話題の研究 謎解き解説
伊豆・小笠原弧の海底下で、高温のアセノスフェアの流入を確認！
日本海の成因解明に大きな前進！
【目次】
▶ 日本海ができたのは、なぜ？
▶ 青ヶ島リフト、明神リフト、スミスリフトの海底は、現在拡大中
▶ ドレッジャーで、玄武岩を採取
▶ 従来の考えでは説明がつかないジルコニウム量を含んだ玄武岩を発見
▶ 研究が楽しくて仕方ない！
従来の考えでは説明がつかないジルコニウム量を含んだ玄武岩を発見
分析はいかがでしたか。
まず化学組成の分析から、ジルコニウム（Zr）を多く含んだ玄武岩（高Zr玄武岩）と、ジルコニウムに乏しい玄武岩（低Zr玄武岩）の2種類があるとわかりました（図6）。ジルコニウムは通常玄武岩にある程度含まれている元素ですが、量に差のある2種類がこの地域に存在するとわかったのは初めてです。中でも高Zr玄武岩（写真3）は、スミスリフトにしかありませんでした。
図6 海域図
写真3 スミスリフトの北部で採取した高Zr玄武岩
なぜ、ジルコニウムの量に差があったのでしょうか。
従来は、玄武岩中のジルコニウム量の違いは、その源であるマントルの溶け具合によると考えられていました。マントルが少し溶けてできたマグマからの玄武岩はジルコニウムが多く、反対にマントルが多く溶けてできたマグマからの玄武岩はジルコニウムが少ないことが知られています。
ところが今回の高Zr玄武岩のジルコニウム量は、ほかの様々な分析結果を鑑みても、マントルの溶け具合だけではどうしても説明ができませんでした。
いったいどういうことでしょうか。
考えられたのはスラブの影響です。そこで、スラブ由来の物質がどれだけマグマに入り込んでいるのか知るために、プレートの沈み込みがない中央海嶺の玄武岩と、高Zr玄武岩、低Zr玄武岩に含まれるそれぞれの微量成分を比較しました。
その結果、低Zr玄武岩のジルコニウムはマントル由来のみ、高Zr玄武岩のジルコニウムはマントル由来とスラブ由来両方を含んでいる可能性が考えられました（図7）。
図7 2種類の玄武岩のジルコニウム量の差を作っているのは、スラブ？
しかしながら、スラブからジルコニウムが溶け出るには、スラブが通常よりも高い900℃以上であることが必要です。
高Zr玄武岩にはスラブ由来のジルコニウムを含む可能性があるけれど、ジルコニウムがスラブから溶け出るには900℃以上が必須なのですね。
その通りです。「高温アセノスフェアによる影響がこの高Zr玄武岩に出ているかもしれない」、そう考えました。そこで、本当にスラブからジルコニウムが溶け出ているのかを確かめるために、ネオジム（Nd）とハフニウム（Hｆ）の同位体比の割合を分析しました。ネオジムは銀白色の金属、ハフニウムはジルコニウムと化学的性質が似た金属です。Nd：Hfの同位体の割合は物質によって変わり、先行研究からスラブ由来の水とマントルの値はわかっています（図8）。
図8 Nd：Hfの同位体の割合
スラブ由来の水でマントルが溶けてできたマグマから玄武岩ができるので、玄武岩のNd：Hfの同位体の割合はスラブ由来の水とマントルの間に入ることになります。このとき、スラブ由来の水にジルコニウムが溶け出ているか否かで、玄武岩のNd：Hfの同位体の割合の傾向が分かれます。ですからスラブ由来の水にジルコニウムが含まれる場合、つまり「スラブが高温の場合」と、スラブ由来の水にジルコニウムが含まれない場合、つまり「スラブが低温の場合」で、Nd：Hfの同位体の割合がどのように変化するのかを推定しました（図9）。
図9 玄武岩のNd：Hfの同位体の割合の推定値
今回採った2種類の玄武岩は、どのような値でしたか？
低Zr玄武岩はスラブが低温の場合の青線付近に、高Zr玄武岩はスラブが高温の場合の赤線付近に集まりました（図10）。
図10 Nd：Hfの同位体の割合の実験結果
ということは…？
やはり高Zr玄武岩には、スラブから高温で溶け出たジルコニウムが含まれていると、Nd：Hf同位体の割合からも示されたのです。
さらに地震波速度構造で一帯の海底下構造を調べたところ、高Zr玄武岩がとれたスミスリフトの下では地震波速度が遅くなっていました（図11）。地震波速度が遅いことは、高温場や液体があることを意味します。
図11 海底下の地震波速度構造。赤い部分が地震波の遅いところで、高温部分を意味する。
一連の結果から、この地震波速度の遅い部分は高温のアセノスフェアであると考えられました。つまりスミスリフトの下では熱いマントル、アセノスフェアが流入している、スラブが溶けていることがわかりました（図12）。
図12 スミスリフトの下に流入する高温のアセノスフェアのイメージ
高温アセノスフェア流入を、ついに見つけたのですね！この成果は日本海のどのような理解につながっていくのでしょうか。
今回の結果は高温アセノスフェアの存在でスラブが溶けていることを突き止めたものの、これだけで日本海の全容解明になるわけではありません。しかし、高温アセノスフェアの流入が背弧海盆の成因に寄与する、ということは言えるようになりました。日本海を始め背弧海盆は世界中にあります。それらの成因を考える時に、本成果が重要な材料になると考えています。
