アイスランドのホットスポット

アイスランドホットスポットは、アイスランド高原とアイスランド島を形成した活発な火山活動に一部関与しているホットスポットであり、アイスランドの地質学的変形の理解に貢献しています。

アイスランドは世界で最も活発な火山地域の一つで、平均しておよそ3年に1回の頻度で噴火が起きている（20世紀から21世紀にかけて、2010年までにアイスランドとその周辺で45回の火山噴火があった）。 ^{[1]記録に残る歴史上噴火した}玄武岩 溶岩 の約3分の1は、アイスランドの噴火によって生成されたものである。注目すべき噴火には、934年のカトラ火山の割れ目であるエルドギャウの噴火（これまでに目撃された世界最大の玄武岩噴火）、 1783年のラキの噴火（世界で2番目に大きい噴火）^[2] 、そして壊滅的な氷河決壊を引き起こした氷冠の下のいくつかの噴火があり、最も最近では2010年のエイヤフィヤトラヨークトル火山の噴火後に発生した。

アイスランドは、ユーラシアプレートと北米プレートが離れつつある大西洋中央海嶺にまたがって位置しており、これがこの激しい火山活動の一因となっているが、なぜアイスランドが大きな島であるのに対し、海嶺の残りの部分は主に海面下の山々で構成されているのかを説明するには、別の原因が必要である。

ホットスポットは周囲のマントルよりも温度が高いだけでなく、水の濃度も高いと考えられています。マグマに水が存在すると融点が下がり、アイスランドの火山活動を促進する役割も果たしている可能性があります。

ホットスポットが深部のマントルプルームによって引き起こされるのか、それとももっと浅い深さで発生したのかについては議論が続いています。 ^[3]最近、地震トモグラフィー研究により、アイスランドの地下で地震波速度の異常が見つかりました。これは、下部マントルまで伸びる幅100 km (62 マイル) のホットコンジットと一致しています。^[4]

ファウルガーらは、アイスランドのプルームはマントル遷移層までしか達しておらず、したがってハワイと同じ発生源から来ているはずがないと考えている。^[5]しかし、ビワルドとスパクマンは、アイスランドのプルームはマントルまで達しており、したがってハワイと同じ発生源から来ていると考えている。^[6]ハワイ諸島列島とエンペラー海山は、ハワイのホットスポット上を太平洋プレートが移動することによって生じた、時間とともに進行する火山の軌跡を明確に示しているが、アイスランドではそのような軌跡は見られない。

グリムスヴェートン火山からスルツェイ島までの線はユーラシアプレートの動きを示し、グリムスヴェートン火山からレイキャネス火山帯までの線は北アメリカプレートの動きを示していると提案されている。^[7]

アイスランドのプルームは、アイスランドの下にある地球のマントルで異常に高温の岩石が湧き上がる現象であると考えられている。その起源はマントルの深部、おそらく核とマントルの境界の深さ約2,880 km (1,790 mi) にあると考えられている。地震研究でこのような構造が撮影されたかどうかについては意見が分かれている。^{[8]この枠組みでは、} W. ジェイソン モーガンの理論によれば、アイスランドの火山活動はこのプルームに起因するとされている。^[9]

アイスランドの下にはマントルプルームがあり、ホットスポットはその表面発現であると考えられており、プルームの存在はプレート分離によってすでによって引き起こされた火山活動を増強していると考えられている。さらに、グリーンランドとノルウェーの大陸棚の洪水玄武岩、レイキャネス海嶺のセグメントの拡大方向に対する斜めの配向、および南部エーギル海嶺とコルベインゼー海嶺に沿って見られる火成地殻の厚さの増加は、プルームと大西洋中央海嶺の相互作用の結果である可能性がある。^[10]プルームの茎は非常に狭く、おそらく直径100 km (62 mi)で、少なくとも地表下400〜650 km (250〜400 mi)、おそらく核マントル境界まで伸びていると考えられている。一方、プルームの頭部は直径1,000 km (620 mi)を超える可能性がある。^{[10] [11]}

海山の軌跡が時間的に進行していないのは、大陸分裂後約1500万年の間、プルームが厚いグリーンランドクラトン（ローレンティア）の下に位置していたことと、 ^[12]その後プルーム物質が大西洋中央海嶺北部に定着したことによると考えられています。^[10]

プルームモデルによると、アイスランドの火山活動の源は島の中心部の地下深くにある。プルームに起因する最も古い火山岩は大西洋の両側で発見されており、その年代は6400万年から5800万年前と決定されている。^{[13] ：73–74}これは、後期暁新世から前期始新世に北大西洋が開いた時期と一致しており、プルームの到来は^[14] ローラシア大陸の分裂に関連しており、おそらくは分裂に寄与したという示唆につながっている。プルーム仮説の枠組みでは、火山活動は、最初は厚い大陸リソスフェアの下、次にリフトが進むにつれて成長する海洋盆地のリソスフェアの下に熱いプルーム物質が流れ込んだことによって引き起こされた。当時のプルームの正確な位置については科学者の間で意見が分かれており^[15]、プルームがマントル深部からその時にのみ上昇してきたと考えられているのか、それともそれよりずっと古く、グリーンランド北部、エルズミーア島、北極のアルファ海嶺での古い火山活動にも関与していたのかについても同様である^{[16] 。}

始新世に北大西洋がグリーンランドの東に開いたため、北米とユーラシアは離れ、大西洋中央海嶺が海洋拡大中心として、また海底火山システムである大西洋中央海嶺の一部として形成された。^[17]初期のプルームの頭部は直径数千キロメートルあったと思われ、現在の海盆の両側で火山岩を噴出して北大西洋火成岩区を形成した。^{[13] : 74}海洋のさらなる拡大とプレートの漂流により、プルームと大西洋中央海嶺は互いに接近し、最終的に出会ったと推測されている。グリーンランド、アイルランド、ノルウェーの洪水火山活動から現在のアイスランドの活動への移行に伴って生じた過剰なマグマ活動は、プルームモデルによれば、次第に薄くなるリソスフェアの下の熱いマントル源が上昇した結果であり、あるいは中央海嶺システムの想定される異常に生産性の高い部分によるものである。 ^[18]一部の地質学者は、アイスランドプルームが北大西洋の拡大中にリソスフェアとアセノスフェアの密度の変化を引き起こし、スカンジナビア山脈の古第三紀の隆起の原因となった可能性があると示唆している。 ^[19]南では、イングランドの白亜地帯の古第三紀の隆起によって亜古第三紀の地表が形成されたが、これもアイスランドプルームによるものとされている。^[20]

アイスランド西部には消滅した海嶺が存在し、プルームが時とともに東に移動したという説につながっている。アイスランド最古の地殻は2000万年以上前に形成され、ウェストフィヨルド（ヴェストフィリジル）地域の古い海洋拡大中心で形成された。^{[13] : 74}プレートの西方移動とプルーム上の海嶺、およびプルームの強い熱異常により、この古い拡大中心は1500万年前に消滅し、今日のスカギ半島とスナイフェルスネス半島の領域に新しい拡大中心が形成されました。後者では、スナイフェルスヨークトル火山の形で今でも活動が見られます。拡大中心、つまり主な活動は、900万年から700万年前に再び東に移動し、南西部（レイキャネス、ホフスヨークトル）と北東部（ティョルネス）の現在の火山帯を形成しました。現在、北東部の活動はゆっくりと衰退している一方で、 300万年前に始まった南東部の火山帯（カトラ、ヴァトナヨークトル）は発達しています。 ^[21]アイスランドのプレート境界の再編成もマイクロプレートテクトニクスに起因すると考えられており、^[18]独立したHrepparマイクロプレートが存在します。

下部マントルの断層画像で想定されるプルームの視認性が弱いことと、マントル源にエクロジャイトが存在するという地球化学的証拠から、アイスランドの地下にはマントルプルームは全く存在せず、同地の火山活動はプレートテクトニクスに関連したプロセスの結果であり、上部マントルに限定されているという説が提唱されている。^{[22] [3]}

それらのモデルの1つによると、かつての海洋の沈み込んだプレートの大きな塊が最上部マントルで数億年もの間生き残っており、その海洋地殻が現在過剰な溶融物の生成と観測される火山活動を引き起こしている。^[18]しかし、このモデルは力学計算によって裏付けられておらず、データによってのみ要求されているわけでもなく、長期間にわたるそのような物体の力学的および化学的安定性や、そのような大規模な溶融の熱的影響に関する疑問も未解決のままである。

別のモデルでは、アイスランド地域の湧昇は海洋マントルと隣接するグリーンランドクラトンの間の横方向の温度勾配によって引き起こされ、したがってマントルの上部200～300 km（120～190マイル）に限定されると提案されています。 ^[23]しかし、この対流メカニズムは、拡大速度に関して、北大西洋に支配的な条件下ではおそらく十分に強力ではなく、観測されたジオイド異常に対する単純な説明にはなりません。

地球深部の構造に関する情報は、地球物理学的および地球化学的手法によって間接的にしか得られません。想定されるプルームの調査には、重力測定法、ジオイド法、特に地震学的手法、および噴出した溶岩の地球化学的分析が特に有効であることが証明されています。地球力学プロセスの数値モデルは、これらの観察結果を一貫した全体像に統合しようとします。

地球内部の大規模構造を画像化する重要な方法は地震トモグラフィーであり、これにより、対象領域は、可能な限り多くの異なる方向からの地震の地震波であらゆる側面から「照らされる」。これらの波は、地震計ネットワークで記録される。ネットワークのサイズは、確実に画像化できる領域の範囲にとって重要である。アイスランドプルームの調査では、グローバルトモグラフィーと地域トモグラフィーの両方が使用されてきた。前者では、世界中の観測所のデータを使用して、マントル全体が比較的低い解像度で画像化されるのに対し、後者では、アイスランドのみのより密なネットワークが、マントルを深さ400〜450 km (250〜280 mi) まで高解像度で画像化する。

1990年代と2000年代の地域研究では、アイスランドの地下に低地震波速度異常があることが示されているが、それが深さ約600 km（370マイル）のマントル遷移層よりも深くまで続いているかどうかについては意見が分かれている。^{[17] [24] [25]}地震波の速度は、それぞれ最大3％（P波）と4％以上（S波）減少している。これらの値は、部分溶融の割合が少ないこと、マントルのマグネシウム含有量が多いこと、または温度が上昇していることと一致している。どの影響が観測された速度低下を引き起こしたかを明確に区別することは不可能である。

アイスランドや北大西洋に存在する溶岩の地球化学的特徴を扱った研究は数多くある。その結果得られた知見は、いくつかの重要な点で一貫している。例えば、マントルの火山活動の起源が化学的、岩石学的に不均質であることは議論の余地がない。マントルの主要な岩石タイプであるペリドタイトだけでなく、沈み込んだスラブ内の玄武岩に由来し、ペリドタイトよりも容易に溶融する岩石タイプであるエクロジャイトも含まれている。^{[26] [27]}後者の起源は、数億年前に海洋の沈み込み中にマントルに沈み、その後マントル深部から湧き上がった、変成した非常に古い海洋地殻であると考えられている。

アイスランドの火山岩の主成分と微量元素の組成を用いた研究では、現在の火山活動の源泉は中央海嶺玄武岩の源泉よりも約100℃（212℉）高かったことが示されました。^[28]

ヘリウム、鉛、ストロンチウム、ネオジムなどの微量元素の濃度の変動は、アイスランドが北大西洋の他の地域とは組成的に異なることを明らかに示しています。この例は、ヘリウム3（³ He）とヘリウム4（⁴ He）の 同位体の比率に見られます。ヘリウム3とヘリウム4の比率は、噴火に関与するマントルの起源を示すマーカーです。ヘリウム3は惑星の集積中に捕獲されるため、比較的深いまたは下部のマントルに関連付けられます。ヘリウム4は、ウランとトリウムの親同位体の崩壊によって生成されます。³ Heと⁴ Heの比率が低いことは、マントルの起源が浅いため、中央海嶺の噴火と強く相関しており、³ Heと⁴ Heの比率が高いことは、マントルの起源が深いため、海洋島の玄武岩と相関しています。アイスランドでは、 ³ He と⁴ Heの比率が高いところも低いところも見つかっています。比率が高いのは島の西部で、比率が低いのは島の東部です。^[29]これらの比率の傾向は、地球物理学的異常や、アイスランドからの距離が増すにつれてこの値や他の地球化学的特徴が減少することとよく相関しています。これらを合わせると、組成異常の範囲はレイキャネス海嶺に沿って約 1,500 km (930 マイル)、コルベインセイ海嶺に沿って少なくとも 300 km (190 マイル) に達していることがわかります。考慮する要素とカバーするエリアの大きさに応じて、最大 6 つの異なるマントル成分を特定できますが、それらはすべて 1 つの場所には存在しないのです。

さらに、いくつかの研究によると、マントル鉱物に溶解している水の量は、アイスランド地域では中央海嶺の乱されていない部分よりも2～6倍高く、中央海嶺の乱されていない部分では約150ppmであると考えられています。^{[30] [31]}溶岩の源にこれほど大量の水が存在すると、融点が下がり、特定の温度でより生産的になる傾向があります。また、中央海嶺玄武岩に典型的であるよりも高い融点も生み出します。^{[13] : 106}

北大西洋は、重力場とジオイドの強力で大規模な異常によって特徴付けられる。ジオイドは、直径数百キロメートルのほぼ円形の領域で、測地基準楕円体から最大70メートル（230フィート）上昇する。プルーム仮説の文脈では、これは地球の表面を膨らませる湧昇プルームの動的効果によって説明されている。^{[32]さらに、プルームと厚くなった地殻は、約60} mGal（= 0.0006 m / s²）（自由空気） の正の重力異常を引き起こす。

1990 年代半ば以降、マントル対流の数値地球力学モデルを用いて観測結果を説明する試みがいくつかなされてきた。これらの計算の目的は、とりわけ、地震学や地球化学の観測結果を説明するために引き合いに出された、薄くて熱いプルームよりも、比較的温度異常の低い幅広いプルームのほうが、観測された地殻の厚さ、地形、重力とよりよく一致するというパラドックスを解決することであった。^{[33] [34]}最新のモデルでは、プルームの温度は周囲のマントルよりも 180～200 °C (356～392 °F) 高く、半径約 100 km (62 mi) の茎を持つとされている。^{[13] : 71}しかし、このような温度は岩石学ではまだ確認されていない。

モホ不連続面近くの深部から地表までマグマがどのように運ばれるかを理解することは、アイスランド地下のマグマ移動の仕組みを理解する上で重要な意味を持つ。ボルガルフラウン玄武岩流に関する研究は、深部から地表までのマグマ輸送速度の制限に役立った。^[35]地熱気圧測定とオリビン結晶内のアルミニウムの統計分析により、研究者はこれらの結晶が形成された深度と、結晶が地表に到達するのにかかった時間を特定できた。この場合、マグマは元々 24 km (15 マイル) の深さにあった。結果として得られたマグマ上昇速度は 0.02～0.1 m/s と計算され、マグマがモホ不連続面からアイスランドの地表に到達するのに平均 10 日かかることになり、これはこれまで考えられていたよりも速い。^[35]

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• マントルプルームズ
• リチャード・アレンのアイスランドのページ、カリフォルニア大学バークレー校
• アイスランドの地質と地球力学、レイダール・G・トロンネス著、レイキャビク地球科学研究所 (PDF) 2016-03-03 にWayback Machineでアーカイブ
• アイスランドの創造についての映画、アイスランドの噴煙についてのアニメーション教育要約

北緯64°24′00″ 西経17°18′00″ / 北緯64.4000° 西経17.3000° / 64.4000; -17.3000