南太平洋の海嶺近くの海山鎖の成因研究

学術的背景

海洋中の海山鎖（seamount chains）は長い間、マントルプルーム（mantle plume）活動の産物と考えられてきました。例えば、有名なハワイ-天皇海山鎖がその一例です。しかし、太平洋のほとんどの海山は年齢進行の特徴を示さず、体積も小さいため、これらがマントルプルームによって形成されたものではない可能性が指摘されています。近年の研究によると、太平洋のプレート内火山活動のうち、マントルプルームに関連するものはわずか約18%に過ぎません。そのため、科学者たちはこれらの非マントルプルーム成因の海山鎖の形成を説明するための他のメカニズムを探求し始めています。

南太平洋のPukapuka海山鎖（Pukapuka Ridge, PPR）は、典型的な海嶺近くの海山鎖であり、その形成メカニズムはまだ完全には解明されていません。この海山鎖は南太平洋スーパースウェル（South Pacific Superswell, SPS）に位置し、Tuamotu高原の北部から東太平洋海嶺（East Pacific Rise, EPR）まで約3000キロメートルにわたって延びています。Pukapuka海山鎖の火山活動の年代は約2750万年前から560万年前までさまざまであり、年齢進行は線形ではないため、固定されたマントルプルームによって形成されたものではないことが示唆されています。したがって、Pukapuka海山鎖の成因を研究することは、非マントルプルーム海山鎖の形成メカニズムを理解する上で重要な意義を持ちます。

論文の出典

この論文は、Pengyuan Guo、Fangyu Shen、Dongyong Liら、中国科学院海洋研究所、青島海洋科学技術試験国家実験室、中国海洋大学などの機関に所属する科学者たちによって共同執筆されました。論文は2024年10月3日にGeology誌にオンライン掲載され、タイトルは『Ridgeward flow of compositionally heterogeneous mantle produces near-ridge seamount chains in the South Pacific』です。この研究は、中国国家自然科学基金と山東省科学技術庁の資金提供を受けて行われました。

研究のプロセスと結果

研究のプロセス

1. サンプルの収集と分析
   研究チームは、Pukapuka海山鎖と東太平洋海嶺（EPR）13°S–23°Sセグメントの玄武岩サンプルを詳細に地球化学分析しました。サンプルには、Pukapuka海山鎖から採取された9つの玄武岩サンプルと、EPRから採取された29つの中央海嶺玄武岩（MORB）サンプルが含まれます。さらに、Garrett変換断層（GTF）から採取された7つの玄武岩サンプルも分析されました。

2. 地球化学分析
   研究チームは、サンプルの主要元素、微量元素、Sr-Nd-Pb-Hf放射性同位体、およびFe安定同位体の分析を行いました。Fe同位体分析はこの研究のハイライトの一つであり、Feはマントル鉱物（例えば、カンラン石、単斜輝石、斜方輝石）の主要元素であり、主要な融解過程での同位体分別が限られているため、Fe同位体の変化は異なるマントル岩性の寄与を反映することができます。

3. データ処理とモデル構築
   研究チームは、Pukapuka海山鎖とEPR玄武岩の地球化学データを比較し、Pukapuka海山鎖の形成メカニズムを説明するマントル流動モデルを構築しました。このモデルは、マントル中に成分不均一な物質が存在し、これらの物質が海嶺の吸引力（ridge suction）によって海嶺に向かって流動し、流動過程中に減圧融解を起こして海山鎖を形成するという仮説に基づいています。

主な結果

1. Pukapuka海山鎖の地球化学的変化
   研究によると、Pukapuka海山鎖の玄武岩サンプルは、東太平洋海嶺軸から西に向かって、サンプルの濃集成分が徐々に減少するという顕著な地球化学的変化を示しました。この空間的変化は、マントル中の成分不均一な物質が海嶺に向かって流動する過程中に減圧融解を起こした結果と解釈されました。

2. Fe同位体の変化
   Pukapuka海山鎖の玄武岩サンプルは、高いδ56Fe値（+0.14‰から+0.26‰）を示し、EPRのMORBサンプルとGTFの玄武岩サンプルのδ56Fe値（+0.05‰から+0.16‰）よりも高くなりました。このFe同位体の変化は、マントル中に成分不均一な物質が存在し、これらの物質が流動過程中に徐々に消費されることをさらに支持しています。

3. マントル流動モデル
   研究チームは、Pukapuka海山鎖の形成メカニズムを説明するマントル流動モデルを提案しました。このモデルでは、マントル中に低融点の濃集物質（例えば、交代成因の輝石岩）と難融性のカンラン岩マトリックスが存在すると仮定しています。海嶺から遠い場所では、濃集物質が厚いリソスフェアの下で優先的に融解し、濃集した溶融体を形成します。マントル物質が海嶺に向かって流動するにつれて、残りの難融性物質は薄いリソスフェアの下でさらに融解し、徐々に貧化した溶融体を形成します。このプロセスが、Pukapuka海山鎖玄武岩の地球化学的変化を引き起こしました。

結論と意義

1. 科学的価値
   この研究は、詳細な地球化学分析を通じて初めてPukapuka海山鎖の形成メカニズムを明らかにし、非マントルプルーム海山鎖の成因を説明するマントル流動モデルを提案しました。この発見は、海嶺近くの海山鎖の形成メカニズムに対する理解を深めるだけでなく、太平洋に広く分布する非マントルプルーム海山鎖を説明するための新しい視点を提供します。

2. 応用的価値
   この研究の結果は、マントルダイナミクス、プレートテクトニクス、および海嶺近くの火山活動を理解する上で重要な意義を持ちます。さらに、この研究は将来の海洋地質探査に新しい地球化学的指標を提供し、特にFe同位体の応用は、マントル中の異なる岩性を識別するための新しいツールを提供します。

研究のハイライト

1. 新しい地球化学的分析手法
   この研究は、Fe同位体分析を海嶺近くの海山鎖研究に初めて適用し、Fe同位体がマントル岩性を識別する上での潜在能力を明らかにしました。

2. 革新的なマントル流動モデル
   研究チームが提案したマントル流動モデルは、Pukapuka海山鎖の形成メカニズムを説明するだけでなく、他の非マントルプルーム海山鎖の成因を説明するための新しい理論的枠組みを提供します。

3. 重要な科学的発見
   この研究は、マントル中の成分不均一な物質が海嶺の吸引力の下で流動し融解するプロセスを明らかにし、海嶺近くの火山活動を理解するための新しい視点を提供しました。

まとめ

この研究は、詳細な地球化学分析と革新的なマントル流動モデルを通じて、南太平洋のPukapuka海山鎖の形成メカニズムを明らかにし、非マントルプルーム海山鎖の成因を説明する新しい視点を提供しました。この研究は、重要な科学的価値を持つだけでなく、将来の海洋地質探査に新しい地球化学的指標を提供します。