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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の一因となっ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を理解する上で重要な役割を果たす。
アイスランドは世界で最も活発な火山地域の1つであり、平均して約3年に1回の頻度で噴火が発生しています（20世紀と21世紀、2010年までには、アイスランドとその周辺で45回の火山噴火がありました）。 [ 1 ]記録に残る歴史の中で噴出した玄武岩質溶岩 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す。注目すべき噴火としては、934年のカトラの割れ目であるエルドギャウの噴火（これまで目撃された中で世界最大の玄武岩質噴火）、 1783年のラキの噴火（世界で2番目に大きい）[ 2 ]、そして氷冠の下で発生したいくつかの噴火があり、これらは壊滅的な氷河決壊を引き起こしました。最も最近では、2010年のエイヤフィヤトラヨークトルの噴火後に発生しました。
アイスランドがユーラシアプレートと北アメリカプレートが離れていく大西洋中央海嶺に位置していることが、この激しい火山活動の一因となっているが、海嶺の残りの部分が主に海底山脈で構成され、頂上が海面下にあるにもかかわらず、アイスランドが大きな島である理由を説明するには、別の原因が必要となる。
ホットスポットは周囲のマントルよりも高温であることに加え、水の濃度も高いと考えられている。マグマ中に水が存在すると融解温度が低下するため、アイスランドの火山活動の活発化にも寄与している可能性がある。
ホットスポットが深部マントルプルームによって引き起こされているのか、それとももっと浅い深度で発生しているのかについては、現在も議論が続いている。[ 3 ]最近の地震トモグラフィー研究では、アイスランドの下で地震波速度の異常が発見されており、これは下部マントルまで伸びる幅100km （62マイル）の高温導管と一致する。[ 4 ]
Foulger 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いないため、ハワイと同じ起源ではないと考えている。[ 5 ]しかし、Bijwaard と Spakman は、アイスランドのプルームはマントルまで達しており、ハワイと同じ起源であると考えている。[ 6 ]ハワイ諸島と天皇海山は、太平洋プレートがハワイのホットスポット上を移動することによって生じた明確な時間的進行の火山活動の痕跡を示しているが、アイスランドではそのような痕跡は見られない。
グリムスヴォ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、グリムスヴォ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 ]
アイスランドプルームは、アイスランドの下にある地球のマントル内で異常に高温の岩石が上昇しているという仮説である。その起源はマントルの深部、おそらく深さ約2,880 km (1,790 mi)の核とマントルの境界にあると考えられている。地震学的調査でそのような構造が画像化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存在し、ホットスポットはその表面的な現れ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既に引き起こされている火山活動を強め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縁辺にある洪水玄武岩、レイキャネス海嶺セグメントの拡大方向に対する斜めの向き、および南エーギル海嶺とコルベインセイ海嶺に沿って見られる火成岩地殻の厚さの増加は、プルームと大西洋中央海嶺との相互作用の結果である可能性がある。[ 10 ]プルームの幹は非常に狭く、おそらく幅100 km (62 mi)で、地球表面から少なくとも400～650 km (250～400 mi)の深さまで伸びており、おそらく核とマントルの境界まで達し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 ]
海山が時間的に進行する軌跡を示さないのは、大陸分裂後約1500万年間、プルームが厚いグリーンランドクラトン（ローレンシア）の下に位置していたこと[ 12 ]、そしてプルーム物質が北大西洋中央海嶺の形成後にそこに沈み込んだこと[ 10 ]が原因であると示唆されている。
プルームモデルによれば、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とされる最古の火山岩は、大西洋の両岸で発見されている。それらの年代は6400万年から5800万年の間であると判明している。[ 13 ]： 73-74これは、古第三紀後期から始新世初期にかけての北大西洋の開裂と一致しており、プルームの到来がローラシア大陸の分裂と関連し、おそらく分裂に寄与したという説につながっている。 [ 14 ]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、次にリフティング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流れた高温のプルーム物質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 ] 、プルームがその時だけ深部マントルから上昇してきたのか、それとももっと古くから存在し、北グリーンランド、エルズミア島、北極のアルファ海嶺の古い火山活動の原因にもなっているのかについても意見が分かれている[ 16 ] 。
始新世に北大西洋がグリーンランドの東に開くと、北アメリカ大陸とユーラシア大陸は離れ離れになり、大西洋中央海嶺は海洋拡大の中心として、また中央海嶺の海底火山系の一部として形成されました。[ 17 ]初期のプルームヘッドは直径が数千キロメートルにも達し、現在の海洋盆地の両側に火山岩を噴出して北大西洋火成岩地域を形成しました。[ 13 ] : 74海洋のさらなる拡大とプレート移動に伴い、プルームと大西洋中央海嶺は互いに接近し、最終的に接触したと考えられています。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う過剰なマグマ活動は、プルームモデルによれば、徐々に薄くなるリソスフェアの下にある高温のマントル源の上昇、あるいは想定される中央海嶺システムの異常に生産的な部分の結果である。[ 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開裂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、亜古第三紀面の形成をもたらしたイギリスの白亜地層の古第三紀の隆起もアイスランドプルームに起因するとされている。[ 20 ]
アイスランド西部には活動を停止した海嶺が存在し、プルームが時間とともに東へ移動したという説につながっている。アイスランドの最古の地殻は2000万年以上前のもので、西フィヨルド（Vestfirðir）地域の古い海洋拡大中心で形成された。[ 13 ]： 74プレートとプルーム上の海嶺の西方向への移動と、プルームの強い熱異常により、この古い拡大中心は1500万年前に活動を停止し、現在のスカギ半島とスナイフェルスネス半島の地域に新しい拡大中心が形成された。後者では、スナイフェルスヨークトル火山という形でまだいくらかの活動が見られる。拡大中心、ひいては主な活動は、900万年前から700万年前に再び東へ移動し、現在の南西部（レイキャネス、ホフスヨークル）と北東部（ティョルネス）の火山帯を形成した。現在、北東部の活動は徐々に減少している一方、 300万年前に始まった南東部の火山帯（カトラ、ヴァトナヨークル）は発達している。 [ 21 ]アイスランドのプレート境界の再編成はマイクロプレートテクトニクスにも起因しており、[ 18 ]独立したフレッパルマイクロプレートが存在する。
下部マントルの断層撮影画像における想定されるプルームの視認性の弱さと、マントル源におけるエクロジャイトの地球化学的証拠から、アイスランドの下にはマントルプルームは全く存在せず、そこの火山活動はプレートテクトニクスに関連するプロセスに起因し、上部マントルに限定されているという理論が提唱されている。[ 22 ] [ 3 ]
これらのモデルの一つによれば、かつての海洋の沈み込んだプレートの大きな塊が数億年もの間、最上部のマントルに留まり、その海洋地殻が現在、過剰な溶融生成と観測されている火山活動を引き起こしているという。[ 18 ]しかし、このモデルは力学的計算によって裏付けられておらず、データによってのみ必要とされるものでもない。また、そのような物体が長期間にわたって力学的および化学的に安定しているか、あるいはそのような大規模な溶融の熱的影響について未解決の疑問が残る。
Another model proposes that the upwelling in the Iceland region is driven by lateral temperature gradients between the suboceanic mantle and the neighbouring Greenland craton and therefore also restricted to the upper 200–300 km (120–190 mi) of the mantle.[23] This convection mechanism is probably not strong enough under the conditions prevailing in the north Atlantic, with respect to the spreading rate, and it does not offer a simple explanation for the observed geoid anomaly.
Information about the structure of Earth's deep interior can be acquired only indirectly by geophysical and geochemical methods. For the investigation of postulated plumes, gravimetric, geoid and in particular seismological methods along with geochemical analyses of erupted lavas have proven especially useful. Numerical models of the geodynamical processes attempt to merge these observations into a consistent general picture.
An important method for imaging large-scale structures in Earth's interior is seismic tomography, by which the area under consideration is "illuminated" from all sides with seismic waves from earthquakes from as many different directions as possible; these waves are recorded with a network of seismometers. The size of the network is crucial for the extent of the region that can be imaged reliably. For the investigation of the Iceland Plume, both global and regional tomography have been used; in the former, the whole mantle is imaged at relatively low resolution using data from stations all over the world, whereas in the latter, a denser network only on Iceland images the mantle down to 400–450 km (250–280 mi) depth with higher resolution.
Regional studies from the 1990s and 2000s show that there is a low seismic-wave-speed anomaly beneath Iceland, but opinion is divided as to whether it continues deeper than the mantle transition zone at roughly 600 km (370 mi) depth.[17][24][25] The velocities of seismic waves are reduced by up to 3% (P waves) and more than 4% (S waves), respectively. These values are consistent with a small percentage of partial melt, a high magnesium content of the mantle, or elevated temperature. It is not possible to unambiguously separate which effect causes the observed velocity reduction.
数多くの研究が、アイスランドと北大西洋に存在する溶岩の地球化学的特徴を取り上げてきた。その結果得られた像は、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源が化学的にも岩石学的にも不均質であることは異論がない。マントルの主要岩石であるペリドタイトだけでなく、沈み込んだスラブの玄武岩から発生し、ペリドタイトよりも融解しやすい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の際にマントルに沈み込んだ、変成した非常に古い海洋地殻であり、その後マントルの深部から上昇してきたと考えられている。
アイスランドの火山岩の主要元素および微量元素組成を用いた研究により、現在の火山活動の起源は中央海嶺玄武岩の起源よりも約100 ℃（212 °F）高いことが示された。 [ 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明らかに異なっていることを示している。その一例として、ヘリウム3（³He）とヘリウム4（⁴He）の同位体の比率が挙げられる。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指標である。ヘリウム3は惑星形成時に取り込まれるため、比較的深いマントルまたは下部マントルと関連付けられる。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る。³Heと⁴Heの比率が低い場合は、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、一方、³Heと⁴Heの比率が高い場合は、マントルの起源が深いため、海洋島玄武岩と相関している。アイスランドでは、 3Heと4Heの比率が高いものと低いものの両方が見られます。高い比率は島の西部と関連しており、低い比率は島の東部と関連しています。[ 29 ]これらの比率の傾向は、地球物理学的異常とよく相関しており、アイスランドからの距離が増加するにつれて、これや他の地球化学的特徴が減少します。これらを組み合わせると、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 mi) 、コルベインセイ海嶺に沿って少なくとも300 km (190 mi)に達することがわかります。どの元素を考慮し、カバーする領域の大きさに応じて、最大6つの異なるマントル成分を特定できますが、これらはすべて単一の場所に存在するわけではありません。
さらに、いくつかの研究によると、アイスランド地域ではマントル鉱物に溶解している水の量が、中央海嶺の未撹乱部分（約150ppmと推定されている）の2～6倍高いことが示されている。[ 30 ] [ 31 ]溶岩源にこれほど大量の水が存在すると、融点が低下し、一定の温度でより生産的になる傾向がある。また、中央海嶺玄武岩に典型的な値よりも高い融解温度が生じる原因にもなる。[ 13 ]： 106
北大西洋は、重力場とジオイドの大規模で強い異常が特徴です。ジオイドは、直径数百キロメートルのほぼ円形の領域で、測地基準楕円体より最大70メートル（230フィート）高くなっています。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ます。[ 32 ]さらに、プルームと厚くなった地殻は、約60 mGal（=0.0006 m/s²）（フリーエア）の正の重力異常を引き起こします。
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行われてきた。これらの計算の目的は、とりわけ、比較的低温異常を伴う広範囲のプルームが、地震学的および地球化学的観測結果を説明するために用いられてきた薄くて高温のプルームよりも、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矛盾を解決することであった。[ 33 ] [ 34 ]最新のモデルでは、周囲のマントルよりも180～200 ℃（356～392 °F）高温で、半径が約100km （62マイル）の幹を持つプルームが好まれている。[ 13 ] : 71しかし、このような温度は岩石学によってまだ確認されていない。
モホロビチッチ不連続面付近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、アイスランド下のマグマ移動のメカニズムを理解する上で重要です。ボルガルフラウン玄武岩流の研究は、深部から地表までのマグマの輸送速度を制約するのに役立ちました。[ 35 ]研究者らは、地熱圧力測定とカンラン石結晶内のアルミニウムの統計分析により、これらの結晶が形成された深さと、地表に到達するまでにかかった時間を決定することができました。この場合、マグマはもともと24 km (15 mi)の深さにありました。結果として、マグマの上昇速度は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まで平均10日かかり、これは以前考えられていたよりも速いことがわかりました。[ 35 ]
北緯64度24分00秒、西経17度18分00秒/北緯64.4000度、西経17.3000度/北緯64.4000度、西経17.3000度