地殻–マントル境界と海洋地殻の成因に関する新しいモデルを提唱

1. 発表のポイント

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これまで地殻とマントルは物質として異なるため、その境界（モホロビチッチ不連続面）は明瞭であるという「ペンローズモデル」が広く支持されてきたが、北西太平洋海域を調査した結果、予想外にもその90％以上で境界が明瞭ではないことがわかった。

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このことは、これまで定説とされたモデルでは説明できないものであり、海洋地殻とモホロビチッチ不連続面形成のプロセスについて新しい知見を示唆している。今回の調査結果を踏まえ、海洋地殻を形成する中央海嶺に海水が流入する場合、限定的に、より多くのマグマが生成して地殻が厚くなり境界は明瞭となり、海水が流入しない大部分の場合では、境界は不明瞭になる、という２つのプロセスがあるとした新しいモデルを提唱した。

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今回提唱したモデルについては、今後更なる調査や検証が必要。

2. 概要

国立研究開発法人海洋研究開発機構（理事長　大和裕幸、以下「JAMSTEC」という。）海域地震火山部門 火山地球内部研究センター 田村芳彦上席研究員（シニア）らは、地殻-マントルの境界であるモホロビチッチ不連続面（以下「モホ面」という。）と海洋地殻の成因に関する新しいモデルを提唱しました。

これまでのモホ面に関する定説では、「地殻とマントルは、それぞれの物質組成が異なることから、その境界であるモホ面で地震波の伝わる速度が大きく変化する」とされていますが、モホ面の実態は依然として不明な点が多く、長らく地質学者の議論の的になっていました。

本研究では、JAMSTECがこれまで北西太平洋の海底でおこなってきた総距離3,000kmを超える反射法地震探査（※1）及び屈折法構造探査（※2）によるモホ面での地震波の伝播に関する研究結果と、オマーン王国におけるオフィオライトの地殻-マントル境界の岩石学的研究をもとに、モホ面の実態と成因を検証しました。

その結果から、海洋地殻を形成する中央海嶺に海水が流入する場合、より多くのマグマが生成して地殻が厚くなり境界は明瞭になる一方、海水が流入しない場合、境界は不明瞭になるという海洋地殻とモホ面の関係を表す新たな成因モデルの構築に至りました。

本モデルは、地球表面で最大の面積に広がる岩石圏である海洋地殻と人類未到のモホ面の実態に迫った画期的なものですが、今回の研究成果は北西太平洋での調査とオマーンでの陸上調査から得たものですので、ここから地球という惑星がどのような内部構造となっているのかを理解するためには、更なる調査や検証が必要です。

なお本研究は、JSPS科研費JP17H02987、JP16H06347、JP16H02742、及びJP21H01195の支援を受けて行われました。

本成果は、日本地質学会の国際誌「Island Arc」に9月21日付け（日本時間）で掲載される予定です。

タイトル：

The Nature of the Moho beneath Fast-Spreading Centers: Evidence from the Pacific Plate and Oman Ophiolite

DOI：

10.1111/iar.12460

著者：

田村芳彦¹、マチュー・ロスパビ^1*、藤江剛¹、大平茜^1**、金田謙太郎²、アレキサンダー・ニコルス³、ジョージ・セルニア⁴、佐藤智紀¹、小平秀一¹、三浦誠一¹、高澤栄一^1,5

所属：

1.海洋研究開発機構、2.海上保安庁、3.ニュージーランド　カンタベリー大学、4.フランス　トルース大学、5.新潟大学、＊現在はフランスのイフレメール研究所、＊＊現在はインペックス株式会社

3. 背景

モホ面はクロアチアの地震学者アンドリア・モホロビチッチによって1909年に地震観測の過程で発見され、彼にちなんで命名された地殻とマントルの境界で、高等学校の教科書にも記載されています。海洋地殻とモホ面を表す構造モデルは「ペンローズモデル」（図１）と言われ、定説として広く知られているものですが、モホ面の実態と成因は発見当時から議論の的になっており、モホ面の生成プロセスや構成する物質に関する論争は未だ決着は着いていません。

これまで、JAMSTECは海上保安庁とともに北西太平洋において海洋調査船による総距離3,000 km以上の反射法地震探査及び屈折法構造探査を行い、太平洋プレートの海洋地殻の構造を探査してきました。また、中東のオマーン王国の北部において海洋地殻と上部マントルが陸地にのし上げてきたオフィオライトの岩石的研究をおこなってきました（2016年11月30日既報）。

今回、この地震波探査による太平洋プレートのモホ反射面の地球物理学的研究成果と、オマーンオフィオライトにおけるモホ面の地質学的研究成果を総合して、モホ面と海洋地殻のつくりかたに関する全く新しい考えを、本研究グループは提唱しました。

4. 成果

現在、定説となっている「ペンローズモデル」では、図１のような構造と推定されています。地震波は音響インピーダンス（密度×地震波速度）の差が大きい境界で反射しますので、下部地殻と最上部マントルが、ペンローズモデルのようにはんれい岩とカンラン岩（ダナイト、ハルツバージャイト）であれば、その境界であるモホ面は明瞭な地震波の反射面を形成するはずです。

現在、太平洋プレートと海洋地殻は、中央海嶺のなかでも、東太平洋海嶺において生成されています。これまでJAMSTECと海上保安庁は、北西太平洋において測線の全長が3,000 kmを越える長さの反射法地震探査と屈折法構造探査を行ってきました（図2）。その結果を詳細に分析すると、それぞれの測線においてモホ面での反射が明瞭な、強いモホ反射面がある海洋底と、モホ面での反射がほとんど見られない海洋底があること、また、モホ反射面が見えない海洋底が大部分（90%以上）を占めることがわかってきました。これは、今まで定説となっていたペンローズモデルとは相反する結果です。

さらに、同じ測線上で比較すると共通点がみえてきました。それは、強いモホ反射面を持つ海洋地殻は、そうでないものに比較して、厚く、水深も浅いということです。

図3は全長900kmの測線MTr5で中央太平洋海山群を横切る測線です。この海山群の北部と南部は同じジュラ紀の海洋底ですが、明瞭な違いが見られます。南部の海洋底は強いモホ反射面を持ち、地殻の厚さは7.5km、水深は5.6-5.7 kmあります。一方、北部の海洋底のモホ反射面は弱く、不連続で、地殻の厚さは薄く（6.5 km）、水深は深い（5.9 km）ことがわかります。

これはこの測線特有のものではなく、図2の全ての測線において、同じ測線上で比較するとモホ反射面の強い海洋地殻は厚いという傾向が見られます。

同じ測線の反射法地震探査と屈折法構造探査から見られる海洋地殻の構造に関する概略図が図4です。このことから、モホ面での反射が強い海洋地殻は、反射が弱い海洋地殻よりも厚いことが分かりました。また、アイソスタシー（※4）により、地殻の厚さが厚くなるほど水深は浅くなる関係になりますので、モホ面での反射が強い海洋底は浅いことになります。

モホ面での反射が強いということは、モホ面が明瞭な境界（地殻−マントル境界）であることを意味します。一方、反射が弱い、または全くない場合は、地殻とマントルがはっきりした境界を持たないことを意味します。

また、オマーンオフィオライトにおけるモホ面の地質学的研究での観測から、地殻とマントルの境界に厚いダナイトが存在する場合と、はんれい岩の貫入が多く見られる場合があることが分かっていますが、厚いダナイトの層は地震波を強く反射するため、モホ面での反射が強い境界を形成します。

一方、地殻とマントルの境界に多くの貫入岩が存在すると、密度と地震波速度の変化が連続的となり、モホ面での反射が弱いか、全く無くなります。

これらの結果から、研究チームでは、中央海嶺での海洋地殻の形成において、「ペンローズモデル」のような構造を生み出すプロセスと、モホ反射面が弱い海洋地殻を形成する２つのプロセスが存在することを提唱しました。また、そのためには、海洋地殻のでき方自体を見直す必要があります。

それを示す概略図が図5です。(ａ)の場合は、海洋地殻を形成する中央海嶺に海水が流入する場合で、より多くのマグマが生成して地殻が厚くなり境界は明瞭になります。また、（ｂ）のような海水が流入しない場合、地殻とマントルの境界に多くの貫入岩が生じるため、境界は不明瞭になります。

なお、（ａ）の場合において海洋地殻の厚さとモホ反射面（地殻−マントル境界の状態）の相関を説明するためには、従来全く検討されていなかった、海水のマントルへの流入という偶発的なイベントを導入する必要があります。これは、オマーンオフィオライトでの研究では、マントルへ海水を流入するような断層が見出されたこと、更には、地球内部の条件が同じ場合、厚い地殻、つまり、より多くのマグマとダナイトを同時につくるためには、海水の流入が岩石学的に不可欠である、という理由からです。

本研究成果は、これまでの海域調査とオマーンの地質調査から、地球表面で最大の面積に広がる岩石圏である海洋地殻と人類未到のモホの実態に迫った、画期的な成果です。

5. 今後の展望

本研究では、「モホ面とはなにか」という長年の問題に直接踏み込んだ議論と地球表面で最大の面積に広がる岩石圏である海洋地殻の具体的なモデルを考案しました。

モホ面と海洋地殻のでき方は一様ではないと考えられることから、今後、明確なモホ反射面をもつ海域とモホ反射面のない海域をそれぞれ選定して、更に比較検討していく必要があります。

また、両者で生成するマグマ組成も異なることから、まずは海洋地殻上部に噴出する溶岩を比較することが、新しいモデルを検証する第一歩になります。