プレート理論（火山活動）

プレート理論は、地球上のすべての火山活動、表面的には異常に見えるものも含め、すべてをプレートテクトニクスの作用によるものとした火山活動モデルです。プレート理論によれば、火山活動の主な原因は岩石圏の拡大です。岩石圏の拡大は岩石圏の応力場の関数です。ある時点における火山活動の地球規模の分布は、同時期の岩石圏の応力場を反映し、火山の空間的および時間的な分布の変化は応力場の変化を反映しています。応力場の進化を支配する主な要因は次のとおりです。

1. プレート境界の形状の変化。
2. 垂直方向の動き。
3. 熱収縮。

リソスフェアの伸張により、地殻とマントルにすでに存在する溶融物が地表に逃げ出すことができます。伸張が激しく、アセノスフェアが上昇するほどリソスフェアが薄くなると、減圧湧昇によって追加の溶融物が生成されます。

1960 年代後半から 1970 年代にかけて発展したプレート テクトニクスは、地球の火山活動のほとんどを巧みに説明しました。プレートが離れる拡大境界では、アセノスフェアが減圧して溶解し、新しい海洋地殻を形成します。沈み込み帯では、海洋地殻のスラブがマントルに沈み込み、脱水して揮発性物質を放出し、それが融点を下げて火山弧と背弧延長部を生み出します。ただし、いくつかの火山地域はこの単純な図式に当てはまらず、従来はプレート テクトニクス以外の説明を必要とする例外的なケースと考えられてきました。

1960年代初頭のプレートテクトニクスの発達の直前、カナダの地球物理学者 ジョン・トゥーゾ・ウィルソンは、火山島の列は、安定したマントル対流セルの中心にある比較的静止したホットスポットの上を海底が移動することによって形成されると提唱した。 ^[2] 1970年代初頭、ウィルソンのアイデアはアメリカの地球物理学者W・ジェイソン・モーガンによって復活した。一部の火山地域に必要と思われる長寿命のマグマ供給を説明するために、モーガンは仮説を修正し、その源を熱境界層に移した。プレートに対する一部の火山源の認識された固定性から、彼はこの熱境界がプレートが乗っている対流する上部マントルよりも深いと提案し、それを地表下3,000kmの核-マントル境界に位置付けた。彼は、この熱境界の固定点から狭い対流が発生し、異常に高温の物質を地表まで運ぶ導管を形成すると示唆した。^{[3] [4]}

このマントルプルーム理論は、20世紀の残りの期間、明らかな火山異常現象に対する主要な説明となった。^{[5] [6]}しかし、この仮説を検証することは困難を伴います。プルーム理論の中心的な信条は、溶融物の源が周囲のマントルよりもかなり高温であるというものであり、したがって最も直接的なテストはマグマの源の温度を測定することです。しかし、これは困難です。マグマの岩石生成は非常に複雑であり、岩石学や地球化学から源の温度を推測することは信頼できないからです。 ^[7] 源の温度に関する追加の制約を提供するために使用される地震データは非常に曖昧です。 ^[8]これに加えて、マントルプルームが下にあるとされる多くの場所で、プルーム理論のいくつかの予測が成功していないことが証明されています。^{[9] [7]}また、この仮説を疑う重要な理論的理由もあります。^{[10] [11]}

前述の問題から、アメリカの地球物理学者ドン・L・アンダーソンとイギリスの地球物理学者ジリアン・R・ファウルガーに率いられた多くの地球科学者が、プレートテクトニクスでは簡単には説明できない火山活動に対する別の説明を追求するようになった。これらの説明は、別の無関係な理論を導入するのではなく、プレートテクトニクスの範囲を本質的に拡大し、これまでその範囲外であると考えられていた火山活動に対応できるようにするものである。ここでの基本的なプレートテクトニクスモデルへの重要な変更は、プレートが硬いという仮定を緩和することである。これは、リソスフェアの伸張がプレート境界の拡大だけでなくプレート内部全体で起こることを意味し、この現象は理論的にも経験的にも十分に裏付けられている。^{[12] [13]}

過去20年間で、プレート理論は多くの支持者を集め、地球科学のいくつかの分野の研究者を魅了するまとまりのある研究プログラムに発展しました。また、いくつかの国際会議や多くの査読付き論文の焦点となっており、アメリカ地質学会の2つの主要な編集書^{[14] [15]}と教科書^{[7]の主題となっています。}

地球規模のリソスフェアの拡大は、プレート運動回路が閉じていないことの必然的な結果であり、追加のゆっくりとした拡大境界に相当します。拡大は主に次の 3 つのプロセスによって生じます。

1. プレート境界の構成の変化。プレートや境界の形成または消滅、スラブのロールバック（沈み込むスラブの垂直沈下により海溝が海洋方向へ移動すること）など、さまざまなプロセスによって生じる可能性があります。
2. 下部地殻とマントルリソスフェアの剥離と、侵食、造山運動、または氷床の融解に伴う等圧調整によって生じる垂直運動。
3. 熱収縮。太平洋などの大きなプレート全体で合計すると最大量になります。

これらのプロセスから生じる伸張は、大陸リフトゾーン（例：東アフリカ地溝帯）、拡散した海洋プレート境界（例：アイスランド）、^{[16] [17]}大陸背弧伸張領域（例：米国西部のベイスン・アンド・レンジ地域）、海洋背弧盆地（例：パプアニューギニア沖ビスマルク海のマヌス海盆）、前弧領域（例：西太平洋）、^[18]およびリソスフェア剥離が起こっている大陸領域（例：ニュージーランド）を含むさまざまな構造に現れます。^[19]

大陸の分裂は、地溝の形成から始まります。地溝の伸張が持続し、アセノスフェアの湧昇によるマグマによって完全に補われると、海洋地殻が形成され、地溝は拡大プレート境界になります。地溝の伸張が孤立して一時的な場合は、プレート内と分類されます。地溝は海洋地殻と大陸地殻の両方で発生する可能性があり、その量は小さなものから拡大境界で見られる量に近いものまでさまざまです。すべてがマグマ活動を引き起こす可能性があります。^[20]

北東大西洋では、さまざまな伸張様式が見られる。大陸のリフト形成は古生代後期に始まり、白亜紀後期から暁新世前期にかけて壊滅的な不安定化が続いた。後者はおそらくアルプスプレートのロールバックによって引き起こされ、ヨーロッパ全土に伸張をもたらした。より深刻なリフト形成は、4億2000万年前頃にイアペトゥス海が閉じた、以前から弱かったカレドニア縫合線に沿って発生した。伸張が局所的になるにつれて、5400万年前頃に海洋地殻が形成され始め、アイスランド周辺では拡散伸張が持続した。^[21]

いくつかの大陸間地溝は、本質的に大陸分裂軸の崩壊であり、これらのいくつかはプレート境界との三重会合点を形成している。例えば、東アフリカ地溝は、紅海とアデン湾との三重会合点を形成しており、どちらも海底拡大段階にまで進んでいる。同様に、中央アメリカ地溝は、約11億年前にアマゾンクラトンとローレンシアを分けた3つ目の三重会合点とともに、2つの三重会合点の腕を構成している。^[22]

アメリカ西部全域で、リソスフェアの伸張による多様な火山活動が発生しています。カスケード火山は、ブリティッシュコロンビア州から北カリフォルニアまで広がる背弧火山列です。背弧の伸張は、ベイスン・アンド・レンジ州を東に進み、小規模な火山活動が地域全体に広がっています。

太平洋プレートは地球上で最大の構造プレートであり、地球の表面の約3分の1を覆っています。リソスフェアの熱収縮により、太平洋プレートは大きな伸張と剪断変形を起こします。剪断変形が最も大きいのはサモアとイースターマイクロプレートの間の地域で、^[23]クック-オーストラル山脈、マルケサス諸島とソシエテ諸島、ツアモツ諸島、フカ海嶺とプカプカ海嶺、ピトケアン島などの火山地域が多数あります。

リソスフェアの拡張の特定の領域に侵入および/または噴出するマグマの量は、2 つの変数に依存します。(1) 地殻とマントル内の既存の溶融物の利用可能性、および (2) 減圧湧昇によって供給される追加の溶融物の量。後者は、(a) リソスフェアの厚さ、(b) 拡張の量、および (c) 源の溶融性と温度という 3 つの要因に依存します。

地殻とマントルの両方に、豊富な既存の溶融物が存在する。地殻では、溶融物は活火山の下の浅い貯留層に蓄えられ、より深い貯留層から供給されている。アセノスフェアでは、少量の部分溶融物が、プレート運動の潤滑剤として働く弱い層を提供していると考えられている。既存の溶融物が存在するということは、カメルーンやピトケアン-ガンビエ火山列のようなリソスフェアの伸張がそれほど大きくない地域でもマグマ活動が発生する可能性があることを意味する。^[20]

アセノスフェアの減圧によるマグマ形成速度は、アセノスフェアがどれだけ高く上昇できるかに依存し、それはリソスフェアの厚さに依存する。数値モデルから、最大の洪水玄武岩における溶融物の形成は、その定置と同時には起こり得ないことは明らかである。^[24]これは、溶融物はより長い期間にわたって形成され、リソスフェアとアセノスフェアの境界に位置する可能性が高い貯留層に蓄えられ、リソスフェアの伸張によって放出されることを意味する。大量のマグマがリソスフェアの底に蓄えられていることは、ジンバブエのグレートダイクや南アフリカのブッシュフェルト火成岩複合体などの大規模なマグマ地域の観察で実証されている。そこでは、厚いリソスフェアが大量のマグマ活動の間もそのまま残っていたため、必要な規模の減圧湧昇は排除でき、大量のマグマが事前に存在していたに違いないことを示唆している。^[25]

伸張が激しく、リソスフェアが著しく薄くなると、アセノスフェアが浅い深さまで上昇し、減圧溶融を引き起こし、より大量の溶融物を生成する。リソスフェアが薄い中央海嶺では、減圧湧昇によって適度なマグマ活動が発生する。同じプロセスにより、ゆっくりと伸張する大陸のリフトの上またはその近くで少量のマグマ活動が発生することもある。大陸の下では、リソスフェアの厚さは最大 200 km である。この厚さのリソスフェアが激しく持続的に伸張すると、破裂し、アセノスフェアが表面に湧昇し、数百 km の長さの軸に沿って数千万立方キロメートルの溶融物を生成する可能性がある。これは、たとえば、北大西洋が開いたときに、アセノスフェアがパンゲアリソスフェアの底から表面に上昇したときに発生した。^[20]

剛体プレートテクトニクスの文脈で異常であると考えられている火山地域の大部分は、現在ではプレート理論を用いて説明されている。^{[15] [14]}この種の火山活動の典型例としては、アイスランド、イエローストーン、ハワイが挙げられる。アイスランドは、プレート境界に位置する火山異常の典型例である。イエローストーンは、その西にあるイースタンスネーク川平原とともに、大陸内火山異常の典型例である。ハワイは、関連するハワイ-天皇海山列とともに、海洋内火山異常の典型例である。^[7]

アイスランドは、北東大西洋の中央海嶺にある高さ 1 km、面積 450 x 300 km の玄武岩盾状地域です。100 を超える活火山や死火山から構成されており、数十年にわたって地球科学者によって広範囲に研究されてきました。

アイスランドは、北東大西洋のより広範な構造と地殻変動の歴史という文脈で理解されなければならない。北東大西洋は、長期間の地溝形成の後、パンゲアが分裂し始めるにつれてグリーンランドがユーラシアから分離した新生代初期に形成された。アイスランドの現在の位置の北では、分裂軸がカレドニア縫合線に沿って南に伝播した。南では、分裂軸が北に伝播した。2つの軸は、東西に約100km、南北に300km離れている。2つの軸が海底を完全に拡大するまで発達したとき、2つのリフト間の100x300kmの大陸領域がアイスランド微小大陸を形成し、北向きのリフト軸に沿って拡散伸張と剪断を受け、玄武岩質溶岩が伸びた大陸地殻の中と上に置かれた。このスタイルの拡大は、頻繁に消滅し、新しいものに置き換わる平行リフトゾーンにわたって存続しています。^[17]

このモデルは、この地域のいくつかの明確な特徴を説明します。

1. グリーンランドからフェロー諸島までの陸上陸橋が今も残っています。この陸橋は、北東大西洋の幅が約 1,000 km だった頃に分断され、現在はその古い部分が浅い海底の尾根を形成しています。
2. 南北に広がる海嶺の不安定性と分離。北では、エーギル海嶺が3100万年から2800万年頃に消滅し、西に約400km離れたコルベインゼー海嶺に拡大が移行しました。南のレイキャネス海嶺では、海嶺の走向に対して垂直に広がった約1600万年後に拡大の方向が変わり、海嶺は海嶺変換システムとなり、後に東に移動しました。
3. グリーンランド・アイスランド・フェロー海嶺下の地殻の特性。ここでは地殻の厚さは主に 30～40 km である。地震波速度の低さと密度の高さの組み合わせは、厚い海洋地殻として分類することを困難にし、代わりにマグマで膨張した大陸地殻であることを示す。これは、アイスランドが、新しい海洋海嶺の継続的な伝播に構造的に抵抗する大陸地殻の持続的な伸張の結果であることを示唆している。その結果、大陸の伸張は例外的に長期間継続し、まだ真の海洋拡大に取って代わられていない。溶融物の生成は、厚さ約 10 km の海洋地殻を生成する隣接する中央海嶺に似ているが、アイスランドの下では、海洋地殻を形成するのではなく、溶融物は伸張した大陸地殻の中や上に配置されている。
4. アイスランドの珍しい岩石学と地球化学は、約10％が珪長質および中間質であり、大陸地殻による珪長質同化または汚染を受けたカルーやデカンなどの洪水玄武岩と地球化学が類似しています。^[17]

イエローストーンとその西側のイースタン・スネーク川平原は、東に向かうにつれて次第に若くなり、ワイオミング州北西部の現在活動中のイエローストーン・カルデラに至る、大規模な珪長質カルデラ火山の帯を構成している。しかし、この帯は時間経過を示さない玄武岩質溶岩で覆われている。大陸内部に位置するため、広範囲に研究されてきたが、研究は主にマントル深部の発生源を突き止めることを目的とした地震学と地球化学で構成されてきた。これらの方法は、火山活動が浅い深さでの過程に関連しているとするプレート理論を展開するのには適していない。

アイスランドと同様に、イエローストーン-イースタン・スネーク川平原地域の火山活動は、より広い地質学的文脈で理解されなければならない。米国西部の地質史は、 1700万年前後に始まった東太平洋海膨の北米プレートへの沈み込みに大きく影響されている。プレート境界が沈み込みから剪断に変化したことで、米国西部全域にわたる伸張が誘発された。これにより、250kmに及ぶ岩脈帯を噴火して地殻を数km広げたコロンビア川玄武岩群を皮切りに、広範囲にわたる火山活動が引き起こされた。その後、正断層運動によってベイスン・アンド・レンジ地域が形成され、イエローストーン-イースタン・スネーク川平原、ヴァレス、セント・ジョージの火山帯の東西3地域で特に噴火が多く、散発的な火山活動が生じた。他の地域と比較すると、イエローストーン-イースタン・スネーク川平原地域は、時間とともに進化する珪長質火山列と顕著な地熱特性により、珍しい地域であると考えられています。

火山の珪長質組成は、下部地殻起源であることを示している。火山活動がリソスフェア伸張の結果である場合、イエローストーン-イースタン・スネーク川平原地帯に沿った伸張は、過去1700万年の間に西から東へ移動したに違いない。 ^[27]これが事実であることを示す証拠がある。ベイスン・アンド・レンジ地域での伸張を示す近くの正断層の加速運動は、珪長質火山活動の移動と同時に東へ移動している。これは、GPS測量による最近の変形の測定によって裏付けられており、ベイスン・アンド・レンジ地域では極東と極西に最も激しい伸張地帯があり、中央500 kmではほとんど伸張がないことがわかっている。^[28]したがって、イエローストーン-イースタン・スネーク川平原地帯は、西から東へ移動した伸張の場所を反映している可能性が高い。^[27]これは、米国西部の他の地域、例えばカリフォルニア州のコソ温泉^[29]やロングバレーカルデラ^[30]でも同様の伸張による珪長質マグマ活動が起こっていることでさらに裏付けられています。

イエローストーン-イースタンスネーク川平原地帯の全長にわたる同時拡大により、持続的な玄武岩質火山活動が生じたことは、1987年から2003年の間に記録されたGPS測定で明らかであり、同地帯の北と南の両方への拡大が記録されている。^[31]歴史的拡大の証拠は、玄武岩の流れの原因となる北西向きの岩脈供給地溝帯で見ることができる。^[32]アイスランドと中央海嶺での同様の火山活動との類似性は、拡大期間が短く、したがってイエローストーン-イースタンスネーク川平原地帯に沿った玄武岩質火山活動は、長い非活動期間の間に短い活動爆発として発生することを示している。^[26]

ハワイ-エンペラー火山系は研究が難しいことで有名である。主要な大陸から数千キロ離れており、周囲を深海に囲まれ、海面より上の部分はごくわずかで、厚い玄武岩に覆われているため深部の構造は不明瞭である。この火山系は白亜紀の磁気静穏帯に位置しており、地球の磁場が比較的長期間にわたって通常の極性を保つため、岩石圏の年代変化を正確に判定することは難しい。太平洋の地殻変動史をより一般的に再構築することは、エンペラー火山列が始まった拡大海嶺を含む、以前のプレートとプレート境界が沈み込んでいるため、困難を伴っている。これらの問題のため、地球科学者は、この火山系の起源について、確実に検証できる完全に発展した理論をまだ生み出していない。

このような理論で説明しなければならない観察事項には、以下のものが含まれます。

1. ハワイは太平洋プレートのほぼ正確な幾何学的中心に位置しており、主に沈み込み帯に囲まれた西太平洋と主に拡大海嶺に囲まれた東太平洋を分ける線の中間点にあります。
2. 溶融物の量の増加。過去 5,000 万年の間に、溶融物の生産率は年間わずか 0.001 km ³から年間 0.25 km ³に増加しており、これは約 250 倍です。ビッグ アイランドの形成の原因となった現在のマグマ活動の速度は、わずか 200 万年しか続いていません。
3. 約 5000 万年間、地磁気極と太平洋プレートの形状の両方に対して火山中心が移動していない。
4. ハワイ諸島は60度の「屈曲」によって天皇列島と連続している。天皇列島は3000万年かけて形成され、その間に火山の中心は南南東に移動した。移動はハワイ諸島の始まりで止まった。60度の屈曲はプレートの方向の変化では説明できない。なぜならそのような変化は起こっていないからである。^{[33] [34]}

消滅した島や海山の周囲で地域的な熱流量異常が検出されなかったことは、火山が局所的な熱地形であることを示している。^[35]プレート理論によれば、ハワイ-天皇システムは太平洋プレートの伸張領域で形成された。プレートの伸張は、プレート境界の変形、熱収縮、およびアイソスタシー調整の結果である。伸張は、約80 Maに拡大海嶺で始まった。プレートの応力場はその後3000万年にわたって進化し、伸張領域とそれに伴う火山活動は南南東に移動した。約50 Maに応力場は安定し、伸張領域はほぼ静止した。同時に、太平洋プレートの北西方向の動きが強まり、その後5000万年にわたって、プレートがほぼ静止した伸張領域を横切って移動するにつれてハワイ山脈が形成された。^[20]

ハワイ-エンペラー火山群の火山活動の増加率は、地殻とマントルの溶融物の利用可能性を反映している。エンペラー火山群の最古の火山は、若い、したがって薄い海洋リソスフェア上に形成された。海山の大きさは海底の年齢とともに大きくなり、溶融物の利用可能性はリソスフェアの厚さとともに増加することを示す。これは減圧溶融が寄与している可能性を示唆しており、これもリソスフェアの厚さとともに増加すると予想される。過去 200 万年間のマグマ活動の大幅な増加は、溶融物の利用可能性が大幅に増加したことを示しており、既存の溶融物のより大きな貯蔵庫または例外的に溶融しやすい供給源領域が利用可能になったことを意味している。岩石学的および地球化学的証拠は、この供給源がアセノスフェア内の古い変成海洋地殻である可能性があることを示唆している。これは非常に溶融しやすい物質であり、マントル岩石よりもはるかに大きなマグマ量を生み出す可能性がある。^{[36] [37]}

この理論の代表者たちは、プレート理論の大きな利点は、プレートテクトニクスを地球の火山活動の統一的な説明にまで拡張し、一見例外的に見える火山活動の事例に対応するために設計された無関係な仮説を持ち出す必要性をなくしたことであると考えている。^{[1] [38] [12] [13] [20]}

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