マントルプルーム

マントルプルームは、地球のマントル内の対流のメカニズムとして提案されており、異常な火山活動を説明するために仮説が立てられています。^[2]プルームの頭部は浅い深さに達すると部分的に溶けるため、ハワイやアイスランドなどの火山ホットスポットや、デカン高原やシベリア・トラップなどの大規模な火成岩地域の原因としてプルームがしばしば挙げられます。そのような火山地域には、プレート境界から遠く離れた場所にあるものもあれば、プレート境界近くで異常に大規模な火山活動を示す地域もあります。

マントルプルームは、1963年にJ. ツゾ・ウィルソンによって初めて提唱され^{[3] [4]}、1971年と1972年にW. ジェイソン・モーガンによってさらに発展させられました。 ^{[4]マントルプルームは}、核とマントルの境界で 過熱された物質が形成（核形成）され、地球のマントルを通り抜けて上昇する場所に存在すると想定されています。プルームは、連続した流れではなく、一連の熱い物質の泡として見なされるべきです。^[5]脆い上部地殻に達すると、それらはダイアピルを形成します。^[6] これらのダイアピルは、地殻内の「ホットスポット」です。特に、マントルプルームが互いに対して固定され、核とマントルの境界に固定されているという概念は、ハワイ-天皇海山列などのいくつかのホットスポットから広がる、時間とともに進行する古い火山の列に対する自然な説明を提供します。しかし、古地磁気データによると、マントルプルームは大規模低剪断速度地域（LLSVP）^{[7] [8]}とも関連しており、互いに相対的に動いていることが示されています。^[9]

現在のマントルプルーム理論では、地球内部の物質とエネルギーが、2つの異なる、ほぼ独立した対流によって地表の地殻と交換されると考えられています。

• これまで理論化され広く受け入れられていたように、支配的な定常状態のプレートテクトニクス体制は、主にリソスフェアの冷たいプレートがアセノスフェアに沈み込むことによって駆動されます。
• 断続的に支配的なマントル反転現象は、プルーム対流^{[6]によって引き起こされ、狭い柱状の形でコア-マントル境界から熱を上方に運びます。この第2の現象は不連続であることが多いですが、山脈形成[10]や大陸分裂[11]}において周期的に重要な役割を果たします。

プルーム仮説は、1970年代初頭に小さな液体を満たしたタンクでの実験室実験によってシミュレートされました。^[12]このようにして生成された熱的または組成的な流体力学的プルームは、はるかに大きいと想定されているマントルプルームのモデルとして提示されました。これらの実験に基づいて、マントルプルームは現在、2つの部分で構成されていると仮定されています。プルームの上部と基部を接続する細長い導管と、プルームが上昇するにつれてサイズが拡大する球根状の頭部です。全体の構造はキノコに似ています。熱プルームの球根状の頭部が形成されるのは、プルーム自体が周囲を上昇するよりも速く、熱い物質が導管を通って上方に移動するためです。1980年代後半から1990年代初頭にかけて、熱モデルを使用した実験により、球根状の頭部が拡大するにつれて、隣接するマントルの一部を球根状の頭部に巻き込む可能性があることが示されました。

キノコ型マントルプルームの大きさと発生は、タンとソープの過渡不安定性理論によって予測できる。^{[13] [14]}この理論では、直径約2000kmのキノコ型マントルプルームの臨界時間（下部マントルの加熱開始からプルーム形成までの時間）は、マントル中心核熱流束が20mW/m2の^場合で約8億3000万年、周期時間（プルーム形成イベント間の時間）は約20億年であると予測されている。^[15]マントルプルームの数は、約17であると予測されている。

プルームの先端がリソスフェアの底にぶつかると、この障壁に対して平らになり、広範囲にわたる減圧溶融を経て大量の玄武岩マグマが形成されると予想される。その後、地表に噴出する可能性がある。数値モデルでは、溶融と噴出は数百万年かけて起こると予測されている。^{[16]これらの噴火は}洪水玄武岩と関連付けられているが、それらの多くははるかに短い時間スケール（100万年未満）で噴出している。例としては、インドのデカントラップ、アジアのシベリアトラップ、南アフリカと南極のカルーフェラー玄武岩/ドレライト、南アメリカとアフリカ（以前は南大西洋の開口によって分離された単一の州）のパラナトラップとエテンデカトラップ、北アメリカのコロンビア川玄武岩などがある。海洋の洪水玄武岩は海洋台地として知られており、西太平洋のオントンジャワ台地やインド洋の ケルゲレン台地が含まれます。

プルームヘッドをコア・マントル境界に繋ぐと想定される狭い垂直導管は、ホットスポットにマグマを継続的に供給すると考えられている。上部のテクトニックプレートがこのホットスポット上を移動すると、固定されたプルームから地表へのマグマの噴出により、プレートの動きと平行する火山列が形成されると予想される。^[17]太平洋のハワイ諸島列は典型的な例である。最近、この列の火山の位置は時間の経過とともに固定されていなかったことが判明し、当初提案された主要な特徴を示さない多くのタイプの例の仲間入りを果たした。^[18]

大陸洪水玄武岩の噴火は、大陸の亀裂や分裂と関連していることが多い。このことから、マントルプルームが大陸の亀裂や海洋盆地の形成に寄与しているという仮説が生ま​​れた。

ホットスポットで見つかった玄武岩の化学組成と同位体組成は、中央海嶺玄武岩とは微妙に異なります。^[20]これらの玄武岩は海洋島玄武岩 (OIB) とも呼ばれ、放射性同位体組成と安定同位体組成が分析されています。放射性同位体システムでは、もともと沈み込んだ物質がマントル成分と呼ばれる分岐傾向を作り出します。^[21]特定されているマントル成分は、DMM (枯渇中央海嶺玄武岩 (MORB) マントル)、HIMU (高 U/Pb 比マントル)、EM1 (濃縮マントル 1)、EM2 (濃縮マントル 2)、FOZO (フォーカスゾーン) です。^{[22] [23]この地球化学的特徴は、沈み込んだ}スラブや大陸堆積物などの地表近くの物質がマントル源で混合することによって生じます。これについては 2 つの競合する解釈があります。マントルプルームの文脈では、地表近くの物質は沈み込むスラブによってコアとマントルの境界まで運ばれ、プルームによって再び地表まで運ばれたと仮定されています。プレート仮説の文脈では、沈み込んだ物質は主に浅いマントルで再循環し、そこから火山によって汲み上げられます。

Feのような安定同位体は、溶融中に隆起物質が経験するプロセスを追跡するために使用されます。^[24]

沈み込み帯を通じた海洋地殻、岩石圏、堆積物の処理により、水溶性微量元素 (K、Rb、Th など) が不動微量元素 (Ti、Nb、Ta など) から分離され、不動元素が海洋スラブに集中します (水溶性元素は島弧火山の地殻に追加されます)。地震トモグラフィーでは、沈み込んだ海洋スラブが 650 km の深さのマントル遷移帯の底まで沈むことが示されています。さらに深いところへの沈み込みは確実ではありませんが、約 1,500 km の深さの中部下部マントルの深さまで沈む可能性があるという証拠があります。

マントルプルームの発生源は、深さ3,000 kmの核-マントル境界であると仮定されています。^[25]核-マントル境界を越える物質輸送はほとんどないため、熱伝達は伝導によって発生し、この境界の上下には断熱勾配があります。核-マントル境界は強い熱（温度）不連続性です。核の温度は、その上にあるマントルの温度よりも約1,000℃高くなります。マントルの底部が熱くなり、浮力が増すにつれて、プルームが上昇すると仮定されています。

プルームはマントルを通って上昇し、減圧溶融によってアセノスフェアの浅い深さに達すると部分的に溶け始めると想定されています。これにより、大量のマグマが生成されます。この溶融物は地表まで上昇し、噴火してホットスポットを形成します。

深部（1000 km）マントルに存在することが知られている最も顕著な熱コントラストは、2900 km のコア-マントル境界にあります。マントルプルームは、表面の表現であると考えられるホットスポットが互いに固定されていると考えられていたため、当初はこの層から上昇すると想定されていました。このため、プルームは、上にある地殻プレートの動きに応じて急速に流れていると考えられる浅いアセノスフェアの下から発生する必要がありました。地球深部には他に知られている主要な熱境界層はなく、コア-マントル境界が唯一の候補でした。

マントルの基部はD 層として知られ、地球の地震学的区分です。上部のマントルとは組成が異なり、部分的に溶融している可能性があります。

アフリカの下部マントルと中央太平洋の下には、非常に広く大きな低剪断速度地域が2つ存在する。プルームはこれらの地域の表面または端から上昇すると想定されている。 ^[27]これらの地域の地震波速度が低いことから、これらの地域は比較的高温であることが示唆されているが、最近になって、これらの地域の波速度が低いのは、化学的不均一性による高密度のためであることが示された。^{[28] [29]}

この理論を支持するために挙げられる一般的かつ基本的な証拠としては、線状火山列、希ガス、地球物理学的異常、地球化学などがある。

ハワイ-天皇海山列の年代的に進行する分布は、プレートが固定されたプルーム源に対して頭上を移動するにつれて、固定された深部マントルプルームが上部マントルに上昇し、部分的に溶融して火山列を形成させた結果として説明されている。^[25]時間的に進行する火山列を背後に持つ他のホットスポットには、レユニオン、チャゴス-ラカディブ海嶺、ルイビル海嶺、ナインティイースト海嶺、ケルゲレン、トリスタン、イエローストーンなどがある。

上記のチェーンは時間的に進行しているという証拠があるが、それらは互いに対して固定されていないことがわかっている。その最も顕著な例は、ハワイシステムの古い部分であるエンペラーチェーンであり、プレート運動に加えてホットスポットの移動によって形成された。^[30]もう1つの例は、大西洋のアフリカ北東部にあるカナリア諸島である。^{[31] [32]}

ヘリウム3はビッグバンで形成された原始同位体である。生成量は非常に少なく、それ以降他のプロセスによって地球に追加されたものもほとんどない。^[33] ヘリウム4には原始成分が含まれているが、ウランやトリウムなどの元素の自然な放射性崩壊によっても生成される。時間の経過とともに、上層大気のヘリウムは宇宙に失われる。そのため、地球は次第にヘリウムが枯渇し、^{3 Heは4} Heのように置き換えられない。その結果、地球上の³ He/ ⁴ Heの比率は時間とともに減少している。

異常に高い³ He/ ⁴ He 比は、すべてのホットスポットではないが、いくつかのホットスポットで観測されている。これは、プルームが下部マントルの深い原始的な貯留層に浸透することで説明され、そこでは元々の高い³ He/ ⁴ He 比が地質時代を通じて保存されてきた。^[34]

他の元素、例えばオスミウムは、海洋島の玄武岩中に地球の中心核付近から生じた物質のトレーサーであると示唆されている。しかし、これまでのところ、これに対する決定的な証拠はない。^[35]

プルーム仮説は、プルームと関連があると予測される地球物理学的異常を探すことによって検証されてきました。これには、熱、地震、および標高の異常が含まれます。熱異常は「ホットスポット」という用語に内在しています。これらは、表面熱流、岩石学、および地震学を含むさまざまな方法で測定できます。熱異常は地震波の速度に異常をもたらしますが、残念ながら組成と部分溶融も同様に異常をもたらします。その結果、波の速度を単純かつ直接的に温度を測定するために使用することはできず、より洗練されたアプローチを取る必要があります。

地震異常は、地震波が地球を伝わる際の波速の変化をマッピングすることで特定されます。高温のマントルプルームは、より低温の類似物質と比較して、地震波の速度が低いことが予測されます。微量の部分溶融を含むマントル物質（例えば、融点が低いため）や鉄に富むマントル物質も地震波の速度が低く、それらの影響は温度よりも強いです。したがって、異常に低い波速はホットスポットの下のマントルが異常に高温であることを示すと考えられてきましたが、この解釈は曖昧です。^[36]プルームが提案されている地域の変化を探すために使用される最も一般的に引用される地震波速度画像は、地震トモグラフィーから得られます。この方法では、地震計のネットワークを使用して、マントル全体の地震波速度の変化の3次元画像を作成します。^[37]

大地震によって発生した地震波により、地震波の伝搬経路に沿って地表下の構造を判定することができます。1,000 キロメートル以上移動した地震波 (遠地地震波とも呼ばれる) を使用すると、地球のマントルの広い領域を画像化することができます。ただし、解像度には限界があり、直径数百キロメートル以上の構造しか検出できません。

地震トモグラフィー画像は、地球のマントルに多数のマントルプルームが存在する証拠として引用されている。^[38]しかし、画像化された構造が確実に解像されているかどうか、そしてそれが上昇する高温の岩石の柱に対応しているかどうかについては、活発な議論が続いている。^[39]

マントルプルーム仮説は、プルームの先端が岩石圏の基底に衝突すると、ドーム状の地形隆起が生じると予測している。この種の隆起は、約 5,400 万年前に北大西洋が広がったときに発生した。一部の科学者は、これをユーラシア大陸の分裂^[要出典]と北大西洋の拡大を引き起こしたとされるマントルプルームと関連付けている。現在、マントルプルームはアイスランドの下にあると考えられている。しかし、現在の研究では隆起の履歴はおそらく予測よりもはるかに短いことが示されている。したがって、この観察がマントルプルーム仮説をどの程度強く支持するかは明らかではない。

海洋島で発見された玄武岩は、中央海嶺玄武岩 (MORB)とは地球化学的に異なります。海洋島玄武岩(OIB) は MORB よりも組成が多様で、海洋島の大部分はMORB に比べてナトリウムとカリウムに富むアルカリ玄武岩で構成されています。ハワイやアイスランドなどの大きな島は主にソレアイト玄武岩で、アルカリ玄武岩は発達後期に限られますが、このソレアイト玄武岩は中央海嶺のソレアイト玄武岩とは化学的に異なります。OIB はマグネシウムに富む傾向があり、アルカリ OIB とソレアイト OIB の両方に微量不適合元素が豊富に含まれており、軽い希土類元素は重い希土類元素と比較して特に豊富です。ストロンチウム、ネオジム、ハフニウム、鉛、オスミウムの安定同位体比はMORBに比べて大きく変動しているが、これは少なくとも3つのマントル成分の混合によるものと考えられている。ウランやその他の重放射性元素の崩壊によって生成された放射性鉛の割合が高いHIMU、放射性鉛の濃縮が少ない^EM1、87 Sr/ ^{86 Sr比が高いEM2である。OIBのヘリウムは、 3} He/ ⁴ He比がMORBよりも大きく変動しており、いくつかの値は原始値に近づいている。^[40]

海洋島玄武岩の組成は、海洋地殻の沈み込みによって形成された明確なマントル化学リザーバーの存在に起因しています。これらには、HUIMU、EM1、EM2に対応するリザーバーが含まれます。これらのリザーバーは、OIBの主要元素組成と安定同位体比の相関関係に基づいて、異なる主要元素組成を持つと考えられています。ソレアイト質OIBは、特に高温のプルームで部分溶融の程度が高い生成物と解釈され、アルカリOIBは、より小さく、より低温のプルームで部分溶融の程度が低い生成物と解釈されています。^[40]

2015年に、研究者らは273件の大地震のデータを基に、スーパーコンピューターの300万時間に相当する時間を要する全波形トモグラフィーに基づくモデルを作成した。^[41]計算上の制限により、依然として高周波データは使用できず、海底の大部分の地震データは入手できなかった。^[41]それでも、周囲の岩石よりも400℃も高温の垂直のプルームが、ピトケアン、マクドナルド、サモア、タヒチ、マルケサス、ガラパゴス、カーボベルデ、カナリア諸島などの多くのホットスポットの下で可視化された。^[42]これらは、核マントル境界（深さ2900km）から1000kmのせん断および曲げの可能性のある層までほぼ垂直に伸びていた。^{[41]これらは幅が600～800kmあり、}現代のモデルから予想される幅の3倍以上であったため検出可能であった。^[41]これらのプルームの多くは、アフリカと太平洋の下にある大きな低剪断速度地域にありますが、イエローストーンなどの他のホットスポットは、モデル内のマントルの特徴とはあまり明確に関連していませんでした。^[43]

予想外に大きいプルームは、地球の核から地表への44テラワットの内部熱流の大部分を伝導する可能性があり、下部マントルの対流は予想よりも少ない、あるいは全くないことを意味する。プルームと周囲のマントルの組成の違いにより、プルームが遅くなり、広がる可能性がある。^[41]

マントルプルームは洪水玄武岩の源であると示唆されている。^{[45] [46]}これらの極めて急速で大規模な玄武岩質マグマの噴火により、デカン・トラップ^[47]、シベリア・トラップ^{[48] 、}ゴンドワナのカルー・フェラー洪水玄武岩[ 49 ^]、そして最大の大陸洪水玄武岩である中央大西洋マグマ区（CAMP）^{[50]など、陸上および海洋盆地の海洋台地に大陸洪水玄武岩地域が定期的に形成されてきた。}

多くの大陸洪水玄武岩イベントは大陸​​の亀裂形成と同時に起こります。^[51]これは平衡に向かうシステムと一致しています。物質がマントルプルーム内で上昇すると、他の物質がマントルに引き込まれ、亀裂形成を引き起こします。^[51]

マントルプルームモデルと並行して、観測された現象に対する2つの代替説明、すなわちプレート仮説と衝突仮説が検討されてきました。

21世紀初頭から、プルームをめぐるパラダイム論争「プルーム大論争」が展開され、^{[52] [53] [54] [55]、}プルーム仮説は、より最近のプレート仮説（「プレート対プルーム」）と対比され、異議が唱えられてきました。^{[56] [57]}その理由は、マントルプルーム仮説は1971年に導入されて以来、信頼性の高い予測を行うのに適しておらず、そのため、状況に応じて観測されたホットスポットに繰り返し適応されてきたためです。^[57]時間の経過とともに、モデルの数が増えるにつれて、プルームの概念は、一般用語としては現在証明も反証もできない、定義の弱い仮説に発展しました。^{[56] [57]}

マントルプルームの証拠の現状に対する不満とアドホックな仮説の急増により、ドン・L・アンダーソン、ジリアン・ファウルガー、ウォーレン・B・ハミルトンに率いられた多くの地質学者は、マグマ活動の原動力としてプレートテクトニクスを重視し、上部マントルおよびそれ以上の浅い層でのプロセスに基づく幅広い代替案を提唱するに至った。^[56]

プレート仮説は、「異常な」火山活動は、下にあるアセノスフェアから受動的に溶融物が上昇するのを可能にするリソスフェアの伸張の結果であると示唆しています。プレート仮説は、火山活動をコアとマントルの境界で発生する能動的なプロセスではなく、プレートテクトニクスに関連する浅い地表近くのプロセスに帰するため、プルーム仮説の概念的な逆になります。

リソスフェアの伸張は、プレートテクトニクスに関連するプロセスに起因する。これらのプロセスは、地球の火山活動のほとんどが発生する海嶺中央部ではよく理解されている。プレート自体が内部的に変形し、変形が伸張的である地域で火山活動を可能にすることはあまり認識されていない。よく知られている例としては、米国西部のベイスン・アンド・レンジ州、東アフリカ地溝帯、ライングラーベンなどがある。この仮説によれば、マグマの量が変動するのは、温度差ではなく化学組成の変化（火山活動の大きな量は、より容易に溶融するマントル物質に対応する）に起因する。

プレート仮説では、マントル深部対流や湧昇の存在を否定するわけではないが、これらのプロセスは、地球のマントルの大部分に広がり、大量の熱を輸送し、地表の火山活動に寄与する柱状の垂直構造という意味でのマントルプルームをもたらさないとしている。^{[36] : 277}

プレート仮説の傘の下では、地表火山活動を可能にする以下のサブプロセスが認識されている。^[36]

• 大陸の分裂;
• 中央海嶺の肥沃度;
• プレート境界接合部における火山活動の活発化。
• 小規模な岩石圏下対流。
• 海洋プレート内伸張;
• スラブの引き裂きおよび破損;
• 浅いマントル対流;
• 構造の不連続部分における応力の急激な横方向の変化。
• 大陸プレート内の伸張;
• 壊滅的な岩石圏の薄化。
• 岩石圏下の溶融池と排水。

これらのプロセスに加えて、金星のアダムスクレーターやカナダのサドベリー火成岩複合体を作ったような衝突イベントは、溶融と火山活動を引き起こしたことが知られています。衝突仮説では、より薄い海洋リソスフェアを貫通できる特定の大型海洋衝突によって、一部のホットスポット火山活動領域が誘発される可能性があり、洪水玄武岩火山活動は、主要な衝突地点の反対側の点に集中した収束地震エネルギーによって引き起こされる可能性があると提案されています。^[58]衝突誘発性火山活動は十分に研究されておらず、ホットスポットとプレートテクトニクスの研究に影響を与える、陸上火山活動の別の原因カテゴリを構成しています。

1997年には地震トモグラフィーを用いて、地表から核マントル境界まで浸透する沈みゆくテクトニックスラブを画像化することが可能になった。^[59]

ハワイのホットスポットについては、1971年に早くも提唱されていたように、長周期地震波回折トモグラフィーによってマントルプルームが原因であるという証拠が示された。 ^[60]イエローストーンのホットスポットについては、2011年から地震学的証拠がプルームモデルを支持する方向に収束し始め、ジェームズらは「イエローストーンのホットスポットの起源は下部マントルプルームである可能性が高い」と結論付けた。^{[61] [62]}アーススコープ（米国本土全域で高解像度の地震データを収集するプログラム）を通じて取得されたデータにより、イエローストーンの下にあるプルームの受け入れが加速した。^{[63] [64]}

このように、少なくともこれら 2 つの深部マントルプルームがコアとマントルの境界から上昇していることを示す強力な証拠があるものの、他の仮説を却下できることを確認するには、他のホットスポットに関する同様のトモグラフィー証拠が必要になる可能性があります。

• 剥離（地質学）  - 最下層の岩石圏の一部が、それが付着していた地殻プレートから失われること
• 表層運動 – 長い波長と小さな褶曲を示す陸地の隆起または陥没
• 造山運動 – 山脈の形成
• バーンショット – クラトンの深部でガスが蓄積することで発生する仮想的な火山噴火イベント
• プレート内火山活動 – プレート境界から離れた場所で起こる火山活動フォールバックとしてウィキデータの説明を表示するページ

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• Facts In Motion がYouTubeでマントルプルームについて解説しています。
• イエローストーンのマントルプルームの地震トモグラフィー画像
• 大火成岩地域委員会
• Mantleplumes.org: マントルプルーム懐疑論者のウェブサイト – Gillian R. Foulger によって管理および維持されています。