海底堆積物がマントル深部を巡る大循環をしていたことが判明
～地球表層-マントル炭素循環の解明に向けて～

1. 概要

国立研究開発法人海洋研究開発機構（理事長　平　朝彦、以下「JAMSTEC」という。）地球内部物質循環研究分野の羽生毅主任研究員らは、南京大学のリーフイ・チェン教授らと共同で、南太平洋のピトケアン島とラロトンガ島（図1、2）から採取した火山岩の組成分析を行い、海底堆積物がマントル深部まで沈み込み、溶岩として地表へ戻るという大循環をしていることを明らかにしました。

ハワイやアイスランドをはじめとした海洋島火山(※1)は、マントル深部から上昇してきた物質が融解してできた玄武岩質マグマにより形成されています。海洋島火山のうち、ピトケアン島やラロトンガ島の玄武岩は特徴的な化学組成を示すことから、その玄武岩のマグマの源となる物質は普通のマントル物質とは異なります。その起源については世界中の研究者に着目され調べられてきましたが、いくつかの仮説が提示されるのみでよくわかっていませんでした。

本研究では、ピトケアン島とラロトンガ島から採取した海洋島玄武岩を精密測定した結果、今まで知られている海洋島玄武岩の中で最も低いマグネシウム同位体比(δ26Mg；※2)を持つことを発見しました（図3）。これは、採取した火山岩が海底堆積物に由来することを示しています。つまり、過去の海洋で生成した海底堆積物がプレートの沈み込みによりマントル深部まで運搬されて蓄積し、マントル上昇流（以下「マントルプルーム」という。) によって再び地表下まで運ばれ、それが融解することでピトケアン島やラロトンガ島の玄武岩質マグマを生成したということが言えます（図4）。

本研究は、地球表面にあった物質が数十億年続くマントル対流によって地球内部に運ばれて循環し、多様なマントル物質を形成してきたという地球進化史の描像に、新たな知見を与え、またマントルと地球表層の炭素循環の理解に近づく重要な成果です。

本研究成果は、米国科学アカデミー紀要電子版に8月13日の週（日本時間）に掲載される予定です。

タイトル：Recycled ancient ghost carbonate in the Pitcairn mantle plume
著者：X.-J. Wang1, L.-H. Chen1, A. W. Hofmann2, T. Hanyu3, H. Kawabata4, Y. Zhong1, L.-W. Xie1, J.-H. Shi1, T. Miyazaki3, Y. Hirahara5, T. Takahashi5, R. Senda5, Q. Chang3, B. S. Vaglarov3, J.-I. Kimura3
1. 南京大学、2. マックスプランク研究所 3. JAMSTEC地球内部物質循環研究分野、4. 高知大学、5.研究当時JAMSTEC所属

２．背景

海洋島火山の玄武岩質マグマの源は、マントル対流によりマントル深部から上昇してきたマントルプルームと考えられています。マントル深部の物質を直接採取して研究することはできませんが、マントルプルームに由来する海洋島玄武岩を研究することにより、マントル深部がどのような岩石でできているのか、マントル深部はどのような物質的進化を経てきたのかを調べることができます。

世界中の海洋島玄武岩の同位体組成を調べると、大洋中央海嶺玄武岩に代表されるマントル物質の組成とは明瞭に異なるものが存在します。これは、マントル深部には普通のマントルとは異なる物質が存在することを意味し、固体地球の物質的進化を反映するものと考えられてきました。マントル深部は、地球が誕生した時から変化せず残っている物質の他に、後から作られた3つのタイプの物質で構成されるとされていますが、そのうちの一つにEM1（※3）と呼ばれる物質があります。従来から用いられてきた化学指標である鉛、ストロンチウム、ネオジム等の同位体組成から、EM1は20～30億年前に沈み込んだ海底堆積物、大陸下マントル物質、下部海洋地殻等の仮説が提示されてきました。しかし、どの仮説が正しいのかを示す決め手となる証拠は見つかっていませんでした。

本研究では、近年になって堆積物の研究に用いられるようになってきたマグネシウム同位体に着目し、EM1の同位体組成を持つ南太平洋のピトケアン島とラロトンガ島から採取された火山岩を用いて、マグネシウム同位体比（δ26Mg）を測定しマグマ源の特定を試みました。

３．成果

測定の結果、これらの海洋島玄武岩は普通のマントル物質由来の大洋中央海嶺玄武岩と比較してδ26Mgが低く、またこれまで測定された海洋島玄武岩の中でも最も低いδ26Mgを持つことを発見しました。また、鉛、ストロンチウム、ネオジム等の同位体比とδ26Mgには相関があり、低いδ26MgはEM1に固有なものであることが示されました。

このような低いδ26Mgを持つ天然の物質は、堆積物の中でも炭酸塩のみであることが知られています。以上から、EM１の起源は過去に沈み込んだ炭酸塩を含む堆積物であることを明らかにしました。

ただし、ピトケアン島とラロトンガ島の玄武岩は他の海洋島玄武岩に比べてカルシウムの含有量が低くなっています。炭酸塩はカルシウムに富んでいるので、EM１の起源が炭酸塩を含んだ堆積物と考えると、一見矛盾します。これは、沈み込むプレートに乗った堆積物がそのままの形でマントルへ運ばれているわけではないことを示しています。20～30億年前のマントルは現在よりも熱く、沈み込むプレートに乗った堆積物は高温のために分解しやすくなります。この分解反応により脱炭酸化が起こり、残存した堆積物成分が低いδ26Mgを保持したままマントルへ運ばれたと考えられます。

４．今後の展望

本研究では、マントルに存在する物質のうちEM１と呼ばれるタイプの成因に海底堆積物由来の炭酸塩が関与していることを明らかにしました。また、マントル深部を構成する別のタイプであるHIMUと呼ばれる物質には、海底熱水変質で海洋地殻の中に生成された炭酸塩が関与していることを以前の研究から明らかにしています（2016/09/06既報）。これらの炭酸塩は海水に含まれていた炭素が元となっており、マントルの進化に地球表層起源の炭素が重要な役割を担っていることを示唆しています。昨今の地球温暖化の原因として、地球表層の二酸化炭素を含む揮発性成分の挙動が注目されていますが、一方長期的な時間スケールで見ると揮発性成分は地球表層とマントルの間で循環し、マントルが表層環境に影響を及ぼしてきた可能性があります。例えば、白亜紀にはマントルプルームの活動が活発であった結果としてマントルから大気へ二酸化炭素濃度が放出され、そのため現在よりも温暖であったと考えられています。今後は炭素（二酸化炭素）のみならず、水素（水）や塩素等の揮発性成分にも着目し、固体地球と地球表層の物質的な関わりを明らかにしていく必要があります。