山岩には太平洋プレートから出たスラブ流体とフィリピン海プレートから出たスラブ流体の双方の影響があることが分かり、太平洋プレートのスラブ流体とフィリピン海プレートのスラブ流体の量をそれぞれ見積もることができました(図6)。


図6:スラブ流体の分布とその起源
クリックで拡大:研究対象となった中部日本の火山画像も豊富に掲載)


 特に、フィリピン海プレートについては大変面白いことが分かりました。中部日本に沈み込んでいるフィリピン海プレートの形状はとても複雑で、何か堅いものに行き当たってうねったような場所や、途中でグニャッと曲がって沈み込む角度が急になったような形になっていることが地震学的研究から分かっているのですが、このフィリピン海プレートの形状とフィリピン海プレートのスラブ流体の分布が良い対応関係を示しました。例えば、フィリピン海プレートが急角度で折れ曲がる場所の直上にある両白山地では、マグマの発生に他の地域よりも数倍多くフィリピン海プレートのスラブ流体が関与しています。このことは、フィリピン海プレートから出たスラブ流体がより狭い地域に集中していることを想像させます(図7)。

 さらに面白いことに、フィリピン海プレートが太平洋プレートに重なっていても、重なりの直上にある火山を作ったマグマの発生には、フィリピン海プレートだけでなく、太平洋プレートのスラブ流体も関与していることが分かりました。、つまり、「下位の太平洋プレートから出たスラブ流体が、上位のフィリピン海プレートを通り抜けている」と言うことが初めてわかったのです(図7)。

図7:両白山地〜戸室にかけての南北断面図(上)と上野〜白馬大池にかけての南北断面図(下)
6.終わりに

 日本は島弧にあるので、どうしても地震や火山活動が活発に起こります。日本列島に住む私たちにとって、地震予知や火山噴火予知は強い願いです。今回ご紹介したスラブ流体は、地下深部から日本列島に水がどのように供給されているのかを解明する基礎となる研究です。スラブ流体は地震・火山現象を引き起こす鍵として重要であるだけでなく、温泉や地下水など身近な流体の研究に繋がっていくことが期待されています。また、スラブ流体を手がかりに島弧の物質循環を解明することで、地球全体の物質循環を理解することにも繋がるでしょう。私たち人間は、うつわの中に居ながら、うつわである地球の今後を考えることができます。小さな白い石に興味を持ってくれた幼い彼女が、いつか広大な世界に興味を広げてくれることを祈っています。

7.原著論文

Hitomi Nakamura, Hikaru Iwamori and Jun-Ichi Kimura (2008)
Geochemical evidence for enhanced fluid flux due to overlapping subducting plates
Nature Geoscience, 1, 380 - 384
http://www.nature.com/ngeo/journal/v1/n6/abs/ngeo200.html


8.参考文献・リンク

■ 中村 仁美・岩森 光・木村 純一(2007)
中部日本における二重のプレート沈み込みとスラブ由来の流体の挙動
月刊地球, -海洋プレートと島弧の深部構造-IODP超深度掘削へ向けて-,29,9,570-577,海洋出版

■ Nakajima, J. & Hasegawa, A. (2007)
Subduction of the Philippine Sea plate beneath southwestern Japan: Slab geometry and its relationship to arc magmatism.
J. Geophys. Res. 112, B08306 .

■ Hitomi Nakamura Web Site
http://staff.aist.go.jp/hitomi-nakamura/index.html



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