スラブ起源流体と沈み込み帯でのマグマ生成

Size: px

Start display at page:

Download "スラブ起源流体と沈み込み帯でのマグマ生成"

あきひろだいほうじ
4 years ago
Views:

1 地学雑誌 (Chigaku Zasshi) Journal of Geography 119(6) Slab-derived Fluid and Magma Generation in Subduction Zones Hitomi NAKAMURA * and Hikaru IWAMORI * Abstract Primary arc magmas are thought to originate through interactions among subducting slab, slab-derived fluid (slab-fluid) or slab-derived melt, and mantle wedge. In most subduction zones, slab-fluid is thought to play a major role in lowering the solidus temperature of the mantle wedge, inducing partial melting to produce arc magmas. The slab-fluid is composed of an aqueous fluid derived from materials associated with the subducting slab, such as sediment and altered oceanic crust. The chemical composition of slab-fluid depends on the mobility of elements during dehydration, and affects the chemical and isotopic compositions of the fluid-added mantle wedge and arc volcanic rocks. Accordingly, geochemical analyses of arc volcanic rocks provide valuable information on slab-fluid, fluid-added mantle, and melting conditions. Examples from the Japan arcs support the validity of this approach in deciphering the composition and amount of slab-fluid, including both across-arc and along-arc variations: the amount of slab-fluid is largest in the Central Japan arc due to overlapping subduction of the two plates, while it is significantly less in the other arcs. In the Northeast Japan arc and the Izu-Bonin arcs the amount of slab-fluid decreases from the front to the rear arc. Accurate identification of slab-fluid also resolves a large-scale along-arc variation in the isotopic composition of mantle wedge, involving the Indian-type and Pacific-type MORB mantles, which contributes to an understanding of the largescale mantles flow. Key words: slab-fluid, arc magma, subduction zone, magma generation, tectonics : スラブ起源流体島弧マグマ沈み込み帯物質循環テクトニクス I Introduction: スラブ起源流体 (slab-derived fluid or slabfluid) は沈み込むプレート ( スラブ ) から脱水される流体でありおもに水と水に溶け込みやすい元素からなる流体の物理化学的特徴は沈み込む海洋プレートの構成物質である海洋堆積物や海洋地殻中の含水鉱物に保持された流体を起源としそれらが脱水する温度圧力条件および元素ごとの水への溶け込みやすさ (Mobility) の違いによって獲得されるこのスラブ起源流体は上昇してマントルウェッジに達し岩石の融点を低下させウェッジ内の比較的高温の部分で部分溶融を引き起こすと考えられている ( 例えば, Iwamori, 1998) この時スラブ流体が運搬する元素とマントルウェッジの岩石がもともと保持していた元素が合わさりメルトと残存マントル物質に分配されるしたがってメルトおよびそれらが上昇し噴出した島弧火山岩はスラブ流体の組成的特徴を記録している例えば比較的イオン * 東京工業大学大学院理工学研究科地球惑星科学専攻 * Department of Earth and Planetary Sciences, Tokyo Institute of Technology, Tokyo, , Japan 1054

2 半径の大きいいわゆる液相濃集元素は固相に比べ水溶液にもメルトにも入りやすくそれらの相対的な濃度はマントル中を上昇する過程での固相との反応や溶融の影響を受けにくいため水溶液の情報を保持するまたこれらの元素のうち原子量の大きい元素に関わる同位体比はスラブからの脱水やマントルの溶融による分別をほとんど起こさないためスラブ流体の起源物質の同定やマントルウェッジ岩石へのスラブ流体の付加量 ( 質量比 ) のトレーサーとなりうるしたがってこれらの解析を組み合わせることによって島弧火山岩の化学同位体組成から地下でのスラブ流体の起源量溶融との関係性を紐解くことが原理的には可能である本論文では最近のそのような研究成果 ( とくに Nakamura and Iwamori, 2009) に基づいてこれらの解析を概観しそこからわかりつつある知見を紹介する II スラブの構成物質である海洋地殻や堆積物中の流体は温度と圧力に従ってさまざまな含水鉱物の分解と生成を繰り返しながら保持されマントル深部へと運ばれる ( 例えば, Schmidt and Poli, 1998; Nakamura and Iwamori, 2009; 図 1) 含水鉱物の安定性が水をマントル深部へもち込むかマントルウェッジへ放出させるかを決める重要な鍵になる GPa の間では以上で安定な含水鉱物は知られていないが沈み込むスラブとその周辺は一般に比較的低温 ( 深さ数百キロメートルでも 600 以下 ) であるため多くの沈み込み帯では高含水量の緑泥石と蛇紋石が水収支に重要な役割例えばスラブからの主要な脱水位置を支配することになるスラブからマントルウェッジへ放出される流体 ( スラブ起源流体 ) の主要な深度はスラブとマントルウェッジの温度構造によって決まる ( 図 2) 例えば太平洋プレートが沈み込んでいる東北日本では km の深度でスラブ起源流体が生じる (Iwamori, 2000, 2007) 太平洋プレートとフィリピン海プレートが沈み込んでいる中部日本では太平洋プレートが形成するマントルウェッジ内部に異なる方向からフィリピン海プレートが侵入する幾何学のためにマントルウェッジが東北日本よりもさらに冷たい温度構造をもつこのためにスラブ起源流体は km の深度で発生すると予想されている (Iwamori, 2000) スラブ起源流体の化学的特徴は (1) 流体の起源物質である海洋堆積物や変質した海洋地殻の化学組成と (2) それらの物質が沈み込みに伴って脱水する際の元素の Mobility ( 温度圧力や脱水分解に関わる鉱物相に依存する ) によって獲得される地表地質帯の削剥物が海洋に流れ込む島弧や前弧域で付加帯が形成されている島弧では起源物質である堆積物の組成が異なるためスラブ起源流体の化学組成も多様化することが予想される例えば東北日本と伊豆弧では太平洋プレートが沈み込んでいるが沈み込まれる側のプレートは前者では大陸プレート後者では海洋プレートである地表削剥物が陸から海溝へ流入していると考えられる東北日本に比べ伊豆弧では堆積物の供給が少ない環境にあるこのため伊豆弧ではスラブ起源流体に対する堆積物の寄与は少ないと推定されるまたフィリピン海プレートは東北日本と同様に地表削剥物の供給があるが供給源がおもにより古い地殻物質を含む中部 ~ 西南日本であるためにその平均組成 ( とくに同位体組成 ) が異なっていると予想される沈み込まれる側のプレートの構造だけでなく沈み込むプレートの構造的特徴も重要かもしれない例えばフラクチャーゾーンやメガムリオンなど海洋プレート上の微細構造はその凹凸地形に堆積物をトラップし結果としてスラブ流体の組成に影響を与えると予想されるこうした起源物質およびプレートの構造上の違いはスラブ起源流体の化学組成だけでなく生成した火山岩の組成の違いももたらすと考えられる図 3 はこれらの予想を実際の島弧火山岩組成の微量元素組成濃度と同位体比を用いたシステマティクスのなかで解析し検討した例を示す点線で囲まれた部分は現在の (= 沈み込む前の ) 太平洋プレート上で観察される変質海洋玄武岩と海洋堆積物の組成範囲を示しているこれ 1055

3 図 1 Fig. 1 島弧マグマ発生に関与する流体プロセスの概念図 (Nakamura and Iwamori, 2009 から引用 ). 地温勾配は中部日本における太平洋スラブを想定している. 矢印は含水鉱物に保持された流体の運搬経路大きな灰色の矢印はマントルウェッジに放出されるスラブ起源流体を示す. Schematic diagram of fluid transportation and processes relevant to arc magmatism in subduction zones (Nakamura and Iwamori, 2009). The geotherm along the Pacific slab beneath Central Japan is assumed as an example. Small arrows show fluid transportation via hydrous minerals in subducting materials. Large gray arrow shows slab-fluid released from the subducting slab to the mantle wedge as a result of breakdown of serpentine. ら 2 つがスラブ起源流体の主要起源物質であるため流体の同位体組成は両者のミキシングライン上にのるはずである変質海洋玄武岩と海洋堆積物のなかの Nd/Pb 濃度比はお互いに異なるためミキシングラインは曲線となる ( この場合には上に凸の曲線 ) 太平洋スラブに由来する流体組成がこの曲線上のどこにくるかは実際の火山岩組成のトレンドから示唆される中部日本の場合フィリピン海プレートの影響がないと考えられる火山の組成は図 3 中の薄灰色の帯に沿ってプロットされその端点として太平洋プレート由来のスラブ起源流体の 207 Pb/ 204 Pb を推定することが可能である (Nakamura et al., 2008) また起源物質の組成範囲に基づいて楕円の範囲で太平洋スラブ起源流体の同位体比組成 ( および元素濃度 ) が推定できる一方地球規模で上部マントルの組成がある程度限られた範囲 ( 上部マントルを代表する中央海嶺玄武岩のソースとしての液相濃集元素や関連する同位体に枯渇した性質をもつマントル Depleted MORB Mantle ) 1056

4 図 2 Fig. 2 主要な含水鉱物の安定領域とスラブの地温勾配の関係を示す (Iwamori, 2007 の Fig. 9 から引用 ). 東北日本中部日本西南日本の各島弧における二本の線はスラブマントルウェッジの境界面とスラブ上面から 6 km ほど離れたマントルウェッジでの地温勾配を示す ( 太線は中部日本下の太平洋プレート破線は東北日本下の太平洋プレート点線は西南日本下のフィリピン海プレートを指す ). Stability fields of the major hydrous phases, and geotherms along the subducting slab-wedge interface and within the mantle wedge above the slabs, after Fig. 9 of Iwamori (2007). Of the two lines for each arc setting, one with a lower temperature is for the slab-wedge interface, and the other is for the mantle wedge above the slabs (~ 6 km from the interface): thick solid lines for the Pacific plate beneath central Japan, broken lines for the subducting Pacific plate beneath northeast Japan, dotted lines for the subducting Philippine Sea plate beneath SW Japan. に収まることが知られておりスラブ起源流体が加わるマントルウェッジの組成もこのなかに入ると考えられる ( 図 3 の楕円 ) 実際中部日本の火山岩データ ( そのうち太平洋プレートの影響のみを受けていると考えられる火山岩データ ) はスラブ起源流体と枯渇マントルのミキシングによって説明が可能である転じて各火山のマグマをもたらしたマントルウェッジ内の源岩がどのくらいの量のスラブ起源流体によって汚染されたかをこのシステマティクスから定量的に読みとることができる同様の推定方法によってフィリピン海スラブ起源の流体組成とその付加量も推定可能であり中部日本においては太平洋プレートに由来するスラブ起源流体とフィリピン海プレートに由来するスラブ起源流体が存在することまた両者の付加量や比率が空間的に変化し沈み込むスラブの形状や性質テクトニクスと密接な関係があることが明らかとなった (Nakamura and Iwamori, 2009) 同様の解析は日本列島をなす千島弧東北日本弧伊豆ボニン弧琉球弧にも適応可能であり東北日本弧や伊豆ボニン弧では実際に多くの研究例がある ( 例えば, Ishikawa and Naka mura, 1994; Taylor and Nesbitt, 1998; Shinjo et al., 2000; Moriguti et al., 2004; Kimura and Yoshida, 2006; Hanyu et al., 2006) しかし個々のモデルでは異なる仮定が用いられており沈み込む前の物質からスラブ起源流体火山岩までを系統的に扱 1057

5 図 3 火山岩マントルスラブ構成物質の同位体比の関係の例 (Nakamura and Iwamori, 2009 の Fig. 5 を一部改変 ). マントルの端成分 ( インディアンタイプ ; 太平洋タイプ ) も同時に示している. は中部日本の火山岩. 点線は太平洋スラブとフィリピン海スラブの各構成物質の組成範囲とその混合曲線. 楕円はマントルと各スラブ起源流体の各組成範囲薄灰色と濃灰色帯はそれらの組成範囲を考慮したミキシングバンドを示す. Fig. 3 Pb-Nd isotope systematics for the volcanic rocks, slab-fluids and wedge mantle in central Japan (Modified after Nakamura and Iwamori, 2009). Open circles represent to the bulk compositions of the lavas in this arc. Mantle end-components, Indian-type and Pacific-type MORB components, are also shown. The light gray and dark gray curves represent the mixing of subducting materials in the Pacific and the Philippine Sea plates, respectively. The ellipsoids and shaded bands represent the compositional uncertainties of the end-members and the mixing line, respectively. い島弧間の比較を行った研究はなかった ( 詳細は Nakamaura and Iwamori (2009) の Table 2 を参照 ) Naka mura and Iwamori (2009) は図 3 と同様の解析を千島弧東北日本弧西南日本弧伊豆ボニン弧琉球弧において行ってそれらの結果を比較した図 4 はその比較の一部を一枚の図にまとめたものであるこの図からは個々の弧の火山岩はそれぞれ特徴のある組成トレンドあるいは組成範囲を示すことしたがって島弧ごとにスラブ起源流体の組成付加量に違いがあることがわかる Nakamura and Iwamori (2009) の定量的モデルによれば流体付加量の平均値は中部日本で 2.6 wt.% 琉球弧で 0.69 wt.% 東北日本弧で 0.17 wt.% 千島と伊豆ボニン弧でともに 0.12 wt.% であるこれらの違いはスラブの沈み込み角度年齢および沈み込まれる側の地殻の厚さがおもな要因であると議論されているまた解像度は悪いものの東北日本弧に供給されるスラブ起源流体には伊豆ボニン弧のそれに比べて堆積物の寄与が大きく ( 207 Pb/ 204 Pb 比が大きく ) 前述の予想と整合的であるこれらのシステマティクスに基づけば各弧内部での火山岩の島弧横断方向の変化 (across-arc 変化 ) は以下のように解釈される図 5 は東北 1058

6 分が多いことがわかるこのデータに基づき Nakamura and Iwamori (2009) は沈み込む太平洋プレートおよびフィリピン海プレートの反流に伴ってユーラシア大陸下からインディアンタイプマントル成分が東に向かって流れだしている可能性を指摘したしたがって沈み込み帯のスラブ起源流体の解析は沈み込み帯の火成活動のみならずマントルのより大規模な流れの解析にも重要であると考えられる図 4 Fig. 4 伊豆 (IBM) 中部日本 (C Japan) 東北日本 (NE Japan) 琉球弧 (Ryukyu) の第四紀火山岩の 207 Pb/ 204 Pb- 143 Nd/ 144 Nd 図 (Nakamura and Iwamori, 2009 に基づく ). Compositions of the volcanic rocks, slab-fluids and wedge mantle in Izu-Bonin Arc (IBM), central Japan (C Japan), Northeast Japan (NE Japan), Ryukyu Arc (Ryukyu)in Pb-Nd isotope systematics after Nakamura and Iwamori (2009). 日本弧および伊豆ボニン弧におけるスラブ起源流体とマントルのミキシングラインを示しそのミキシングライン上でフロント側と背弧側の火山が区別されることを示すこの場合いずれの弧でもフロント側の火山の方がスラブ起源流体の付加量は多く背弧側の方が少ないと解釈されるスラブ起源流体の組成付加量の定量的見積りはそれが付け加わるマントルウェッジについても定量的な情報をもたらす図 3 および図 4 の Depleted MORB Mantle あるいは MANTLE とラベルされた領域は右上から左下方向に広がりをもちその端点付近にはそれぞれ Pacific-type component ( あるいは Pacific ) および Indiantype component ( あるいは Indian ) とラベルがつけられている図 4 に示す日本列島の各弧の火山岩データ分布はとくにそのマントル側 ( 図 4 の左上側 ) において違いが明瞭でありその付近では 207 Pb/ 204 Pb 比によらずにほぼ一定の 143 Nd/ 144 Nd 比を示すこのことは島弧ごとにマントルウェッジの組成が異なり琉球弧東北日本弧では比較的インディアンタイプマントルの成分が多く伊豆ボニン弧 (IBM) では太平洋タイプマントル成 III スラブ起源流体がマグマの生成に関与していることは上記の液相濃集元素とその同位体の解析捕獲岩や火山岩中の流体包有物の存在火山岩中の宇宙線起源のベリリウム 10 放射性核種の存在 (Morris and Tera, 1989) などから裏づけと定量化が進んできたしかしスラブ起源流体の移動様式 ( 例えば浸透流割れ目中の流れなど ) 沈み込み帯スケールでの温度構造など力学や温度場についての理解や制約は不十分でありまだ沈み込み帯の流体プロセス溶融火成活動の総合的理解には遠い例えばどの沈み込み帯でもほぼ普遍的かつ明瞭に存在する火山フロントがどのようなメカニズムによって形成されるのかはいまだに明らかでない従来は実験岩石学の結果に基づき含水橄欖岩の融点低下がマグマ発生に重要であるとの視点から火山フロントの位置は主要な含水鉱物の脱水分解がフロント直下で起こりそれによって支配されると考えられてきた (Tatsumi, 1986) しかし近年観測実験シミュレーション研究を統合して異なる描像が得られつつある例えば東北日本を対象とする高解像度の地震波速度構造 (Nakajima et al., 2001a, b; Kawakatsu and Watada, 2007) は沈み込むスラブおよびマントルウェッジ内の低速度領域を詳細に捉え火山フロント直下での主要な脱水分解ではなくより深部あるいは背弧側からのスラブ起源流体やマグマの上昇を示唆しているこの描像はスラブ起源流体の発生と移動および溶融を扱った数値シミュレーションの結果 (Iwamori, 1998) 1059

7 図 5 Fig. 5 東北日本および伊豆ボニン弧の火山岩マントルスラブ構成物質の同位体比の関係を示す. マントルは端成分 (Indian-type; Pacific-type) も同時に示す. は火山岩点線はスラブ構成物質の組成範囲とその混合曲線楕円はマントルとスラブ起源流体の各組成範囲灰色帯はその組成範囲を考慮したミキシングバンド斜線の四角領域はフロントの火山網目の四角領域は背弧の火山を示す. Pb-Nd isotope systematics for the volcanic rocks, slab-fluids and wedge mantle in the Northeast Japan and Izu- Bonin arcs. The shaded and meshed squares represent volcanoes in the frontal and rear arcs, respectively. Other symbols are the same as in Fig

8 とも整合的であるが流体移動様式や再現される温度場の精度には不定性も大きいまたこれらの観測やモデルではなぜ火山フロントにマグマが集中するのかは答えられていないマグマ生成の深さについても矛盾する研究結果が存在する例えば東北日本火山岩の主成分元素組成と相平衡実験に基づけばソレアイト高アルミナアルカリ玄武岩についてマントルウェッジ内で化学平衡にあった圧力が kbar と見積もられている (Tatsumi et al., 1983) 一方スラブ起源流体の組成や量を含めた微量元素組成モデリングからはいずれの玄武岩タイプにおいてもガーネット橄欖岩が安定な圧力 ( およそ 25 kbar 以上 ) における溶融が示唆されている (Nakamura, 2006; Nakamura and Iwamori, submitted) 比較的深い後者の見積もりは角閃石橄欖岩のソリダスが 25 kbar 付近にもつカスプ ( ソリダス温度の圧力に関する極小値の存在 ) とも整合的である深部ではじまった溶融がガーネットの微量元素存在度を強く規定しつつ主成分元素組成については上昇しながら再平衡化が進行し相平衡を規定するのかもしれないどのようなマグマ移動様式やマントルの流れ場温度場が一見矛盾するこれらの結果をうまく説明するのか火山フロントの形成とも関連する研究課題と考えられる IV 本論文では島弧火山岩の微量元素同位体組成からみた沈み込み帯の流体プロセスとくにスラブ起源流体の組成やマントルウェッジへの付加量についての最近の研究を概観し日本列島を形成する複数の島弧が固有の特徴をもち区別されうることを示したまた付随する結果として日本列島下での広域的なマントル組成の変化が存在することも示しマントルの大規模な流れに対応する可能性が示唆された地球化学的証拠から沈み込み帯の流体プロセス ( スラブ起源流体およびマグマ生成に関わる過程 ) についての定量的制約が進む一方流れ場や温度場の推定には不定性が大きく火山フロントの形成などを含め今後の研究と総合的理解が待たれる Hanyu, T., Tatsumi, Y., Nakai, S., Chang, Q., Miyazaki, T., Sato, K., Tani, K., Shibata, T. and Yoshida, T. (2006): Contribution of slab melting and slab dehydration to magmatism in the Northeast Japan arc for the last 25 Myr: Constraints from geochemistry. Geochemistry Geophysics Geosystems, 7, doi: /2005gc Ishikawa, T. and Nakamura, E. (1994): Origin of the slab component in arc lavas from across-arc variation of B and Pb isotopes. Nature, 370, Iwamori, H. (1998): Transportation of H 2O and melting in subduction zones. Earth and Planetary Science Letters, 160, Iwamori, H. (2000): Deep subduction of H 2O and deflection of volcanic chain towards back-arc near triple junction due to lower temperature. Earth and Planetary Science Letters, 181, Iwamori, H. (2007): Transportation of H 2O beneath the Japan arcs and its implications for global water circulation. Chemical Geology, 239, Iwamori, H. and Zhao, D. (2000): Melting and seismic structure beneath Northeast Japan arc. Geophysical Research Letters, 27, Kawakatsu, H. and Watada, S. (2007): Seismic evidence for deep-water transportation in the mantle. Science, 316, Kimura, J.-I. and Yoshida, T. (2006): Contributions of slab fluid, mantle wedge and crust to the origin of Quaternary lavas in the NE Japan arc. Journal of Petrology, 47, Moriguti, T., Shibata, T. and Nakamura, E. (2004): Lithium, Boron and Lead isotope and trace element systematics of Quaternary basaltic volcanic rocks in Northeastern Japan: Mineralogical controls on slab-derived fluid composition. Chemical Geology, 212, Morris, J. and Tera, F. (1989): Be-10 and Be-9 in mineral separates and whole rocks from volcanic arcs Implications for sediment subduction. Geochimica et Cosmochimica Acta, 53, Nakajima, J., Matsuzawa, T., Hasegawa, A. and Zhao, D. (2001a): Three-dimensional structure of Vp, Vs, and Vp/Vs beneath northeastern Japan: Implications for arc magmatism and fluids. Journal of Geophysical Research, 106, Nakajima, J., Matsuzawa, T., Hasegawa, A. and Zhao, D. (2001b): Seismic imaging of arc magma and fluids under the central part of northeastern Japan. Tectonophysics, 341, Nakamura, H. (2006): Geochemical Variation of Volcanic Rocks in Central Japan: Implication for the Fluid Processes in Subduction Zone with the Double Subducting Plates. PhD Thesis, Department of 1061

9 Earth and Planetary Science, University of Tokyo. Nakamura, H. and Iwamori, H. (2009): Contribution of slab-fluid in arc magmas beneath the Japan arcs. Gondwana Research, 16, Nakamura, H., Iwamori, H. and Kimura, J.-I. (2008): Geochemical evidence for enhanced fluid flux due to overlapping subducting plates. Nature Geoscience, 1, Schmidt, M.W. and Poli, S. (1998): Experimentally based water budgets for dehydrating slabs and consequences for arc magma generation. Earth and Planetary Science Letters, 163, Shinjo, R., Woodhead, J.D. and Hergt, J.M. (2000): Geochemical variation within the northern Ryukyu Arc: Magma source compositions and geodynamic implications. Contributions to Mineralogy and Petrology, 140, Tatsumi, Y. (1986): Formation of the volcanic front in subduction zones. Geophysical Research Letters, 13, Tatsumi, Y., Sakuyama, M., Fukuyama, H. and Kushiro, I. (1983): Generation of arc basalt magmas and thermal structure of the mantle wedge in subduction zones. Journal of Geophysical Research, 106, Taylor, R.N. and Nesbitt, R.W. (1998): Isotopic characteristics of subduction fluids in an intra-oceanic setting, Izu-Bonin Arc, Japan. Earth and Planetary Science Letters, 164, (2010 年 3 月 31 日受付 2010 年 10 月 23 日受理 ) 1062

陦ｨ邏・3

陦ｨ邏・3 研究ニュース地震波で覗いたマントル最下部まで沈んだ表面地殻の岩石質ロバートゲラー地球惑星科学専攻教授私たちの立っている地殻のもとには D" 層はマントル対流における熱境界層行った図 1 その結果他の地域で地球の全体積の 8 割を超える岩石ででありそこでは温度の不均質や組成のの D 領域構造と異なる S 波速度の構成されているマントルそしてさらに分化の可能性が示唆されており