地殻変動と気候の相互作用

世界各地には、さまざまな形や大きさの火山が点在しています。太平洋沿岸の陸地には、よく知られている環太平洋火山帯の火山群が連なっています。アリューシャン列島からチリのアンデス山脈まで、これらの火山はそれぞれの地域環境を形作ってきました。その雄大な美しさに感嘆するだけでなく、これらの地質学的驚異がどのように機能し、景観や大気の変化にどのような役割を果たしているのか疑問に思う人もいるでしょう。基本的に、火山は地球の表面下からマグマ物質を地表に噴出する地質学的特徴です。地表に到達すると、「マグマ」という用語は消え、「溶岩」という一般的な名称になります。この溶岩は冷えて火成岩を形成します。火成岩を調べることで、マグマの最初の溶融から地表での溶岩の結晶化に至るまでの一連の出来事を解明することができます。火成岩を調査することで、火山ガス放出の証拠を推測することが可能であり、このガス放出は大気化学を変化させることが知られている。この大気化学の変化は、地球規模および地域規模の両方で気候サイクルに影響を与える。

マグマは火山形成の出発点です。火山活動を理解するためには、火山を形成するプロセスを理解することが不可欠です。マグマは、温度、圧力、組成（PTXとして知られる）を溶融状態の範囲内に保つことによって生成されます。溶融時の圧力と温度は、溶融物の化学組成を知ることによって理解されます。マグマを溶融状態に保つためには、1つの変数の変化が平衡を維持するために他の変数の変化を引き起こします（つまり、ルシャトリエの原理）。マグマの生成は、1)海洋地殻の沈み込み、2) マントルプルームからのホットスポットの生成、3) 海洋プレートまたは大陸プレートの発散、という複数の方法で行われます。海洋地殻の沈み込みは、通常、深部でマグマ溶融物を生成します。イエローストーン国立公園は、大陸の中心部に位置するホットスポットです。大陸プレートの発散（大西洋中央海嶺複合体など）により、地球表面のごく近くにマグマが生成されます。マントルからの熱のプルームが岩石を溶かし、ホットスポットが生成されます。ホットスポットは地殻のどの深さにも存在し得ます。海洋地殻のホットスポットは、プレートの速度に基づいて異なるマグマ供給システムを発達させます。 ^{[ 9 ]}ハワイとマデイラ諸島（アフリカ西海岸沖）は、2つの異なる供給システムを持つ火山複合体の例です。^{[ 9 ]}ハワイのような島はマデイラよりも速く移動するため、ハワイの層状岩石はマデイラの岩石とは異なる化学組成を持っています。^{[ 9 ]}ハワイとマデイラの下の層が異なるのは、これらの場所で地下で生成されたマグマが異なる時間だけ滞留するためです。マグマが地下で滞留する時間が長くなるほど、母岩はより高温になります。溶融物からの結晶の分化は、部分的に熱によって促進されます。したがって、生成される火成岩は、絶縁された母岩から絶縁されていない母岩まで様々である。^{[ 9 ]}これらのマグマ生成経路はそれぞれ異なる火成岩を発達させ、したがって、様々なPTX履歴を生み出す。火成岩系の定義やその他の地質学的説明は、Loren A. Raymondの岩石学のテキストで説明されている。^{[ 10 ]}

溶融物から火成岩が生成される過程を理解するためには、ノーマン・ボーエン博士とフランク・タトル博士がNaAlSiO₄ _- KAlSiO₄ - _SiO₂ - _{H₂O系から導き出した概念を理解することが不可欠です。タトル博士とボーエン博士は、試薬の混合物から合成火成岩を生成する実験岩石学研究所を用いて研究を行いました。これらの実験から得られ}た観察結果は、溶融物が冷却されるにつれて、派生マグマと火成岩が生成されることを示しています。ボーエン博士の研究によれば、マグマはまず苦鉄質火成岩を結晶化させ、その後珪長質火成岩を形成します。自然界でこの結晶化プロセスが起こると、圧力と温度が低下し、プロセスのさまざまな段階で溶融物の組成が変化します。この絶えず変化する化学環境が、最終的に地表に到達する組成を変化させるのです。

マグマガスの進化は、マグマの圧力・温度・膨張履歴に依存します。これらの要因には、同化物質の組成と母岩の組成が含まれます。ガスは、第一沸騰と第二沸騰という2つの異なるプロセスを経てマグマ中で発生します。第一沸騰は、溶融物の蒸気圧を下回る封圧の低下として定義されます。第二沸騰は、溶融物の結晶化による蒸気圧の上昇として定義されます。どちらの場合も、ガス泡が溶融物中に溶出し、マグマの地表への上昇を助けます。マグマが地表に向かって上昇するにつれて、温度と封圧が低下します。温度と封圧の低下により、結晶化が進み、溶解したガスの蒸気圧が上昇します。溶融物の組成によっては、この上昇は遅い場合も速い場合もあります。珪長質マグマは非常に粘性が高く、シリカ含有量が低い苦鉄質溶融物よりも地表への移動速度が遅くなります。溶出可能なガスの量と溶融物中のガスの濃度もマグマの上昇を制御します。溶融物に十分な溶存ガスが含まれている場合、溶出速度がマグマの上昇速度を決定します。苦鉄質溶融物には溶存ガスが少ないのに対し、珪長質溶融物には溶存ガスが多く含まれています。組成の異なる火山の噴火速度は、大気へのガス放出を制御する要因ではありません。噴火によって放出されるガスの量は、マグマの起源、マグマが通過する地殻経路、および地表でのPTxに関連するいくつかの要因によって制御されます。珪長質溶融物が地表に到達すると、一般的に非常に爆発的です（例：セントヘレンズ山）。苦鉄質溶融物は一般的に地表を流れ、層を形成します（例：コロンビア川玄武岩）。大陸地殻の下でマグマが発達すると、海洋地殻の下で生成されるマグマとは異なるタイプの火山が形成されます。沈み込み帯では、火山島弧（アラスカのアリューシャン列島など）と非弧火山活動（チリやカリフォルニアなど）が発生します。一般的に、弧火山活動は、地下のマグマ中に保持されるガスの濃度と量により、非弧火山活動よりも爆発的です。^{[ 11 ]}

鉱物中に閉じ込められた流体の流体包有物分析により、火山岩中の揮発性物質の進化の経路が明らかになることがあります。^{[ 12 ]}マグマ性揮発性物質の起源を解明するには、同位体分析と脱ガスシナリオの解釈が必要です。^{[ 12 ]}結晶化中の溶融物に気泡が蓄積すると、気泡構造が形成されます。気泡は、ガスが存在する状態で溶融物を過冷却することによって形成されます。岩石は地球の大気中で非常に速く結晶化したため、気泡に閉じ込められた流体について火成岩を調べることが可能です。さまざまな包有物を調べることで、揮発性物質の放出の原因となる地殻の同化と減圧を検出することができます。^{[ 12 ]}

岩石学者が火成岩や合成材料を調査する方法には、光学岩石学、X線回折（XRD）、電子プローブマイクロアナライザー（EPMA）、レーザーアブレーション誘導結合プラズマ質量分析法（LA-ICP-MS）など、多くの方法があります。光学岩石学などの方法は、研究者が火成岩のさまざまな組織や岩石の鉱物組成を理解するのに役立ちます。XRD法は、検査対象の岩石の鉱物成分を定義するため、組成は、この方法で発見された鉱物組成に基づいてのみわかります。EPMAは、岩石の組織的特徴をミクロンレベルで明らかにします。また、元素の存在量に基づいて岩石の組成も明らかにします。火成岩に閉じ込められた流体に関する情報については、LA-ICP-MSを使用できます。これは、流体または蒸気の小さなポケットがある岩石を見つけ、流体または蒸気を採取し、流体または蒸気中のさまざまな元素および同位体を検査することによって行われます。

ほとんどの火山は同じ種類のガスの混合物を放出しますが、それぞれの火山の放出物には、それらのガスの比率が異なります。水蒸気 (H ₂ O) が生成される主要なガス分子であり、二酸化炭素 (CO ₂ ) と二酸化硫黄 (SO ₂ ) がそれに続きます。これらはすべて温室効果ガスとして機能します。いくつかの特殊な火山は、より珍しい化合物を放出します。たとえば、ルーマニアの泥火山は、H ₂ O、CO ₂、または SO ₂よりもはるかに多くのメタンガスを噴出します。 −95〜98% のメタン (CH ₄ )、1.5〜2.3% の CO _{2 、および微量の水素とヘリウムガス。[13] 火山ガスを直接測定するために、科学者は一般的にフラスコと漏斗を使用して、火山の噴気孔または}噴気孔から直接サンプルを採取します。直接測定の利点は、ガス組成の微量レベルを評価できることです。^{[ 13 ]}火山ガスは、大気中のSO2雲を評価する衛星リモートセンシングツールである全オゾンマッピング分光法（TOMS）を使用して間接的に測定できます。[11][14] TOMSの欠点は、検出限界が高いため、火山爆発指数（VEI）が_3の噴火で放出されるような大量の噴出ガスを、0から7の対数スケールでしか測定できないことです。

火山からの硫黄の噴出は環境に大きな影響を与え、火山活動の大規模な影響を研究する際には考慮することが重要です。[ ^{14 ]火山}_{は成層圏に到達する硫黄（ SO2}の形で）の主な発生源であり、成層圏では OH ラジカルと反応して硫酸（H2SO4）を形成します_。硫酸分子が自発的に核生成するか、既存のエアロゾル上に凝縮すると、雨滴の核を形成するのに十分な大きさに成長し、酸性雨として降下します。SO2 の濃度が高い雨は植生を枯らし、その結果、地域のバイオマスが空気中の CO2 を吸収する能力が低下します。また、河川、湖、地下水に還元環境を作り出します。[15] 大気中の_硫黄濃度_の上昇は、他の分子との反応性が高いため、オゾン層の破壊につながり、正の温暖化フィードバックを引き起こす可能性があります。^{[ 14 ]}

珪長質溶融物組成の火山は、非常に爆発的な噴火を起こし、大量の塵やエアロゾルを大気圏上層部に放出することがあります。これらの微粒子放出物は強力な気候強制因子であり、温暖化、寒冷化、雨水の酸性化など、さまざまな反応を引き起こす可能性があります。気候反応は、塵雲の高度だけでなく、塵の大きさや組成にも依存します。一部の火山性ケイ酸塩は非常に速く冷却され、ガラス質の質感を形成します。その暗い色と反射性により、一部の放射線を吸収し、残りを反射します。成層圏に注入されたこのような火山物質は太陽放射を遮断し、その大気層を加熱し、その下の領域を冷却します。^{[ 15 ]}風のパターンは、塵を広大な地理的領域に拡散させる可能性があります。たとえば、1815年のインドネシアのタンボラ火山の噴火では、非常に多くの塵が放出され、遠く離れたニューイングランドで1℃の冷却が数ヶ月間観測されました。ヨーロッパ人とアメリカ人は、その影響を「夏のない年」と呼んだ。

火山噴出物には微量の重金属が含まれており、大気の下層に注入されると水圏に影響を与える可能性があります。これらの噴出物が大量に狭い範囲に集中すると、生態系に損害を与え、農業に悪影響を及ぼし、水源を汚染する可能性があります。^{[ 15 ]}火山から放出される物質には、通常、微量の重金属が含まれています。^{[ 15 ]}これらの噴出物が大量に狭い範囲に集まると、汚染の影響が極めて大きくなります。^{[ 15 ]}

火山活動が大気、気候、環境に及ぼす短期的（数ヶ月から数年）な影響は、硫黄ガスの位置、時期、流量、量、放出高度によって大きく左右されます。断続的な爆発的噴火は成層圏エアロゾルに対する主要な擾乱となります（ただし、大陸洪水玄武岩に伴う硫黄脱ガスの大気への影響は、より深刻である可能性があります）。対流圏では状況はそれほど明確ではありませんが、地球規模の対流圏硫酸塩負荷のかなりの部分は火山性である可能性があります。硫酸塩エアロゾルは、短波放射と長波放射の散乱と吸収、および雲凝結核としての作用によって、地球の放射収支に影響を与えます。火山性硫黄を気相とエアロゾル相の両方で含む雲が境界層と地表に運ばれると、深刻な環境および健康への影響をもたらす可能性があります。^{[ 14 ]}

環境および健康への影響の例としては、酸性雨や粒子による日陰による農業損失、生態系への被害、水圏の汚染などが挙げられる。^{[ 14 ]} 火山噴火の強度は、噴出物の高度と影響を制御する変数である。大規模な噴火は小規模な噴火よりも発生頻度は低いが、大規模な噴火は依然としてより多くの粒子状物質を大気中に放出する。^{[ 15 ]}噴出物の年間を通じた挙動は、大規模な噴火と比較して大気への影響は軽微である。^{[ 15 ]}時間の経過とともに、小規模噴火の組成の変化は、大気循環と地球規模の気候の変化をもたらす。^{[ 15 ]}大規模な噴火は、大気に即座に変化をもたらし、それがその周辺地域の気候変動につながる。^{[ 15 ]}火山噴出物が大きいほど、噴出されたケイ酸塩物質が到達する高度が高くなる。より高高度への噴出は、強度の大きい噴火によって引き起こされる。大規模な噴火は、平均して小規模な噴火ほど多くの物質を放出しません。これは、噴火の再発周期と、1回の噴火で放出される物質の量に関係しています。^{[ 15 ]}「大気中への硫黄の注入高度は、気候への影響を決定するもう1つの重要な要因です。より激しい噴火、つまりマグマの放出率が高い噴火は、反応性の硫黄ガスを成層圏まで上昇させ、そこで気候に影響を与えるエアロゾルを生成する可能性が高くなります。」^{[ 14 ]}

火山の噴火強度は、粒子の高度を制御する唯一の要因ではありません。火山の周囲の気候は、噴火の影響を制限します。気候変数を制御変数として扱い、噴火強度を一定に保つ噴火モデルは、熱帯地域で大気中に放出される火山灰やその他の火砕物などの粒子状物質の放出が、乾燥地帯や極地での噴火よりも高い高度に達すると予測しています。^{[ 16 ]}これらの気候変数には、湿度、乾燥度、風、大気安定性などが含まれます。^{[ 16 ]}このモデルによる観測は、自然界で見られる現象と一致しています。熱帯気候の火山は、極地の火山よりも高い噴火高度を示します。^{[ 16 ]}熱帯が拡大すれば、大気中に高高度の放出物を生成できる火山の数が増えるでしょう。^{[ 16 ]}大気中のケイ酸塩物質の増加による気候への影響は相当なものとなるだろう。なぜなら、熱帯地域の拡大に伴い、これらの熱帯噴火の高さがより顕著になり、冷却、汚染、航空機の障害などのリスクが増大するからである。^{[ 16 ]}

火山の位置は、大気加熱の地理的分布や、大気循環（特に北半球）に影響を与える惑星波の発生に大きく影響します。もう一つの重要な要因は、対流圏界面の高さが緯度によって変化することです。熱帯では海抜約16～17kmですが、高緯度では10～11kmまで下がります。一般的に、爆発的な噴火が対流圏界面を越えるには、中緯度から極緯度よりも熱帯の方が、より大きな強度（マグマ放出率）が必要です。しかし、この影響を制限する要因が2つあります。1つ目は、熱帯から離れるほど太陽エネルギーの吸収が少なくなるため、高緯度での噴火は低緯度での噴火よりも影響が限定的になることです。2つ目は、大気循環が高緯度での噴火の影響を制限するように作用することです。成層圏にエアロゾルを噴出する熱帯での噴火は、局所的な加熱をもたらします。これにより、赤道と高緯度の間の中間圏の温度差が大きくなり、それによって両半球にエアロゾルを拡散させる南北方向の気流が強まり、地球規模での気候強制力が促進されます。対照的に、高緯度の火山から成層圏に注入される火山性エアロゾルは、温度勾配に対して逆の効果をもたらし、南北方向の気流を停滞させる傾向があります。高緯度の火山の噴火の結果として形成された成層圏エアロゾルは、反対側の半球にはほとんど、あるいは全く到達しません。^{[ 14 ]}

火山は気候に影響を与えるだけでなく、気候からも影響を受けます。氷河期には、火山活動は遅くなります。氷河の成長は、夏の暑さが弱く冬の寒さが強まるときに促進され、氷河が大きくなると重くなります。この過剰な重量は、マグマ溜まりが火山を生成する能力に逆効果をもたらします。^{[ 17 ]}熱力学的には、マグマにかかる閉じ込め圧力が溶解した成分の蒸気圧よりも大きい場合、マグマはガスをより容易に溶解します。氷河の蓄積は通常、高地で発生し、そこは大陸火山の大部分が存在する場所でもあります。氷の蓄積は、マグマ溜まりの崩壊と地下での結晶化を引き起こす可能性があります。^{[ 17 ]}マグマ溜まりの崩壊の原因は、地球に押し付けられる氷の圧力が、マントル内の熱対流によってマグマ溜まりに及ぼされる圧力よりも大きい場合に発生します。^{[ 17 ]}氷河の氷床コアデータは、過去の気候についての洞察を与えてくれます。「酸素同位体とカルシウムイオンの記録は気候変動の重要な指標であり、硫酸イオン（SO ₄）と氷の電気伝導率のピークは火山エアロゾルの降下を示しています。」^{[ 14 ]}氷床コアに見られるように、熱帯と南半球の火山噴火はグリーンランド氷床には記録されていません。^{[ 14 ]}熱帯の噴火による降下物は両極で見られますが、これにはほぼ 2 年かかり、硫黄の降下物のみで構成されています。^{[ 14 ]}「氷床コアの記録から明らかになった驚くべきことの一つは、火山灰の記録ではこれまで認識されていなかった数多くの大噴火の証拠です。この方法の注意点の一つは、季節層を数えることによる氷床コアの年代測定はかなり確実ではあるものの、絶対確実な方法ではないということです。コアが採取される深度が深いほど、変形している可能性が高くなります。卓越風と大気化学は、火山性揮発性物質を発生源から地表または大気中の最終地点まで移動させる上で大きな役割を果たします。」^{[ 14 ]}

白亜紀には、地球は異常な温暖化傾向を経験しました。この温暖化については、地殻変動とマグマ活動の2つの要因が考えられています。^{[ 18 ] [ 19 ]} 1つの説は、マグマの巨大プルームが大気中に高濃度のCO2を放出したというものです_。^{[ 18 ]}白亜紀の二酸化炭素濃度は、現在の3.7～14.7倍にも達し、平均気温が2.8～7.7℃上昇した可能性があります。^{[ 18 ]}地殻変動によって、プレートの移動と海面低下が地球全体でさらに4.8℃上昇した可能性があります。^{[ 18 ]}マグマ活動と地殻変動の複合的な影響により、白亜紀の地球の気温は現在よりも7.6～12.5℃高かった可能性があります。^{[ 18 ]}

白亜紀の温暖化に関する2つ目の説は、炭酸塩物質の沈み込みである。^{[ 19 ]}石炭紀の物質が沈み込むと、火山から二酸化炭素が放出される。^{[ 19 ]}白亜紀には、テチス海は石灰岩の堆積物に富んでいた。^{[ 19 ]}この石炭紀のプラットフォームが沈み込むと、結果として生じるマグマは二酸化炭素を多く含むようになる。二酸化炭素は溶融物によく溶けるため、マグマの閉じ込め圧力が十分に低くなり、脱ガスして大量の二酸化炭素が大気中に放出され、温暖化を引き起こすまで、二酸化炭素は溶解したままになる。^{[ 19 ]}

火山は地球の景観において、力強いイメージと影響力を持つ存在です。火山の発生は、その場所とマグマの起源によって決まります。マグマは、圧力と温度が結晶化とガス放出を可能にするまで溶融状態を保ちます。ガス放出の過程で、マグマ溜まりは上昇し、地表に接触して火山を形成します。溶融物質の組成によっては、この火山には様々なガスが含まれる可能性があります。火山噴火によって放出されるガスのほとんどは温室効果ガスであり、大気の変化を引き起こします。これらの大気の変化は、地域的にも局地的にも、気候を新たな大気との新たな平衡状態に導きます。こうした変化は、寒冷化、温暖化、降水量の増加など、様々な形で現れる可能性があります。