沈み込み帯変成作用

沈み込み帯は、あるプレートが別のプレートの下に移動する地殻の領域です。海洋地殻はマントルに再びリサイクルされ、大陸地殻は島弧 マグマの形成によって生成されます。島弧マグマは陸上で生成されるマグマの20％以上を占め^[2]、沈み込むスラブがマントルに下降する際に鉱物が脱水することによって生成され、上にある大陸プレートの基部に付加されます。^[3]沈み込み帯には、沈み込むスラブが下降中に遭遇する高圧、低温条件によって形成された独特のさまざまな岩石タイプがあります。^[4]この過程でスラブが通過する変成条件により、水を含む（含水）鉱物相が生成および変化し、マントルに水が放出されます。この水はマントル岩石の融点を下げ、溶融を開始します。^[5]これらの脱水反応が起こるタイミングと条件を理解することは、マントルの溶融、火山弧のマグマ活動、大陸地殻の形成を解釈する鍵となります。^[6]

変成相は、圧力-温度範囲と特定の出発物質に特有の安定した鉱物の組み合わせによって特徴付けられる。沈み込み帯の変成作用は、沈み込んだ海洋地殻のゼオライト、プレナイト-パンペリー岩、青色片岩、エクロジャイト相の安定帯を通る低温、高温-超高圧の変成経路によって特徴付けられる。 ^[7]ゼオライト相とプレナイト-パンペリー岩相の組み合わせは存在する場合と存在しない場合があり、したがって変成作用の開始は青色片岩相の条件によってのみ特徴付けられる可能性がある。^{[8]沈み込むスラブは、}遠洋性堆積物で覆われた玄武岩質地殻で構成される。^[9]ただし、遠洋性堆積物は前弧上壁に付加され、沈み込まない可能性がある。^[10]沈み込むプレート内で起こる変成相転移のほとんどは、含水鉱物相の脱水によって引き起こされます。含水鉱物相の分解は、通常、10 km 以上の深さで発生します。^[11]これらの変成相はそれぞれ、沈み込むプレートが経験した変成条件を記録する特定の安定した鉱物集合体の存在によって特徴付けられます。相間の転移により、特定の圧力-温度条件で含水鉱物が脱水されるため、火山弧の下のマントルの溶融イベントまで追跡できます。

島弧マグマは、マントルウェッジ内の交代作用領域が部分溶融して生成されます。この交代作用領域は、中央海嶺で形成された沈み込む海洋地殻に含まれる鉱物の脱水溶融から生じた液相と反応しています。 ^[2]沈み込む海洋地殻は4つの主要なユニットで構成されています。最上位のユニットは、最大0.3 kmの厚さの薄い外洋性堆積物の帽子で、珪質および石灰質の殻、隕石の塵、およびさまざまな量の火山灰で構成されています。次のユニットは、0.3～0.7 kmの厚さの枕状玄武岩で構成されており、玄武岩質マグマが海水に噴出する際に急冷されて形成されます。枕状玄武岩の下には、冷やされたマグマの導管を表す玄武岩のシート状岩脈複合体があります。底部は結晶化したマグマ溜まりで、地殻が形成された中央海嶺にマグマを供給している。厚さ1～5kmの層状の斑れい岩と、その上に厚さ7km未満の超塩基性岩（例えば 、ウェールライト、ハルツバージャイト、ダナイト、クロマイト）の層が重なってできている。^[12]海洋地殻はメタベイサイトと呼ばれる。^[13]

毎年、1～2 x 10兆キログラムの水が沈み込み帯に沈み込みます。その水の約90～95%は、雲母、フェンジャイト、角閃石、ローソン石、緑泥石、タルク、ゾイサイト、蛇紋石などの含水鉱物に含まれています。^[11]最も重要な含水鉱物は、ローソン石（11 wt% H ₂ O）、金雲母（2 wt% H ₂ O）、角閃石（2 wt% H ₂ O）です。金雲母は深さ約200 kmまで水を放出しませんが、角閃石は深さ約75 kmで水を放出します。蛇紋石も重要な含水相（13 wt% H _{2 O）であり、}超塩基性岩が浅いレベルで堆積しているゆっくりと拡大する海嶺で形成された海洋地殻にのみ存在します。ローソナイトは水深約 300 km まで水を放出せず、水を放出する最後の含水鉱物である。^{[1] [11]}沈み込み中の沈み込みプレート内では変成脱水反応が顕著であり、フェンジャイト、ローソナイト、ゾイサイトなどの含水鉱物の分解により、流動性の高い微量元素を含む液相が生じる。^[14]これにより、島弧マグマの微量元素分布パターンが独特なものとなる。^[3]島弧マグマと島弧マグマから形成された大陸地殻には、沈み込みプレート内での脱水反応で生じたホウ素、鉛、ヒ素、アンチモンが豊富に含まれる。スラブから放出された熱水はこれらの元素を移動させ、島弧マグマに取り込むことを可能にするため、島弧マグマは中央海嶺やホットスポットで生成されるマグマと区別される。^{[6] [15]}

玄武岩は、沈み込みの過程で、まずゼオライト相の条件（50～150 °C、深さ1～5 km）で変成すると考えられる。ゼオライトは、細孔のあるケイ酸塩鉱物で、間隙流体と玄武岩および遠洋性堆積物との反応によって生成される。ゼオライト相の条件は、通常、埋没中の泥質堆積物にのみ影響するが、気泡玄武岩の気泡内でゼオライト鉱物が生成されることによってよく示される。枕状玄武岩のガラス質の外皮もゼオライト相の条件下で変成作用を受けやすく、その結果、ゼオライトのヒューランダイトまたはスティルバイトと、セラドナイト、スメクタイト、カオリナイト、モンモリロナイトなどの含水フィロケイ酸塩、および二次的な石英が生成される。斑れい岩や玄武岩質の岩脈などの沈み込む岩板の結晶質火成岩は、より深部まで安定しており、斜長石のナトリウム端成分であるアルバイトが砕屑性火成岩斜長石に置き換わる。また、より深部のゼオライト相では、ゼオライトラウモンタイトがゼオライトヒューランダイトに置き換わり、フィロケイ酸塩緑泥石が一般的である。^{[8] [16]}

220～320℃までの温度および4.5kbar未満の経路では、沈み込むスラブは、含水緑泥石、プレナイト、アルバイト、パンペリー石、トレモライト、緑簾石の存在と、沸石であるヒューランダイトおよびローモンタイトの消失を特徴とするプレナイト-パンペリー石相に遭遇することがある。より高品位ではアクチノ閃石が発生することがある。 ^{[17]アルバイトとは別に、これらの特徴的な鉱物は含水しており、マントルの溶融に寄与している可能性がある。これらの鉱物は、青色片岩相に関連する}藍閃石の形成にも不可欠である。ローソナイトの低圧相の開始は、プレナイト-パンペリー石相変成作用の最も重要なマーカーである。ローソナイトの発生は重要です。ローソナイトには11重量％のH2O _[ ^18]が含まれており、高品位になるとそれが放出され、著しい溶融を引き起こす可能性があるからです。^[8]

ローモンタイト = ローソンナイト + 石英 + H ₂ O ^[19]

青色片岩相は、青色片岩相の名前の由来となった、ナトリウム質の青い角閃石、すなわち藍閃石の形成を特徴とする。ローソナイトも青色片岩相の特徴であり、藍閃石とともに産出する。 ^[20]藍閃石形成反応を以下に示す。藍閃石生成反応は、水を放出するか、含水層状珪酸塩の分解により含水相であるローソナイトを生成する可能性があるため重要である。青色片岩相の高圧下では、アルバイトが分解して翡翠と石英を形成することがある。方解石は、青色片岩条件下では一般にアラゴナイトに擬似形態変化する。青色片岩相メタベイサイトのその他の一般的な鉱物には、パラゴナイト、緑泥石、チタン石、スティルプノメラン、石英、アルバイト、絹雲母、パンペリー石 がある。

トレモライト+ 緑泥石 + アルバイト = 藍閃石 + 緑簾石 + H ₂ O

透閃石 + 緑泥石 + アルバイト = 藍閃石 + ローソン石

パンペリー石 + 緑泥石 + アルバイト = 藍閃石 + 緑簾石 + H ₂ O ^[8]

エクロジャイト相は、通常、深さ約80～100 kmで見られ、緑色のオンファス輝石と赤色のパイロープ ガーネットの存在が特徴です。^[11]オンファス輝石は、オージャイト-ジェダイト溶液です。エクロジャイト相の条件では、斜長石はもはや安定していません。アルバイト成分は、藍閃石生成反応中に分解し、そのナトリウムが藍閃石と輝石に組み込まれます。この反応は以下に記載されています。藍閃石の分解は、約600 °C、1 GPaを超える圧力で重要な水生成反応であり、マントルの大幅な溶融と火山活動を引き起こす可能性があります。^[8]

緑閃石 + パラゴナイト = パイロープ + ジェダイト + クォーツ + H ₂ O ^[8]

エクロジャイト相中に起こるもう一つの重要な水生成反応は、以下の反応による含水フィロケイ酸塩金雲母の脱水です。この反応は、マントルの大幅な溶融と火山活動を引き起こすこともあります。マントルの溶融を引き起こすこと以外に、この反応は沈み込むスラブ自体の部分的な溶融を引き起こすこともあります。

金雲母 + 透輝石 + 斜方輝石 = H ₂ O + 溶融物^[1]

ローソナイトは1080℃、9.4GPaまで安定している。ローソナイトの分解により大量のH2Oがマントルに放出され、スラブ_とその上にあるマントルの部分的な溶融を引き起こす可能性がある。ローソナイトの分解反応は以下の通りである。^[18]

ローソンナイト =グロッシュラー+トパーズ+スティショバイト+ H ₂ O ^[18]

アンチゴライト蛇紋岩は、エクロジャイト相の条件で分解するもう一つの重要な含水相です。アンチゴライトは、600〜700℃、2〜5GPaで分解します。アンチゴライトには13重量％の水が含まれており、マントルの大幅な溶融を引き起こします。^[11]反応を以下に示します。

アンチゴライト =フォルステライト+エンスタタイト+ H ₂ O ^[21]

エクロジャイト相への遷移は、深さ70km以上の地震の原因であると考えられています。これらの地震は、鉱物がよりコンパクトな結晶構造に遷移する際のスラブの収縮によって引き起こされます。沈み込むスラブ上のこれらの地震の深さは、和達・ベニオフ帯として知られています。^[22]

対生変成帯は、対照的な2つの変成条件、したがって2つの特徴的な鉱物の組み合わせを示す沈み込み帯に平行な一連の変成岩ユニットとして想定されました。^[23]海溝に最も近いのは、青色片岩からエクロジャイト相の組み合わせで特徴付けられる低温高圧変成条件のゾーンです。この組み合わせは、海溝に沿った沈み込みと低熱流量に関連しています。島弧に最も近いのは、アルミノケイ酸塩、菫青石、および斜方輝石などの角閃岩からグラニュライト相の鉱物の組み合わせで特徴付けられる高温低圧変成条件のゾーンです。この組み合わせは、火山島の下で溶融することによって生成される高熱流量に関連しています。^[24]

しかし、さらなる研究により、大陸内部では対をなす変成帯が一般的に見られることが示され、その起源については論争が巻き起こっている。^[25]プレート収束縁辺部における極度変成作用と沈み込み後火成作用の調査に基づくと、対をなす変成帯はさらに2つの対照的な変成相系列にまで拡大している。^[7] 1つは、10 °C/km未満の低温度勾配での沈み込み変成作用によって生成された青色片岩からエクロジャイト相系列であり、もう1つは、30 °C/kmを超える高温度勾配でのリフト変成作用によって生成された両閃岩からグラニュライト相系列である。