“軽石大噴出”の福徳岡ノ場…100万分の1mmの結晶で迫る、噴火メカニズムの謎 ～ナノスケールで迫る海底火山

吉田 健太

海洋研究開発機構（JAMSTEC）
海域地震火山部門 火山・地球内部研究センター 副主任研究員
大阪生まれ、香川・岡山育ち。岡山県立岡山朝日高校卒。京都大学大学院理学研究科博士課程修了（博士（理学））。大阪市立大学特任講師を経て2016年からJAMSTECに勤務。
プレートの沈み込みで出来た鉱物の中には「水」が閉じ込められていて、そんな「水」のなかで泡がピョコピョコ動くのが面白くて地球科学の研究に取り組み始めた。最近では福徳岡ノ場や西之島など海の火山の研究にも着手している。岩石を光が透けるくらいまで薄く削って、顕微鏡で覗くのが好き。

爆発的な噴火に軽石被害――福徳岡ノ場はどんな海底火山？

福徳岡ノ場が注目を浴びたのは、冒頭でも紹介した2021年8月13日から15日にかけての爆発的な噴火だ。水蒸気を主とした噴煙が高さ約16kmまで上がり、その時に噴出した大量の軽石は、沖縄をはじめ太平洋側の各地に漂着した。海面に浮かぶ軽石のせいで船が航行できなくなったり、砂浜に大量の軽石が打ち寄せられたりするなどの被害も発生した。軽石は海流に乗って日本海側にまで到達している。（この噴火で一時的に島もできたが、軽石は脆いため波で破砕され、4ヵ月ほどでなくなってしまった。現在は海面に火山ガスによる白い泡がみられる）

今、この火山に注目し、噴火の謎に迫ろうという興味深い研究が進められている。この最新研究を紹介するにあたり、まずは改めて福徳岡ノ場とは何なのか、概観してみよう。
福徳岡ノ場は、東京から南へ約1300kmの位置にある海底火山で、小笠原諸島の母島よりさらに250kmも遠い。海底に16km×10kmの楕円形状の「北福徳カルデラ」があるが、その中央付近に位置する小さな火山で、山頂部でも水深25〜30mに位置するため、海上からその全体像を確認することはできない。
また、印象的な名称だが、福徳丸という漁船が発見した「岡ノ場」（水深の浅い漁場に付けられる名前）という由来であるようだ。 そして、その活動履歴が実に興味深い。海底火山は観測記録が少ないものが多いが、福徳岡ノ場は、これほど遠くにあるにもかかわらず、明治時代からの記録が比較的多く残っている。それらの記録によると、10〜20年のスパンで軽石や泡（火山ガス）などの噴出物が確認され、1986年にも大量の軽石噴出をともなう大規模な噴火が起きている。

福徳岡ノ場の研究、なぜ重要？

次に、福徳岡ノ場と他の海域火山との位置関係を見ていこう。

地図で東京湾から南に、伊豆大島〜八丈島〜小笠原とたどっていくと、これらの島々はほぼ一直線に並んでいる。そして福徳岡ノ場があるのも、その延長線上だ。

島がこのように一直線に並ぶのには理由がある。

プレートが別のプレートの下に沈み込むところには、「火山島」や「海底火山」がプレート境界に並行するように列状に形成される。これらは「火山フロント」や「火山弧」と呼ばれる。先に挙げた島々がなす「伊豆・小笠原弧」は、太平洋プレートがフィリピン海プレートの下に沈み込む境界にできた火山弧で、福徳岡ノ場はその南端にあたると同時に、その先のグアム・サイパンなどのマリアナ弧との境界に位置している。

では、そんな福徳岡ノ場に研究者はなぜ注目しているのだろうか。

「福徳岡ノ場はマグマの化学組成を見ると他の小笠原の火山とは異なる性質を持っており、また、巨大なカルデラを持つ火山であることが知られていました。そのような火山の成り立ちを詳細に調べることで、伊豆・小笠原弧に複数存在する巨大なカルデラ火山の形成が、今後も起こりうることなのか。そしてそのようなカルデラ形成噴火が起きた時に日本列島にどのような影響があるのかを考えることができるようになります」（吉田さん）

軽石が教えてくれる？ 「爆発的噴火」のナゾ

吉田さんは2021年10月、沖縄に漂流・漂着した軽石などを採取し、その分析を行った。普段から岩石に含まれる鉱物を詳細に分析している自身の強みをいかし、漂流している軽石から「爆発的な噴火」の謎に迫ろうと考えたのだ。

そして、分析した噴出物には“ある特徴”が見られた。

穴が多くスカスカの（多孔質の）岩石は、白〜灰色のものは「軽石」と呼ばれ、黒いものは「スコリア」と呼ばれることが多い。福徳岡ノ場の噴出物の多くは明るい灰色の軽石だが、黒い軽石や、灰色と黒の部分が混在するものが見つかったのだ。

吉田さんは、この軽石の灰色と黒の「色の違い」に注目し、分析を行った。軽石を切断して、薄く削って薄片にし、光学顕微鏡でマイクロメートル（1マイクロメートルは1000分の1mm）のスケールで見てみると、軽石の灰色の部分は無色のガラス質、黒い部分は茶色のガラス質であることがわかった。

この色の違いは何によるのだろうか、と疑問に思った吉田さんは、透過電子顕微鏡を使い、さらに小さなナノメートル(1ナノメートルは100万分の1mm)のスケールで観察。すると、軽石の黒い部分＝茶色のガラス質の部分には磁鉄鉱や黒雲母の微小結晶「ナノライト」が含まれていることがわかった。 「ナノライトがマグマの中で形成されて、マグマの粘性が高くなり、福徳岡ノ場は爆発的な噴火を起こしたのではないか、と考えました。ナノライトができるとマグマの粘性が高くなるのは、水よりコーンスープのほうがドロっとしているのと似たようなもので、液体であっても微小な粒（固体）が大量に浮かんでいると、マグマ全体として粘性が上がるからです」

爆発的噴火のシナリオに迫る「新研究」

さらに、吉田さんは「色の違い」だけでなく、サンプル中の「灰色と黒色の境界面」にも注目。この境界面と「ナノライト」の情報を組み合わせると、爆発的な噴火を起こした、より具体的なシナリオが描けるというのだ。一体どういうことなのだろうか。順を追って見ていこう。

（1）境界面の謎
まず、吉田さんが注目した「境界面」だが、具体的には、軽石の黒い部分（茶色ガラス質）と灰色部分（透明ガラス質）の境界がはっきり分かれ、両者が混ざっていないという特徴に注目した。両者は光学顕微鏡で見ても、透過電子顕微鏡で見ても、はっきりと分かれていたのだ。

両者のガラスはもともと液体状のマグマだったわけだが、その境界面がはっきりと分かれて見える理由としては、2つの元になるマグマがくっついて即座に冷えて固まったということが考えられる。

（2）「ナノライト」はなぜできた？
次に「ナノライト」がどのようにしてできたかをおさえておこう。
磁鉄鉱の組成を化学式で書くと、四酸化三鉄Fe₃O₄だ。ただし、この中にはFe²⁺と、より酸化されたFe³⁺が混在している。軽石の磁鉄鉱ナノライトを含む黒い部分と、含まない灰色の部分を放射光分析という手法で詳しく分析したところ、軽石の黒い部分には灰色部分と比べてFe³⁺が多いことがわかった。
吉田さんはこの理由を、マグマの中の水と関連づけて、次のように考えた。
「軽石の黒い部分に見られる黒雲母は結晶中に水を含みます。また、放射光分析の結果、黒い部分では鉄がより酸化されている、つまりFe³⁺になっていることがわかりました。これらの観察から、マグマだまりの中に酸化的な水（他のものを酸化させる性質をもった水）が入ってきたことがナノライトの形成と関係するのではないか、と考えました。
福徳岡ノ場の地下にあるマグマだまりに、マントルから高温のマグマが上がってきます。そのマグマの中には酸化的な水が含まれていました。マグマだまりの最下部のマグマは、その水に接します。すると、そこでFe³⁺が多くなります。その結果、Fe³⁺を結晶中に含む磁鉄鉱が形成されやすくなり、磁鉄鉱ナノライトができます。このナノライトを含むマグマが冷えて固まると、軽石の黒い部分になります」

（3）爆発的な噴火のシナリオ
このことから、吉田さんは次のように噴火のシナリオを描いた。
「マグマの中にはもともと水やCO₂などの火山ガスの成分も含まれています。マグマが深いところにあって高圧状態のときには、火山ガス成分はマグマの中に溶け込んでいて出てこられませんが、マグマが上昇するのにともなって、マグマにかかる圧力は小さくなるので、ガス成分がマグマの中に溶けていられなくなり、ガスが膨張しながら抜け出てきます。炭酸水のペットボトルを開けた時に、ボトル内の圧力が下がって、水に溶けていた二酸化炭素が出てくるのと同じ原理です。ただし、このマグマの発泡が起こるためには、泡ができる核になるものが必要です。ナノライトは、マグマの粘性を高めるとともに、泡の核の役割も果たすことが、最近の研究でわかっています。
ナノライトができた後、マグマだまりの中では次のようなことが起こったと考えられます。

(1)ナノライトを核として火山ガスの泡ができた部分（軽石の黒い部分のもとになったマグマ）は、周囲のマグマより密度が小さくなるので、上昇を始めます。
(2)上昇に伴う減圧によって、火山ガスはさらに膨張し、黒いマグマは密度がより小さくなります。すると、さらに上に浮いてきて、マグマだまりの中で対流が起きます（下にあるものが上に上がると、代わりに上にあったものが下に押しのけられるので、対流が起きる）。
(3)対流によってマグマだまりが活性化します。ナノライトを擁し発泡した黒いマグマと、それ以外の部分（軽石の灰色部分のもとになったマグマ）の2種類のマグマが、混じりきらないまま噴火につながった、と考えました」

ここまで「漂流・漂着した軽石」の分析で福徳岡ノ場の噴火の謎に迫る最新研究を紹介してきた。そして、遠くに流れてきた軽石からでも多くの手がかりが得られるが、やはり自ら現地に行って調べてみたい、と考えるのが研究者というものだ。後編『3.7km以内に近づけない…！ 海底火山「福徳岡ノ場」調査のウラ側と、見えてきた最新“噴火研究”の「中身」』では、海の研究の醍醐味である現地周辺での航海調査、そしてそこから得られた試料から見えてきた「新たな研究成果」についてお届けしたい。

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