全球的大陸衝突の出現と大規模な地殻エクロジャイト化の始まり

学術的背景

地球の地殻進化とプレートテクトニクスの進化は密接に関連しており、特に大陸地殻の組成変化はプレートテクトニクスの進化を理解するための重要な証拠を提供しています。しかし、下部地殻の組成変化、特に原生代から顕生代への移行期については、まだ多くの不確実性が残っています。原生代と顕生代の地殻組成の違い、特に下部地殻の苦鉄質地殻層の保存と消失は、プレートテクトニクスの進化を理解するための重要な問題の一つです。本研究では、全球29の造山帯の地震断面データを分析し、原生代と顕生代の地殻組成の顕著な違いを明らかにし、全球的な大陸衝突とエクロジャイト化（eclogitization）の始まりがこの変化の主な原因であることを提唱しました。

論文の出典

本論文は、Bing Xia（中国地質大学）、Irina M. Artemieva（中国地質科学院、ドイツGEOMAR海洋研究センター）、およびHans Thybo（中国地質科学院、トルコ・イスタンブール工科大学）によって共同執筆されました。論文は2024年10月18日に『Geology』誌にオンライン掲載され、DOIは10.1130/G52647.1です。

研究のプロセスと結果

1. データ収集と処理

研究チームは、全球29の造山帯の地震屈折/広角反射断面をデジタル化し、総計18,000 km以上を処理しました。これらの断面は10 kmごとにサンプリングされ、データの包括性と正確性が確保されました。研究チームはまた、品質の低い地震モデルを除外し、データの信頼性を確保しました。

2. 地殻速度構造の分析

地震P波速度（Vp）構造を分析することで、研究チームは地殻の組成とVp値を関連付けました。実験データによると、Vp値が6.8から7.4 km/sの間の地殻層は通常、苦鉄質の地殻層（SiO2含有量が44％から53％の間）です。研究チームは、原生代の造山帯では比較的厚い苦鉄質の下部地殻層が保存されているのに対し、顕生代の造山帯ではこの層がほとんど存在しないことを発見しました。

3. 地殻組成の変化

研究チームは、原生代の造山帯では下部地殻の厚さが全地殻の26％から42％を占めるのに対し、顕生代の造山帯では下部地殻の厚さが7％以下に大幅に減少していることを発見しました。この変化は、顕生代の地殻のSiO2含有量が著しく増加し、地殻全体がより珪長質（felsic）になったことを示しています。研究チームは、この変化は顕生代における全球的な大規模なエクロジャイト化によるものであると考えています。

4. エクロジャイト化の役割

エクロジャイト（eclogite）は、高圧低温条件下で形成される岩石で、その密度は通常マントルの橄欖岩よりも高くなります。研究チームは、顕生代における大陸衝突と沈み込みが大規模な下部地殻のエクロジャイト化を引き起こし、その結果、高密度のエクロジャイト体が剥離または滴下（delamination or dripping）し、最終的に苦鉄質の地殻層がマントルに大規模にリサイクルされたと提唱しました。このプロセスにより、地殻全体の密度が低下し、大陸地殻が上昇し、広大な大陸地域が形成されました。

5. プレートテクトニクスの現代的なモデル

研究チームは、エクロジャイトの形成と剥離がプレートテクトニクスの現代的なモデルの鍵となる駆動力であると考えています。エクロジャイトの形成は、高密度物質が除去されるまで大陸プレートの下方への引っ張り力を増加させ、フィードバックメカニズムを形成します。このプロセスは地殻の組成を変化させるだけでなく、大陸の上昇と広大な陸地の出現を促進し、新原生代の酸化イベントと顕生代の生命の爆発的増加を引き起こしました。

結論と意義

本論文では、全球の地震断面データを分析することで、原生代と顕生代の地殻組成の顕著な違いを明らかにし、全球的な大陸衝突とエクロジャイト化の始まりがこの変化の主な原因であることを提唱しました。この研究は、プレートテクトニクスの進化を理解するための新しい証拠を提供するだけでなく、地球史上の大陸形成と生命の爆発的増加に対する新しい解釈を提供します。

研究のハイライト

1. 全球的なデータ分析：研究チームは全球29の造山帯の地震断面を体系的に分析し、データのカバー範囲が広く、結果の信頼性が高いです。
2. エクロジャイト化の重要な役割：研究は初めて、エクロジャイト化が顕生代の地殻組成変化における重要な役割を果たしていることを提唱し、プレートテクトニクスの現代的なモデルを理解するための新しい視点を提供しました。
3. 地殻組成と生命進化の関連：研究は、地殻組成の変化と地球史上の大陸形成、酸化イベント、生命の爆発的増加との密接な関連を明らかにし、重要な科学的意義を持っています。

その他の価値ある情報

研究チームはまた、エクロジャイトの形成と剥離が地殻の組成を変化させるだけでなく、マントルの密度構造にも影響を与えることを指摘しています。顕生代の造山帯のマントル密度は原生代の造山帯よりも顕著に高く、この変化はエクロジャイトの残留物に関連している可能性があります。さらに、研究チームはエクロジャイト化プロセスの迅速性を提唱し、短期的な急速な構造イベントがエクロジャイトの形成と剥離を促進した可能性があるとしています。

本論文では、全球の地震データを体系的に分析することで、原生代と顕生代の地殻組成の顕著な違いを明らかにし、エクロジャイト化がプレートテクトニクスの現代的なモデルにおける重要な役割を果たしていることを提唱しました。この研究は、地球史上の大陸形成と生命の進化を理解するための新しい視点を提供し、重要な科学的価値を持っています。