マグマ水

マグマ水は、地球の地殻深部でマグマによって溶解され、火山の噴火時に大気中に放出された鉱物と平衡状態にある水相である。マグマ水は、火成岩、特にケイ酸塩の結晶化、およびマグマ溜まりのレオロジーと進化を評価する上で重要な役割を果たしている。マグマは、相対的な自然存在比が異なる鉱物、結晶、揮発性物質から構成されている。^[1]マグマの分化は、さまざまな要因、最も顕著なのは水の存在に基づいて大きく変化する。^[2]マグマ溜まり内の揮発性物質の豊富さは粘度を低下させ、塩化物や水酸化物基などのハロゲンを含む鉱物の形成につながる。さらに、揮発性物質の相対的な豊富さは、玄武岩、安山岩、流紋岩のマグマ溜まり内で変化し、その結果、一部の火山は他の火山よりも爆発性が極めて高くなる。マグマ水は、珪酸塩溶融物にはほとんど溶けませんが、流紋岩溶融物の中で最も高い溶解度を示しています。マグマ水が豊富であると、高度な変形を引き起こし、母岩内の δ ¹⁸ O とδ ² Hの量を変えることがわかっています。

マグマは、組成が異なる3つの主要な形態で存在します。^{[3]マグマが}地殻内で結晶化すると、噴出火成岩を形成します。マグマの組成に応じて、流紋岩、安山岩、玄武岩のいずれかを形成します。^[3]揮発性物質、特に水と二酸化炭素は、マグマの各形態の挙動にそれぞれ異なる大きな影響を与えます。^{[4] 、[2]}揮発性物質の濃度が高いマグマは、温度が最大数百度まで大幅に低下し、その固有粘度が低下します。^{[5]マグマの挙動は、}図1に示されているように、鉱物組成の変化によっても変化します。たとえば、マグマ水は、ガーネットを含む、ヒドロキシル基またはハロゲン化基が豊富ないくつかの鉱物の結晶化につながります。これらの鉱物の分析は、岩石惑星の内部での形成条件を分析するために使用できます。^{[5] 、[6]}

ほぼすべてのマグマには、さまざまな濃度の揮発性物質が含まれています。マグマ内の揮発性物質の例としては、水、二酸化炭素、ハロゲンガスなどがあります。^[1]高圧により、これらの揮発性物質は溶液内で比較的安定した状態を保つことができます。^[1]しかし、時間の経過とともにマグマの圧力が低下すると、揮発性物質はガス相で溶液から浮き上がり、マグマの圧力がさらに低下します。^[1]これらの圧力差により、マグマの体積に大きな違いが生じます。^[1]圧力差により、一部の火山は爆発性が高く、他の火山は噴出性になります。^[1]

ヒドロキシル基を含む鉱物の例としては、ガーネットがあります。ガーネットは無水鉱物であり、その全般的な安定性のため、地質学の分野では一般的に分析されています。ある研究では、上部マントル内のガーネットの存在を赤外分光法で分析し、約 3500 cm ⁻¹に吸収があることを示しました。これは、ヒドロキシル基の存在と一致しています。これらのガーネットは、地理的起源に応じて組成が異なることが示されています。^[6]南アフリカで行われたある特定の研究では、濃度が 1 ppm - 135 ppm の範囲であると判定されました。^{[6]ただし、これは}コロラド高原などの地域のヒドロキシル含有量よりも大幅に低い値です。また、OH と Mg + Fe の濃度には逆相関があることも実証されました。

玄武岩マグマは鉄、マグネシウム、カルシウムが最も豊富ですが、シリカ、カリウム、ナトリウムは最も少ないです。^{[1] 、 [3]}玄武岩マグマ内のシリカの組成は、45〜55重量パーセント（wt.%）、または種の質量分率の範囲です。^[1]それは約1830°Fから2200°Fの温度で形成されます。^{[1] 、 [3]}玄武岩マグマは粘度と揮発性物質の含有量が最も低いですが、それでも水の最大100,000倍の粘性があります。^{[1]粘度が低いため、これは最も爆発性の低いマグマです。玄武岩マグマは、}楯状火山で知られるハワイなどの地域で見つかることがあります。^{[1] 、[7]}

玄武岩質マグマはカルシウムを多く含む斜長石や輝石などの鉱物を形成します。玄武岩質マグマの水の組成はマグマ溜まりの進化に応じて変化します。コスタリカのイザルなどの島弧マグマでは、3.2～3.5重量%の範囲です。^[8]

安山岩マグマは中間マグマであり、鉄、マグネシウム、カルシウム、ナトリウム、カリウムがほぼ均一に分散しています。^{[1] [3]}安山岩マグマのシリカ組成は55〜65重量％です。^[1]約1470°F〜1830°Fの温度で形成されます。^{[1] 、 [3]}安山岩マグマは中程度の粘度と揮発性物質の含有量を持っています。^{[1]斜長石、}雲母、角閃石などの鉱物を形成します。

流紋岩マグマは珪長質で、シリカ、カリウム、ナトリウムが最も豊富ですが、鉄、マグネシウム、カルシウムは最も少ないです。^{[1] [3]}流紋岩マグマのシリカ組成は65〜75重量％です。^[1]最も低い温度範囲、約1200 °Fから1470 °Fで形成されます。^{[1] 、 [3]}流紋岩マグマは、最も高い粘度とガス含有量を持っています。^[1]ベスビオ山の壊滅的な噴火を含む最も爆発的な火山噴火を引き起こします。^[1]正長石、ナトリウムに富む斜長石、石英、雲母、角閃石 などの鉱物を形成します。

鉱物の沈殿は、ケイ酸塩溶融物内の水溶性の影響を受けます。ケイ酸塩溶融物は通常、約6～7重量％の濃度でSi ⁴⁺またはグループ1およびグループ2の陽イオンに結合したヒドロキシル基として存在します。 ^{[9] 、[10]}具体的には、水と溶存酸素の平衡により水酸化物が生成され、K_当量は0.1～0.3と概算されています。^[10]

この固有の溶解度は低いが、システムの圧力によって大きく変化する。流紋岩マグマの溶解度は最も高く、表面では約0%、1100 °Cおよび5 kbarでは約10%に達する。含水マグマが隆起すると脱ガスが起こり、溶解した水が徐々に水相に変化する。この水相には通常、揮発性物質、金属（銅、鉛、亜鉛、銀、金）、および第1族および第2族の陽イオンが豊富に含まれる。ヒドロキシルがどの陽イオンに結合しているかによって、火山噴火の特性、特に爆発性に大きな影響を与える。^[9] 374 °Cおよび218 barを超える異常に高い温度および圧力条件下では、水は超臨界流体状態になり、液体でも気体でもなくなる。^[9]

大西洋中央海嶺内のさまざまな場所から採取した同位体データは、斑れい岩、閃緑岩、斜長花崗岩などの苦鉄質から珪長質の貫入火成岩の存在を示している。^[11]これらの岩石は、600℃を超えるマグマ水の存在により、高度の変成作用を示している。この変形により、母岩の^{18 Oが枯渇したため、 18} Oと¹⁶ Oの比（δ18O ）のさらなる分析につながった。^{[ 11]}

^{火成岩溶融物と平衡状態にある水は、 18} Oとδ2Hの同じ同位体特性を示すはずである。しかし、マグマ水の同位体研究では、天水との類似性が実証されており、マグマ^地下水系と天水地下水系の循環を示唆している。^[12]

流体包有物の同位体分析では、δ ¹⁸ Oとδ ² Hの含有量に幅広い範囲があることが示されています。 ^[13]これらの環境内での研究では、SMOWと天水と比較して¹⁸ Oが豊富で^{2 Hが減少することが示されています。鉱床内では、流体包有物データにより、δ 18} Oとδ ² Hの存在は予想範囲内であることが示されました。

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