9:15 AM - 9:45 AM
[T7-O-2] （Invited）Compositional diversity and genesis of magmas in an individual volcano: Implications from petrology and geochemistry of volcanic rocks from Rishiri Volcano, southern Kuril Arc
【ハイライト講演】
世話人よりハイライトの紹介：北海道利尻火山を研究対象に，火山活動の開始から終了までの時間スケールで生じるマグマの多様性と成因を，スラブ由来流体の挙動から地殻内マグマ過程に至る広い空間スケールで示す講演である．マグマ生成に関与するスラブ由来流体の物理的・化学的性質の差異は，初生マグマの多様性のみならず，その後の地殻内マグマ過程をも支配することが明らかとなり，沈み込み帯でのマグマ成因論に新しい知見を与えるものである．※ハイライトとは
はじめに
単一火山におけるマグマの組成多様性は、同化分別結晶作用[1]やマグマ混合[2]など初生マグマ生成後のマグマプロセスの相違によってもたらさせる。また近年では、火山の直下で生成する初生マグマそのものにも多様性があるとの指摘がなされている[3]。本発表では、火山活動の開始から終了までの時間スケール、スラブから地表までの空間スケールで単一火山におけるマグマの組成多様性とその成因の解明を目指した利尻火山での研究例を紹介する。
1. 火山活動とマグマ組成の関係
利尻火山の活動とマグマ組成の関係を明らかにするために、マグマ噴出率と噴出物組成を比較した。その結果、高噴出率期にはカルクアルカリ（CA）系列安山岩とアダカイト質デイサイト、中噴出率期には高Na/K玄武岩とソレアイト（TH）系列安山岩、そして低噴出率期には低Na/K玄武岩が活動するという、マグマ組成と噴出率の関係が見出された[4]。
2. 地殻内分化プロセス
高、中、低噴出率期にそれぞれ活動したCA系列安山岩、TH系列安山岩、安山岩に分化しなかった低Na/K玄武岩を比較した。その結果、CA系列安山岩はマントル由来未分化マグマと地殻由来珪長質マグマの混合、TH系列安山岩は未分化マグマからの同化分別結晶作用を経てそれぞれ分化したことが示された。さらに、3タイプの初生マグマ含水量を推定したところ、CA系列安山岩、TH系列安山岩、低Na/K玄武岩のそれぞれで約5, 3, 2 wt.%と相違があることが明らかとなった。より高含水量のマグマは低結晶化度で水に飽和し、マグマ溜り周囲の地殻へ水を放出することで大量の地殻由来珪長質マグマの生成を誘発すると考えられる。このことから、初生マグマ含水量の多寡が分化の程度とCA系列とTH系列という分化系列の違いを生み出したと考えられる[5]。また、CA安山岩の高噴出率での活動は、高含水量初生マグマの定置による大量の地殻由来珪長質マグマの生成で合理的に説明される。
3. スラブ流体の上昇プロセス
利尻火山ではSr/Yのやや高いアダカイト質デイサイトも噴出する。同マグマの地球化学的特徴は、その起源が沈み込みスラブにあることを示す。利尻火山直下における太平洋プレートの深度は300 kmに達しスラブ由来流体は水流体とメルトの超臨界流体として放出される。また、アダカイト質マグマの活動と同時期に、水流体によるフラックス溶融で生成した玄武岩質マグマを端成分とするCA系列安山岩が活動している。これらのことから、利尻火山直下ではスラブ由来超臨界流体が水とメルトに分離しており、水流体成分は玄武岩質初生マグマを生成した一方、メルト成分はアダカイト質デイサイトとして活動したと考えられる[6]。
4. 初生マグマ多様性
Na/Kと含水量の異なる2種類の玄武岩の初生マグマ生成条件を推定した。その結果、低Na/K玄武岩の初生マグマ（含水量約2 wt.%）は臨界点よりも深部で超臨界流体のフラックス溶融で生成している一方、高Na/K玄武岩の初生マグマ（含水量約3 wt.%）は臨界点よりも浅部において超臨界流体から分離した水流体の関与を受けて生成していることが明らかとなった。また、Na/Kや微量元素に見られる組成多様性は超臨界流体が水流体とメルトに分離する際の水流体とメルト間の元素分配によって生じている[7]。
結論
以上をまとめると、利尻火山では噴出率と噴出物組成の中〜長期変遷は、地殻内における珪長質マグマ生成量の違いによってもたらされており、その珪長質マグマ生成量は初生マグマ組成、特に含水量の多寡に依存していることが明らかとなった。さらに、初生マグマの多様性は、マグマ生成に関与するスラブ由来流体相とその組成に依存している。つまり、超臨界流体の水流体とメルトへの分離に伴うスラブ由来流体の物理的・化学的性質の変化が、その後のマグマ生成と地殻プロセスを支配しており、地表で観察される噴出物組成ならびに火山活動度の変遷を決定づける分岐条件となっていると考えられる。
引用文献
[1] DePaolo, 1981, Earth Planet. Sci. Lett., 53, 189–202.
[2] Sakuyama, 1981, J. Petrol., 22, 553–583.
[3] Tamura et al., 2014, J. Petrol., 55, 63–101.
[4] 谷内・他, 2019, 火山学会秋季大会.
[5] Taniuchi et al., 2020, Lithos, 354–355, 105362.
[6] Taniuchi et al., 2020, Sci. Rep., 10, 8698.
[7] Taniuchi et al., 2021, J. Petrol., 1–22.
単一火山におけるマグマの組成多様性は、同化分別結晶作用[1]やマグマ混合[2]など初生マグマ生成後のマグマプロセスの相違によってもたらさせる。また近年では、火山の直下で生成する初生マグマそのものにも多様性があるとの指摘がなされている[3]。本発表では、火山活動の開始から終了までの時間スケール、スラブから地表までの空間スケールで単一火山におけるマグマの組成多様性とその成因の解明を目指した利尻火山での研究例を紹介する。
1. 火山活動とマグマ組成の関係
利尻火山の活動とマグマ組成の関係を明らかにするために、マグマ噴出率と噴出物組成を比較した。その結果、高噴出率期にはカルクアルカリ（CA）系列安山岩とアダカイト質デイサイト、中噴出率期には高Na/K玄武岩とソレアイト（TH）系列安山岩、そして低噴出率期には低Na/K玄武岩が活動するという、マグマ組成と噴出率の関係が見出された[4]。
2. 地殻内分化プロセス
高、中、低噴出率期にそれぞれ活動したCA系列安山岩、TH系列安山岩、安山岩に分化しなかった低Na/K玄武岩を比較した。その結果、CA系列安山岩はマントル由来未分化マグマと地殻由来珪長質マグマの混合、TH系列安山岩は未分化マグマからの同化分別結晶作用を経てそれぞれ分化したことが示された。さらに、3タイプの初生マグマ含水量を推定したところ、CA系列安山岩、TH系列安山岩、低Na/K玄武岩のそれぞれで約5, 3, 2 wt.%と相違があることが明らかとなった。より高含水量のマグマは低結晶化度で水に飽和し、マグマ溜り周囲の地殻へ水を放出することで大量の地殻由来珪長質マグマの生成を誘発すると考えられる。このことから、初生マグマ含水量の多寡が分化の程度とCA系列とTH系列という分化系列の違いを生み出したと考えられる[5]。また、CA安山岩の高噴出率での活動は、高含水量初生マグマの定置による大量の地殻由来珪長質マグマの生成で合理的に説明される。
3. スラブ流体の上昇プロセス
利尻火山ではSr/Yのやや高いアダカイト質デイサイトも噴出する。同マグマの地球化学的特徴は、その起源が沈み込みスラブにあることを示す。利尻火山直下における太平洋プレートの深度は300 kmに達しスラブ由来流体は水流体とメルトの超臨界流体として放出される。また、アダカイト質マグマの活動と同時期に、水流体によるフラックス溶融で生成した玄武岩質マグマを端成分とするCA系列安山岩が活動している。これらのことから、利尻火山直下ではスラブ由来超臨界流体が水とメルトに分離しており、水流体成分は玄武岩質初生マグマを生成した一方、メルト成分はアダカイト質デイサイトとして活動したと考えられる[6]。
4. 初生マグマ多様性
Na/Kと含水量の異なる2種類の玄武岩の初生マグマ生成条件を推定した。その結果、低Na/K玄武岩の初生マグマ（含水量約2 wt.%）は臨界点よりも深部で超臨界流体のフラックス溶融で生成している一方、高Na/K玄武岩の初生マグマ（含水量約3 wt.%）は臨界点よりも浅部において超臨界流体から分離した水流体の関与を受けて生成していることが明らかとなった。また、Na/Kや微量元素に見られる組成多様性は超臨界流体が水流体とメルトに分離する際の水流体とメルト間の元素分配によって生じている[7]。
結論
以上をまとめると、利尻火山では噴出率と噴出物組成の中〜長期変遷は、地殻内における珪長質マグマ生成量の違いによってもたらされており、その珪長質マグマ生成量は初生マグマ組成、特に含水量の多寡に依存していることが明らかとなった。さらに、初生マグマの多様性は、マグマ生成に関与するスラブ由来流体相とその組成に依存している。つまり、超臨界流体の水流体とメルトへの分離に伴うスラブ由来流体の物理的・化学的性質の変化が、その後のマグマ生成と地殻プロセスを支配しており、地表で観察される噴出物組成ならびに火山活動度の変遷を決定づける分岐条件となっていると考えられる。
引用文献
[1] DePaolo, 1981, Earth Planet. Sci. Lett., 53, 189–202.
[2] Sakuyama, 1981, J. Petrol., 22, 553–583.
[3] Tamura et al., 2014, J. Petrol., 55, 63–101.
[4] 谷内・他, 2019, 火山学会秋季大会.
[5] Taniuchi et al., 2020, Lithos, 354–355, 105362.
[6] Taniuchi et al., 2020, Sci. Rep., 10, 8698.
[7] Taniuchi et al., 2021, J. Petrol., 1–22.