交代性

メタソマティズム（ギリシャ語の μετά metá「変化」と σῶμα soma「体」に由来）は、熱水やその他の流体による岩石の化学的変化です。^[1]伝統的には、揮発性成分を除いた化学組成の変化を伴う変成作用として定義されています。^[2]メタソマティズムとは、ある岩石が異なる鉱物学的および化学的組成を持つ別の岩石に置き換わることです。岩石を構成する鉱物は溶解し、新しい鉱物層がその場所に堆積します。溶解と堆積は同時に起こり、岩石は固体のままです。

メタソマティズムの同義語はメタソマトーシス^[3] とメタソマティックプロセスである。メタソマトーゼという言葉は、メタソマティズムの特定の変種（例えば、Mg-メタソマトーゼやNa-メタソマトーゼ）の名前として使用されることがある。^[4]

交代作用は、火成岩または変成岩 の熱水作用によって発生することがあります。

火成岩環境では、交代作用によってスカルンやグライゼンが生成され、貫入岩盤に隣接する接触変成帯のホルンフェルスに影響を及ぼす可能性があります。変成環境では、変成作用は、変成熱水溶液が溶媒として機能し、高応力および高温度の変成岩の体積から低応力および低温度の領域への物質移動によって引き起こされます。これは、含水鉱物が分解するにつれて深部地殻内の変成岩が流体と溶解した鉱物成分を失い、この流体が地殻の浅いレベルに浸透してこれらの岩石を化学的に変化および変質させるものとして考えることができます。

このメカニズムは、交代作用が開放系挙動であることを示唆しており、これは、岩石の化学的性質に顕著な変化を伴わない岩石の原位置での鉱物学的変化である古典的変成作用とは異なる。変成作用は通常、変成反応を促進するために水を必要とするため、変成作用はほぼ常に交代作用を伴って起こる。

さらに、交代作用は物質移動過程であるため、化学元素や鉱物、含水化合物の添加によって変化する岩石に限定されません。すべての場合において、交代作用岩石を生成するには、たとえ化学変化が最小限の脱水反応によるものであっても、他の岩石も交代作用を受けます。このことを最もよく示すのが金鉱床です。金鉱床は、数立方キロメートルの脱水した地殻から得られた流体が、薄く、高度に交代作用を受け、変質した剪断帯や鉱脈に集中的に濃縮された結果生じます。発生源領域は、高度に水和し、変質した剪断帯に比べて化学的にほとんど影響を受けていない場合が多いですが、両方とも相補的な交代作用を受けたに違いありません。

地球のマントルにおける交代作用はより複雑である。なぜなら、Luth (2003) が論じているように、高温でのペリドタイトの組成は炭酸塩やケイ酸塩の溶融物の浸透や、二酸化炭素や水を多く含む流体によって変化するからである。 ^{[5]交代作用は、}沈み込みの際に海洋リソスフェアから水が追い出される際に島弧下のマントルペリドタイトの組成を変える上で特に重要であると考えられている。交代作用は、一部のシリカ不飽和マグマの供給源領域を豊かにするためにも重要であると考えられてきた。カーボナタイト溶融物は、マントルペリドタイトに不適合元素を豊富に含ませた原因であると考えられることが多い。

交代作用は他の内因性プロセスと類似しているが、4つの主な特徴によって区別される。^{[6]最初の特徴は}鉱物のイオンごとの置換であり、これは既存の鉱物の溶解と同時に新しい鉱物の沈殿によって起こる可能性がある。^[6]交代作用を識別するために使用される2番目の特徴は、置換中に岩石が固体状態で保存される点である。^{[6] 3番目の特徴は等化学変成作用、つまり}水（H ₂ O）と二酸化炭素（CO ₂ ）以外の主要元素の追加または削減である。^{[6]最後の特徴は交代作用の明確なゾーンである。これらは}マグマ作用と変成作用によって形成され、交代作用柱の特徴的なパターンを形成する。^[6]

交代作用岩石は非常に多様です。交代作用を受けた岩石は、広範囲にわたり弱く変質することが多く、変質の証拠は、白化、色の変化、雲母鉱物の結晶度の変化のみです。

このような場合、変質の特徴を明らかにするには、岩石の鉱物組成を顕微鏡で調べて、鉱物の特徴、追加の鉱物の成長、原岩鉱物の変化などを明らかにすることが必要になることがよくあります。

場合によっては、交代作用による変質過程の地球化学的証拠が見つかることがあります。これは通常、バリウム、ストロンチウム、ルビジウム、カルシウム、および一部の希土類元素などの可動性で溶解可能な元素の形で現れます。ただし、変質を適切に特徴付けるには、変質したサンプルと変質していないサンプルを比較する必要があります。

プロセスが極めて進行すると、典型的なメタソマタイトには次のものが含まれます。

• 剪断帯における緑泥石または雲母による岩石全体の置換により、既存の鉱物が完全に再結晶化され、緑泥石、白雲母、蛇紋石などの水和鉱物に置き換えられた岩石が生成されます。
• スカルンおよびスカルノイド岩石タイプ。通常、花崗岩の貫入岩に隣接し、石灰岩、泥灰岩、縞状鉄鉱層などの反応性岩相に隣接しています。
• 花崗岩の縁と円錐の内部にグライゼンが堆積する。
• ロディンジャイトは、特にオフィオライトの蛇紋岩化した苦鉄質岩脈に典型的に見られ、グロッシュラーアンドラダイトガーネット、石灰質輝石、ベスブ石、緑簾石、スカポライトを含みます。
• フェナイトは、強アルカリ性または炭酸塩質マグマ活動に関連する交代作用の変種であり、さまざまな長石、ナトリウム質輝石、または角閃石、および通常は結晶格子に容易に組み込まれないニオブ、ジルコニウムなどの非相溶性元素を含む珍しい鉱物（チェフキン石やコロンバイトなど）をもたらします。
• 曹長石、斜長石が曹長石に置き換わって生成（曹長化作用）^{[7] [8]}

マントルペリドタイトにおける交代作用の影響は、モーダルまたは潜在的のいずれかです。潜在的交代作用では、鉱物の組成が変化するか、導入された元素が粒界に集中し、ペリドタイトの鉱物学は変化しないように見えます。モーダル交代作用では、新しい鉱物が形成されます。

潜在的交代作用は、上昇または浸透する溶融物が周囲のペリドタイトと相互作用し、溶融物とペリドタイトの両方の組成が変化することで発生する可能性があります。マントル温度が高い場合、固体拡散は、溶融物導管に隣接する数十センチメートルにわたって岩石の組成を変えるのにも効果的です。輝岩岩脈に隣接する鉱物組成の勾配は、このプロセスの証拠を保存している可能性があります。

モード交代作用により、角閃石や金雲母が形成されることがあり、これらの鉱物がペリドタイト捕獲岩中に存在することは、マントル内で交代作用が起こっていることの強力な証拠であると考えられてきました。ペリドタイトではあまり一般的ではないドロマイト、方解石、イルメナイト、ルチル、アルマルコライトなどの鉱物の形成も、溶融交代作用または流体交代作用によるものと考えられています。

自然界の花崗岩系における交代作用の発現については、主に2つの方式が議論されている。^[9]拡散交代作用（交代岩の種類のセクションで言及した）と浸透交代作用である。浸透は、浸透性の高い領域で流体の流れを促進する亀裂または割れ目で起こる。^[9]拡散は、流体が岩石の細孔に取り込まれるときに起こり、これは多孔度によって決まる。浸透交代作用によって変化した岩石は、流体の移流中の分散効果のため、拡散によって変化した岩石よりも変化が少ない。^[10]

これら2つの方法は、ある地域から別の地域への輸送によく使用されます。これらの影響を受ける地域では、輸送される成分が前交代作用状態に比べて豊富になったり、減少したりする可能性があります。^[11]化学的風化は、交代作用液のレベルと含有量、および珪質堆積物の主要元素の地球化学と鉱物学に大きな影響を与えます。^[12]

熱水鉱床の変質岩石の調査により、交代作用による変質効果、組織、鉱物の組み合わせの明確なグループを形成する、いくつかの普遍的なタイプの変質の組み合わせが明らかになりました。

• プロピライト変質は鉄と硫黄を含む熱水流体によって引き起こされ、典型的には緑簾石-緑泥石-黄鉄鉱変質をもたらし、多くの場合赤鉄鉱相と磁鉄鉱相を伴います。
• アルバイト-緑簾石変質は、ナトリウムとカルシウムを豊富に含むシリカ含有流体によって引き起こされ、通常は弱いアルバイト-シリカ-緑簾石になります。
• 斑岩銅鉱床や鉱脈金鉱床に典型的なカリウム変質作用により、鉄分を多く含む岩石中の黒雲母、珪長質岩石中の白雲母や絹雲母などの雲母質のカリウム鉱物が生成され、また、正長石（アデュラリア）変質作用が広範囲に及ぶことが多く、特徴的なサーモンピンク色の変質脈の縁を形成します。
• 石英-絹雲母-黄鉄鉱変質作用では、これらの鉱物が鉱脈状および散在状の両方で堆積します。特に、絹雲母は斜長石と黒雲母に置き換わります。これは斑岩銅鉱床および斑岩モリブデン鉱床でよく見られます。
• 粘土質変質は斑岩鉱床の遠位部によく見られ、低温の鉱物集合体で、長石やその他の鉱物をカオリナイトやイライトなどの粘土鉱物に変化させる。より古い、より高温の変質集合体を覆い隠すこともある。 ^[13]

より稀なタイプの熱水流体には、炭酸塩含有率の高い流体（石灰珪酸塩に典型的な母岩の炭酸化反応が進んだもの）やシリカ・ヘマタイト流体（ジャスパーロイド、マント鉱床、およびドロマイト層に典型的に見られる珪化の広範な帯の生成をもたらす）が含まれる。パプース平原の石英モンゾナイトでは、花崗岩質深成岩の応力を受けた鉱物と母岩が正長石と石英の斑状変成岩に置き換わっている。^[14]

• グライゼン – 高度に変質した花崗岩またはペグマタイト
• ホルンフェルス – 変成岩のグループ
• 熱水循環 – 熱交換による水の循環
• 鉱石の起源 – 地球の地殻内でさまざまな種類の鉱床がどのように形成されるか
• 気体分解 – マグマからガスが放出される現象を指す古い地質学用語
• スカルン – 硬く、粗粒で、熱水変成を受けた変成岩