アンデス高原中部地殻「浮動」とリソスフェア沈降の関連研究

学術的背景

アンデス高原は地球上で最も活発な造山帯の一つであり、その形成と進化プロセスは地質学者の注目の的となっています。リソスフェア沈降（lithospheric foundering）は、造山帯における地殻変形、盆地沈降、および地表隆起の重要なメカニズムの一つです。しかし、リソスフェア沈降の詳細、時間スケール、およびこのプロセスにおける地殻の具体的な役割は、まだ定量的な研究が不足しています。特に、アンデス高原中部のプナ（Puna）地域では、リソスフェアと地殻の厚さが薄いことから、リソスフェア沈降の可能性が示唆されています。Arizaro盆地は、プナ地域の典型的な盆地として、後期中新世のリソスフェア沈降の産物と考えられていますが、その地殻厚さの変化の歴史は十分に解明されていません。

本研究は、火山灰中の砕屑ジルコンの地球化学的特徴を利用した新しい手法を通じて、Arizaro盆地とその周辺のマグマ源地域の地殻厚さの変化を再構築し、リソスフェア沈降が地殻厚さと地表変形に与える影響を明らかにすることを目的としています。

論文の出典

この論文は、B. Carrapa、G. Jepson、P.G. DeCellesらによって共同執筆され、著者チームはアリゾナ大学、オクラホマ大学、ブカレスト大学、マサチューセッツ大学アマースト校など複数の研究機関に所属しています。論文は2024年10月18日にGeology誌にオンライン掲載され、タイトルは《Crustal bobbing in response to lithospheric foundering recorded by detrital proxy records from the central Andean plateau》です。

研究のプロセスと結果

1. 研究の目的と方法

本研究の主な目的は、Arizaro盆地の火山灰中の砕屑ジルコンを分析し、この地域の新生代における地殻厚さの変化を再構築することです。そのために、研究チームは以下の手法を採用しました：

• ジルコンのU-Pb年代学と微量元素分析：高分解能レーザーアブレーション-誘導結合プラズマ質量分析（LA-ICP-MS）技術を用いて、ジルコンのU-Pb年代測定と微量元素分析を行い、ジルコンの年代と地球化学的特徴を特定しました。
• Lu/Hf同位体分析：マルチコレクターLA-ICP-MS技術を用いて、ジルコンのLu/Hf同位体組成を分析し、マグマ源の特徴を特定しました。
• 地殻厚さの推定：ジルコン中のLa/Yb比とEu異常を利用し、既存の地殻厚さ推定モデルを組み合わせて、Arizaro盆地周辺地域の地殻厚さの変化を再構築しました。

2. サンプルの採取と処理

研究チームは、Arizaro盆地のVizcachera層とBatín層から10個の火山灰サンプルと1個の砕屑サンプルを採取しました。これらのサンプルの年代は約36百万年前（Ma）から11 Maまでの範囲に及びます。これらのサンプル中のジルコンを分析することで、研究チームは大量のU-Pb年代、微量元素、およびLu/Hf同位体データを取得しました。

3. データ分析と結果

• 地殻厚さの変化の歴史：研究結果によると、Arizaro盆地のマグマ源地域は約36 Ma時点で地殻厚さが約53 kmであり、この地域が早新生代にすでに著しい地殻増厚を経験していたことを示しています。約20 Maから13 Maの間に地殻厚さがさらに増加し、その後13 Ma以降に薄くなりました。この変化は、リソスフェア沈降による地殻根部の形成とその後の除去プロセスと一致しています。
• マグマ源の特徴：Lu/Hf同位体データによると、ジルコンのεHf値は大きく変動しており、マグマ源が地殻由来とマントル由来の両方の寄与を受けていることを示しています。この結果は、プナ地域の後期中新世火山岩の地球化学的特徴と一致しており、マグマ活動がリソスフェア沈降と密接に関連していることを示唆しています。

4. モデルの検証と解釈

研究チームは、数値モデルとアナログモデルを用いて彼らの発見を検証しました。モデルは、リソスフェア根部が形成されるにつれて地表が粘性応力によって沈降し、その後根部が除去されると地殻がアイソスタシー（均衡）反応によって隆起することを示しています。このプロセスは、Arizaro盆地の沈降と隆起の歴史と高い一致を示しています。

結論と意義

本研究は、砕屑ジルコンの地球化学分析を通じて、Arizaro盆地とその周辺地域の地殻厚さの変化を初めて定量的に再構築しました。研究結果は、リソスフェア沈降がこの地域の地殻厚さの変化と地表変形の主要なメカニズムであることを示しています。この発見は、アンデス高原の形成メカニズムに対する理解を深めるだけでなく、他の造山帯の研究にも新しい視点と方法を提供します。

研究のハイライト

• 新しい研究方法：本研究は、砕屑ジルコンの地球化学的特徴を利用して地殻厚さの変化を再構築する初めての試みであり、類似の研究に新しいツールを提供します。
• 重要な科学的発見：研究は、リソスフェア沈降が地殻厚さと地表変形に与える具体的な影響を明らかにし、関連分野の知識の空白を埋めました。
• 広範な応用価値：この研究は、アンデス高原の形成メカニズムを理解する上で重要なだけでなく、他の造山帯の研究にも応用可能であり、地質学における広範な応用価値を持っています。

その他の価値ある情報

研究チームは、Arizaro盆地の地殻厚さの変化が局所的なマグマ活動の違いに関連している可能性も指摘しています。今後の研究では、マグマ活動とリソスフェア沈降の具体的な関係をさらに探求し、造山帯の進化プロセスをより包括的に理解することが期待されます。

この研究は、アンデス高原の形成メカニズムを理解するための重要な科学的根拠を提供するとともに、砕屑ジルコンの地球化学分析が地質学研究において持つ大きな可能性を示しています。