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[SVC34-P20] 高結晶量珪長質マグマと低結晶量珪長質マグマの岩石学的対比：西南日本の九重火山と阿蘇火山の事例研究
キーワード：珪長質マグマ、カルデラ、岩石学、結晶マッシュ、マグマ溜まり
九州の火山フロントに位置する九重火山と阿蘇火山は約20 kmで隣接する。どちらの火山も珪長質マグマを繰り返し噴出するが、それらマグマの岩石学的性質や噴出体積は異なる。九重火山はVEI 5-6の結晶に富んだ珪長質マグマを噴出し、阿蘇火山はVEI 6-8の結晶に乏しい珪長質マグマを噴出する。また、両火山とも珪長質マグマと共に苦鉄質マグマも噴出するが、その産状は両火山で異なる。本研究では九重火山と阿蘇火山の珪長質マグマシステムの違いを理解するために、珪長質マグマの詳細な岩石学的性質に着目して検討した。
対象とする噴出物は、九重火山の3回の火砕流噴火の軽石（宮城噴火：150 ka、1.0 DRE km³、下坂田噴火：120 ka、0.2 DRE km³、飯田噴火：54 ka、7.2 DRE km³）、阿蘇火山は、3回の大規模な火砕流噴火の軽石Aso-2噴火：141 ka、32 DRE km³、Aso-3噴火：130 ka、96 DRE km³、Aso-4噴火：90 ka、384 DRE km³）とした。これらの軽石の岩石学的記載およびXRFとSEM-EDSによる全岩、石基、鉱物の化学組成を分析を行った。
九重火山の軽石は主に高い結晶量（40 vol.％）であり、しばしば安山岩質のmafic enclaveを包有する。軽石の全岩および石基の組成はそれぞれ65 wt.% SiO2と78 wt.% SiO2である。Fe-Ti酸化物の温度-酸素分圧計（Andersen and Lindsley, 1988）は、酸化還元状態と温度がΔNNO+2および790-820°Cであることを示した。角閃石の含水-圧力計（Ridolfi, 2021）はメルトの含水量が5-6 wt.%で圧力が130 MPaを示した。一方、阿蘇火山の軽石は低い結晶量（<10 vol.％）で、その噴出に続いて安山岩質のスコリアが噴出する。軽石の全岩および石基の組成はそれぞれ65-70 wt.% SiO2と67-71 wt.% SiO2である。Fe-Ti酸化物は、酸化還元状態と温度がΔNNO+1-1.5および790-820°Cであることを示した。軽石に含まれる角閃石は、メルトの含水量が3 wt.%、圧力が250 MPaであることを示した。
これらの軽石の岩石学的特徴は、九重火山と阿蘇火山の浅部マグマシステムの違いを示している。九重の珪長質マグマは、阿蘇のものよりも酸化されており、冷たく、水に富み、浅部に存在する。また九重火山のマグマ溜まりは、結晶に富んだ珪長質マグマがほぼ結晶マッシュに近い状態で蓄積されており、苦鉄質マグマの小さなパッチ状のmafic enclaveとして存在する。一方、阿蘇火山のマグマ溜まりは、珪長質マグマの下にスコリアに対応する苦鉄質マグマが層状に広がる構造を持つことが示唆される。
九重と阿蘇の苦鉄質マグマの産状の違い、すなわち、九重では珪長質マグマの中に苦鉄質マグマのパッチ状で存在し、阿蘇では珪長質マグマの下に苦鉄質マグマの層が存在するという点から、苦鉄質マグマの注入深度レベルは珪長質マグマの状態によって決まることが推測される。そこで、珪長質マグマと苦鉄質マグマのバルク密度を計算して、珪長質マグマ溜まりの一般的な構造モデルに基づいて注入深度レベルを検討した。この一般的な構造モデルでは、珪長質マグマが厚く流動しない結晶マッシュゾーンの上に位置すると想定している。計算の結果、九重の場合、結晶に富んだ珪長質マグマのバルク密度は苦鉄質マグマとほぼ同じであり、新たに注入された苦鉄質マグマは珪長質マグマの中に直接注入され、苦鉄質マグマのパッチを形成すると推定される。一方、阿蘇の場合、苦鉄質マグマの体積密度は結晶が少ない珪長質マグマ（密度が軽い）と下のマッシュゾーン（密度が重い）の間に位置します。この場合、新たに注入された苦鉄質マグマは珪長質マグマとマッシュゾーンの間に注入され、苦鉄質マグマの層を形成します。
九重火山と阿蘇火山の珪長質マグマの性質は他の沈み込み帯の火山でも普遍的であることから（例えばTakeuchi et al., 2021）、本研究で明らかにした珪長質マグマ溜まりへの注入深度レベルモデルは他の火山にも適用できると考えられる。一方で、苦鉄質マグマの注入深度レベルが珪長質マグマの結晶量に与える影響は現時点では明らかではないため、注入による珪長質マグマの再活性化と珪長質マグマと苦鉄質マグマの混合などのマグマ溜まり中のプロセスに関するさらなる検討が必要である。
対象とする噴出物は、九重火山の3回の火砕流噴火の軽石（宮城噴火：150 ka、1.0 DRE km³、下坂田噴火：120 ka、0.2 DRE km³、飯田噴火：54 ka、7.2 DRE km³）、阿蘇火山は、3回の大規模な火砕流噴火の軽石Aso-2噴火：141 ka、32 DRE km³、Aso-3噴火：130 ka、96 DRE km³、Aso-4噴火：90 ka、384 DRE km³）とした。これらの軽石の岩石学的記載およびXRFとSEM-EDSによる全岩、石基、鉱物の化学組成を分析を行った。
九重火山の軽石は主に高い結晶量（40 vol.％）であり、しばしば安山岩質のmafic enclaveを包有する。軽石の全岩および石基の組成はそれぞれ65 wt.% SiO2と78 wt.% SiO2である。Fe-Ti酸化物の温度-酸素分圧計（Andersen and Lindsley, 1988）は、酸化還元状態と温度がΔNNO+2および790-820°Cであることを示した。角閃石の含水-圧力計（Ridolfi, 2021）はメルトの含水量が5-6 wt.%で圧力が130 MPaを示した。一方、阿蘇火山の軽石は低い結晶量（<10 vol.％）で、その噴出に続いて安山岩質のスコリアが噴出する。軽石の全岩および石基の組成はそれぞれ65-70 wt.% SiO2と67-71 wt.% SiO2である。Fe-Ti酸化物は、酸化還元状態と温度がΔNNO+1-1.5および790-820°Cであることを示した。軽石に含まれる角閃石は、メルトの含水量が3 wt.%、圧力が250 MPaであることを示した。
これらの軽石の岩石学的特徴は、九重火山と阿蘇火山の浅部マグマシステムの違いを示している。九重の珪長質マグマは、阿蘇のものよりも酸化されており、冷たく、水に富み、浅部に存在する。また九重火山のマグマ溜まりは、結晶に富んだ珪長質マグマがほぼ結晶マッシュに近い状態で蓄積されており、苦鉄質マグマの小さなパッチ状のmafic enclaveとして存在する。一方、阿蘇火山のマグマ溜まりは、珪長質マグマの下にスコリアに対応する苦鉄質マグマが層状に広がる構造を持つことが示唆される。
九重と阿蘇の苦鉄質マグマの産状の違い、すなわち、九重では珪長質マグマの中に苦鉄質マグマのパッチ状で存在し、阿蘇では珪長質マグマの下に苦鉄質マグマの層が存在するという点から、苦鉄質マグマの注入深度レベルは珪長質マグマの状態によって決まることが推測される。そこで、珪長質マグマと苦鉄質マグマのバルク密度を計算して、珪長質マグマ溜まりの一般的な構造モデルに基づいて注入深度レベルを検討した。この一般的な構造モデルでは、珪長質マグマが厚く流動しない結晶マッシュゾーンの上に位置すると想定している。計算の結果、九重の場合、結晶に富んだ珪長質マグマのバルク密度は苦鉄質マグマとほぼ同じであり、新たに注入された苦鉄質マグマは珪長質マグマの中に直接注入され、苦鉄質マグマのパッチを形成すると推定される。一方、阿蘇の場合、苦鉄質マグマの体積密度は結晶が少ない珪長質マグマ（密度が軽い）と下のマッシュゾーン（密度が重い）の間に位置します。この場合、新たに注入された苦鉄質マグマは珪長質マグマとマッシュゾーンの間に注入され、苦鉄質マグマの層を形成します。
九重火山と阿蘇火山の珪長質マグマの性質は他の沈み込み帯の火山でも普遍的であることから（例えばTakeuchi et al., 2021）、本研究で明らかにした珪長質マグマ溜まりへの注入深度レベルモデルは他の火山にも適用できると考えられる。一方で、苦鉄質マグマの注入深度レベルが珪長質マグマの結晶量に与える影響は現時点では明らかではないため、注入による珪長質マグマの再活性化と珪長質マグマと苦鉄質マグマの混合などのマグマ溜まり中のプロセスに関するさらなる検討が必要である。