Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

希ガス / ハロゲン / 水 / マントル / 沈み込み / 質量分析 / 物質循環 / 流体包有物 / メルト包有物 / 同位体

本研究は、地球表層を構成する海洋プレートがマントルへと沈み込んでいく際に、プレート中のどのような物質がマントルへと水やハロゲン・希ガスといった揮発性の高い物質を持ち込んでいるかを明らかにするために、火山活動によって地表にもたらされたマントル物質であるかんらん岩や、上昇するマグマ中で早期に晶出して深部のマグマの情報を残しているかんらん石の斑晶について、中性子照射と超高感度希ガス質量分析計を用いた希ガス・ハロゲン分析を行った。その結果沈み込み帯直下のマントルには、大気（海水）由来の希ガスや、深海底堆積物中の間隙水や海洋地殻に由来するハロゲンが注入されていることが明らかになった。

日本に代表される沈み込み帯における活発な火山活動の源であるマグマは、直下のマントルに沈み込んだ海洋プレートから放出される、水をはじめとした揮発性成分がマントルの融点を下げたために生じることは分かっていたが、具体的にプレート中の何が水を運んでいるかは、天然試料の分析からは明らかになっていなかった。本研究は希ガスとハロゲンを手がかりに、沈み込むプレート中に形成した蛇紋石や、深海底堆積物と海洋地殻中の含水鉱物が水の運び手であることを明らかにし、また火山活動に伴い希ガスが水とともに地表へと戻っている一方で、ハロゲンの一部は水を失ったプレートとともに、より深部のマントルに沈み込んでいる可能性を示した。

ハロゲン / 希ガス / 水 / 沈み込み / マントル / スラブ流体 / 質量分析 / 中性子照射

原子炉を用いた中性子照射による同位体変換と、超高感度希ガス質量分析を組み合わせて、沈み込み帯のマントルかんらん岩、大陸下マントルかんらん岩、過去に沈み込んだスラブ物質、そしてダイヤモンドについて、希ガスとハロゲン及びその他の元素（Ca、K、Ba、U）の多元素同時分析を行った。その結果をもとに、沈み込む直前のプレートの屈曲に伴う、堆積物中間隙水のマントル最上部への侵入と蛇紋石形成が重要な役割を果たしているとする、新たな水の沈み込みモデルを提案した。またプレートの沈み込みの影響が現在は及んでいない大陸下マントルにも、かつて沈み込んだハロゲンや希ガスの影響が残されていることを示した。

ハロゲン / 希ガス / 沈み込み / スラブ流体 / 質量分析 / 中性子照射 / マントル / 水 / 顕微分光分析 / レーザーICP質量分析 / 顕微ラマン分光

中性子照射による核変換と超高感度希ガス質量分析技術を応用した、極微量ハロゲンと希ガスの多元素同時分析手法を開発し、沈み込み帯のマントルかんらん岩、過去に沈み込んだスラブ物質、そして変質した海洋地殻と堆積物を分析した。沈み込み帯のマントルかんらん岩捕獲岩には、四国・三波川帯のマントルかんらん岩や蛇紋岩と同様にヨウ素に富む、堆積物中の間隙水とよく似たハロゲンと希ガスが含まれていた。三波川帯のエクロジャイトや変泥質岩にはこれらに加え、変質した海洋地殻に特徴的な、塩素に富むハロゲン成分も含まれていた。これらは沈み込んだハロゲンと希ガスの影響が、マントルウェッジの広範に及んでいることを示している。

希ガス同位体 / マントルウエッジ / 沈み込み / 質量分析

本年度の目標は、(1)希ガス質量分析計の高感度化と、(2)水を含むマントル物質の採取・分析試料の調整および放射化であった。幸い、名古屋大学の水上知之博士から、過去に水を含むマントル物質であった四国・東赤石カンラン岩体の試料を提供していただき、試料採取にかける時間と経費を節約できた。この試料には、マントルウエッジにおける水の痕跡である蛇紋石の他、カンラン岩体上昇時に形成された蛇紋石や、地表における風化作用により形成された蛇紋石が含まれている。そこでマントル起源の蛇紋石が、新鮮なカンラン石斑晶に取り込まれている点に着目し、まず試料を加熱して蛇紋石を分解することで、カンラン石外部の蛇紋石から希ガスを抽出し、次いで試料を破砕することで、カンラン石というカプセルに保持されていた、マントル起源の蛇紋石に由来する希ガスを選択的に抽出した。また東赤石岩体の上昇年代が約1億年前と古いため、この間に生じた放射壊変起源希ガスの量を知る必要があった。このため試料を日本原子力研究所の大洗材料試験炉で放射化し、^<40>Ar-^<39>Ar年代測定の手法を応用して、放射壊変起源希ガスの量を見積もった。このようにして、マントルウエッジで水とともにカンラン石に取り込まれた希ガスの同位体組成を決定できた。プレートの沈み込みに伴いマントルウエッジに供給される希ガスの同位体組成は、海洋地殻や堆積物に含まれる希ガスから推定されてきたが、実際のマントル物質を用いてその同位体組成を明らかにしたのは本研究が始めてである。国際会議における発表への反響も大きく、現在投稿論文を準備中である。
希ガス質量分析計の高感度化については、イオンビームを観察してイオン源を調整するための、マルチチャンネルプレートを備えた真空チャンバーを設計・製作した。しかし現在用いている四重極レンズ式イオン源が比較的高感度な状態で安定して使用できていることから、更なる改造は見合わせている。

【研究分担者】
水上知行	金沢大学	自然システム学系	助教	(Kakenデータベース)
WALLIS R・Simon	名古屋大学	環境学研究科	教授	(Kakenデータベース)
鍵裕之	東京大学	理学(系)研究科(研究院)	教授	(Kakenデータベース)
石丸聡子	熊本大学	自然科学研究科	助教	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
水上知行	金沢大学	自然システム学系	助教	(Kakenデータベース)
ウオリスリチヤードサイモン (WALLIS R.Simon	WALLIS R・Simon)	名古屋大学	環境学研究科	教授	(Kakenデータベース)
鍵裕之	東京大学	大学院理学系研究科	教授	(Kakenデータベース)