火山活動

火山活動（かくてん、かくてんそう、かくてんそう、かくてんそう、かくてんそう、かくてんそう）は、惑星や月などの固体表面を持つ天体の表面に固体、液体、気体、およびそれらの混合物が噴出する現象である。 ^[1]これは、天体内部に熱源（通常は内部で生成される）が存在することによって引き起こされる。熱は、放射性崩壊や潮汐加熱などのさまざまなプロセスによって生成される。この熱によって、天体内部の固体物質が部分的に溶解するか、物質がガスに変化する。移動した物質は天体内部を通って上昇し、固体表面を突き破ることもある。^{[2] [3]}

火山活動が起こるには、マントルの温度が融点の約半分まで上昇する必要があります。この時点で、マントルの粘性は約10 ²¹ パスカル秒まで低下します。大規模な融解が発生すると、粘性は急速に10 ³パスカル秒以下に低下し、熱輸送率が100万倍に増加します。^[3]

火山活動が発生する原因の1つは、溶融した物質が生成元の物質よりも流動性が高く密度が低い傾向があるため、地表に上昇する可能性があることです。^[3]

火山活動に必要な熱を発生させる方法は複数あります。太陽系外縁部の衛星の火山活動は、主に潮汐加熱によって行われています。^[1]潮汐加熱は、相互の重力による物体の形状の変形によって発生し、熱を生成します。地球は月からの潮汐加熱を受け、最大1メートル（3フィート）変形しますが、これは地球の総熱量の大部分を占めるわけではありません。^[4]

惑星の形成過程において、微惑星の衝突による加熱を受けたとみられ、その大きさは恐竜絶滅の原因となった小惑星の衝突よりも大きかった。この加熱が分化を誘発し、惑星をさらに加熱する可能性がある。天体が大きいほど、熱を失う速度は遅くなる。地球などの大きな天体では、この熱は原始熱として知られ、依然として天体の内部熱の多くを占めているが、地球よりも小さい月は、この熱のほとんどを失っている。^[4]

もう一つの熱源は放射性崩壊によって引き起こされる放射性熱である。アルミニウム26の崩壊は惑星の胚をかなり加熱したであろうが、半減期が短い（100万年未満）ため、その痕跡はずっと前に消えている。一般的な鉱物には不安定同位体の痕跡がわずかにあり、すべての地球型惑星と月はこの加熱の一部を経験している。^{[4]太陽系の外縁部の氷天体は密度がそれほど高くなく、}ケイ酸塩物質もあまり含まれていない（放射性元素はケイ酸塩に集中する）ため、この熱をほとんど受けない。 ^[5]

海王星の衛星トリトン、そしておそらく火星でも、クライオガイザー活動が起きている。熱源は内部ではなく外部（太陽からの熱）である。^{[6] [7]}

減圧溶融は、物体の深部にある固体物質が上昇するときに起こります。物質が上昇すると圧力が低下し、融点も低下します。したがって、特定の圧力と温度で固体である岩石は、温度が一定であっても圧力、つまり融点が低下すれば液体になる可能性があります。^{[8] [3]}しかし、水の場合、圧力が上昇すると融点は0.208 GPaに達するまで低下し、その後は圧力とともに融点が上昇します。^[3]

フラックス溶融は、水や二酸化炭素などの揮発性物質の添加によって融点が下がることで起こります。^{[3] [9]}減圧溶融と同様に、温度の上昇ではなく、融点の低下によって引き起こされます。^[10]

氷火山活動は、均一な地下海から発生するのではなく、個別の液体貯留層から発生する可能性がある。これらが形成される最初の方法は、温かい氷の柱が湧き上がり、その後沈み込み、対流を形成することである。これがエウロパに与える影響を調査するために開発されたモデルでは、潮汐加熱によるエネルギーがこれらの柱に集中し、柱が横方向（水平方向）に広がるにつれて、これらの浅い深さで融解が起こることがわかった。次のメカニズムは、流体で満たされた亀裂の垂直伝播から水平伝播への切り替えである。別のメカニズムは、表面から氷殻を貫通する亀裂の横方向の動きによる応力解放による氷の加熱であり、大きな衝突による加熱でさえ、このような貯留層を形成する可能性がある。^[5]

惑星の物体の物質が溶け始めると、まず特定の高エネルギー位置にある小さなポケットで溶融が起こります。例えば、粒界交差点や、異なる結晶が反応して共晶液体を形成する場所で、最初は互いに分離したまま岩石の中に閉じ込められます。溶融物質の接触角により、溶融物が結晶面を濡らし、粒界に沿って流れる場合、溶融物質はより大量に蓄積されます。一方、角度が約60度より大きい場合、溶融物が親岩から分離する前に、より多くの溶融物が形成されなければなりません。地球上の岩石の研究によると、硬い溶融物の浸透モデルとは対照的に、高温の岩石の溶融物は、粒径よりもはるかに大きなポケットや鉱脈にすぐに集まることが示唆されています。溶融物は、源岩から均一に流れ出るのではなく、合流してより大きな鉱脈を形成する細流を通って流れ出します。浮力の影響を受けて、溶融物は上昇します。^[3]ダイアピルは非ケイ酸塩の天体でも形成され、暖かい物質を表面に向かって移動させる同様の役割を果たします。^[5]

岩脈は垂直の流体で満たされた亀裂で、力学的な観点からは水で満たされたクレバスをひっくり返したものです。マグマが垂直の亀裂に上昇すると、壁岩に比べてマグマの密度が低いため、圧力は周囲のより密度の高い岩よりも緩やかに低下します。マグマと周囲の岩の平均圧力が等しい場合、岩脈の圧力は岩脈の上部にある周囲の岩の圧力を超え、岩の圧力は岩脈の底部よりも大きくなります。したがって、マグマは亀裂の上部を押し上げますが、亀裂は弾性反応により下部で圧縮されて閉じます (弾力のあるソファに座っている人の横の膨らみに似ています)。最終的に、尾部は非常に狭くなり、ほぼ挟み込まれ、新しいマグマは亀裂に上昇しなくなります。亀裂は独立したマグマの塊として上昇し続けます。^[3]

この火山噴火モデルは、マグマが岩石圏の硬い開水路を通って上昇し、静水圧平衡のレベルで沈降すると仮定している。このモデルは、近隣の火山の標高が一見一致するなど、観測結果をうまく説明しているが（新しいモデルでは説明できない）、このモデルから得られる岩石圏の厚さが硬い開水路の仮定が成り立たないほど大きいため、正しいはずがなく、現在では信用されていない。^[3]

珪酸塩火山では溶融物が自身の浮力で浅い地殻に達するまで上昇するが、氷火山では水（氷マグマは水ベースであることが多い）は上の氷よりも密度が高い。氷マグマを地表に到達させる方法の 1 つは、水の浮力を高めることである。水の密度を低くするには、負の浮力を逆転させる他の化合物の存在、以前に氷マグマに溶解していたガス泡の放出（これにより氷マグマの密度が低くなる）の追加、または氷殻内の緻密化剤の存在のいずれかの方法がある。もう 1 つの方法は、流体を加圧して負の浮力を克服し、表面に到達させることである。海面下の海上の氷殻が厚くなると、海全体に圧力がかかる可能性がある（氷火山では、凍った水または塩水の密度は液体の状態よりも低い）。液体の貯留層が部分的に凍結すると、残りの液体も同様に加圧される。^[5]

氷殻の亀裂が上向きに広がるには、氷殻内の流体が正の浮力を持っているか、外部応力が氷を突き破るほど強くなければなりません。外部応力には、潮汐によるものや、上で説明した凍結による過圧によるものなどがあります。^[11]

氷火山の溶融物の上昇には、さらに別のメカニズムが考えられます。水を含む亀裂が海洋または地下の流体貯留層に達すると、水は表面までの約 9 分の 1 の地点で静水圧平衡のレベルまで上昇します。氷殻に圧縮と張力を引き起こす潮汐により、水はさらに上昇する可能性があります。^[5]

1988 年の記事では、木星の衛星エウロパの地下海から亀裂が上方に伝播する可能性があると提案された。上方に伝播する亀裂の先端には低圧領域があり、水中に溶解した揮発性物質がガスに溶け出す可能性があると提案された。氷殻の弾性により亀裂が表面に到達することはおそらくなく、亀裂は代わりにガスと液体を閉じ込めて挟み込まれる。ガスは浮力を増加させ、亀裂が表面に到達するのを可能にする。^[5]

衝突によってもマグマの上昇が促進される条件が作り出される可能性がある。衝突によって地殻の上部数キロメートルが除去され、盆地と周囲の地形の高さの差によって生じる圧力差によって、本来は地表下に留まっていたはずのマグマが噴出する可能性がある。2011年の論文では、衝突盆地の縁にマグマの上昇が促進される領域が存在することが示された。^[5]

これらのメカニズムのすべてが特定の物体に作用するわけではなく、あるいは全く作用しない可能性もある。^[5]

ケイ酸塩火山活動はケイ酸塩物質が噴出する場所で発生します。地球上で見られるものと同様に、ケイ酸塩溶岩流は約1000℃で固まります。^[12]

泥火山は、圧力を受けた流体とガスが泥を伴って地表に噴出することで形成される。この圧力は、流体の上にある堆積物の重さによって流体が押し下げられ、流体が逃げることができなくなること、流体が堆積物に閉じ込められること、より深い堆積物から他の堆積物に移動すること、堆積物内の化学反応によって生成されることなどによって発生する。泥火山は静かに噴火することが多いが、メタンなどの可燃性ガスを噴出することもある。^[13]

氷火山活動は、揮発性物質が氷点以下の環境に噴出する現象である。氷火山活動の背後にあるプロセスはケイ酸塩火山活動とは異なり、氷マグマ（通常は水ベース）は周囲よりも密度が高いため、それ自体の浮力では上昇できない。 ^{[14] [5]}

硫黄溶岩はケイ酸塩溶岩とは異なる性質を持っています。まず、硫黄の融点は摂氏約120度と低く、また、摂氏約175度まで冷却すると、地球上のケイ酸塩溶岩とは異なり、溶岩は急速に粘性を失います。^[12]

マグマが惑星の表面に噴出すると、溶岩と呼ばれます。粘性のある溶岩は、短くてずんぐりとしたガラス質の流れを形成します。これらは通常、波状の凝固した表面の質感を持っています。^[3]

より流動性の高い溶岩は表面が固まり、火山学者はそれを4つのタイプに分類しています。^[3]枕状溶岩は、溶岩が水と接触するなどのきっかけで溶岩流が急速に冷えたときに形成されます。^{[3] [15]}これにより溶岩の表面が砕け、マグマが袋状に集まり、溶岩流の前に積み重なって枕と呼ばれる構造を形成します。^[3]アア溶岩は、クリンカーと呼ばれる溶岩の破片でできた、ざらざらしたとげのある表面をしています。^[16]ブロック溶岩は別のタイプの溶岩で、アア溶岩よりもギザギザの破片が少ないです。^[17]パホイホイ溶岩は、地球でもおそらく他の地球型惑星でも、圧倒的に最も一般的な溶岩タイプです。表面は滑らかで、丘、くぼみ、褶曲があります。^[3]

火山の噴火は、単に物質が惑星の表面に噴出するだけの場合もありますが、通常は固体、液体、気体の複雑な混合物が関与し、同様に複雑な挙動を示します。^{[3]爆発的な噴火の種類によっては、} TNT火薬の同等質量の4分の1のエネルギーを放出することがあります。^[18]

地球上の火山噴火は、一貫してガスを多く含む物質の噴出からガスの少ない物質の噴出へと進行することが観察されているが、噴火はガスを多く含む物質の噴出からガスの少ない物質の噴出、またはその逆を複数回繰り返すこともある。これは、岩脈が地表を破ったときに放出されるガスによって岩脈上部のマグマが濃縮され、その後、ガスを多く含まない下部のマグマが続くことで説明できる。^[3]

マグマが地表に近づくとマグマ中に溶解したガスが分離するのは、温度と圧力がガスの溶解度に影響を及ぼすためです。圧力によってガスの溶解度が高まり、ガスが溶解した液体の圧力が下がると、ガスは液体から溶出（分離）する傾向があります。この例として、炭酸飲料のボトルを素早く開けたときの現象が挙げられます。封が開けられると、圧力が下がり、液体全体に二酸化炭素ガスの泡が現れます。^[3]

流動性マグマは静かに噴火する。マグマから溶出したガスは、地表に到達する前に簡単に逃げる。しかし、粘性マグマでは、ガスは溶出後もマグマ内に閉じ込められ、マグ​​マ内に泡を形成する。マグマが地表に近づくにつれて、圧力の低下によりこれらの泡は大きくなり、マグマは大きく成長する。この事実により、このような物質を噴出する火山は「爆発」する傾向があるが、爆発に伴う圧力上昇ではなく、火山噴火では常に圧力が低下する。^[3]

一般的に、爆発的な氷火山活動は、以前に氷マグマに溶解していた揮発性物質の溶出によって引き起こされ、地球上で見られる爆発的なケイ酸塩火山活動で起こるものと似ており、以下では主にこれについて説明します。^[11]

シリカを豊富に含むマグマは、噴火する前に地表下で冷却されます。この過程で、マグマから泡が溶け出します。マグマが地表に近づくと、泡とマグマの体積が増加します。その結果生じた圧力が最終的に地表を突き破り、圧力の解放によってさらに多くのガスが溶け出しますが、爆発的に広がります。ガスは毎秒数百メートルの速度で膨張し、上方と外方に広がります。噴火が進むにつれて、連鎖反応によってマグマはますます高速で噴出します。^[3]

激しく膨張するガスはマグマを分散・分解し、火山灰と呼ばれるガスとマグマのコロイドを形成する。 膨張する灰の中のガスが冷却されるとマグマの破片が冷やされ、しばしば以前の液体の泡の壁の一部と認識できる小さなガラスの破片が形成される。 より流動的なマグマでは、泡の壁が球状の液滴に再形成される時間があるかもしれない。 コロイドの最終状態は、液体とガスの比率に大きく依存する。 ガスの少ないマグマは最終的に小さな空洞のある岩に冷却され、気泡状の溶岩になる。 ガスの多いマグマは冷却されて、空洞がほぼ接触し、平均密度が水よりも小さい軽石になる岩になる。一方、他の物質はガスによって加速され、火山弾になることがある。 これらは非常に大きなエネルギーで移動するため、大きなものは地面にぶつかるとクレーターを作ることがある。^[3]

火山ガスとマグマのコロイドは、火砕流と呼ばれる密度流として形成されることがあります。これは、噴出した物質が地表に落下するときに発生します。コロイドはガスによってある程度流動化され、拡散することができます。火砕流は障害物を乗り越え、人間の生活を破壊することがよくあります。^[3]火砕流は、地球上の爆発的な火山でよく見られる特徴です。火砕流は、例えばディオネ・レジオ火山などの金星でも発見されています。^[19]

水蒸気噴火は、圧力がかかった熱湯が減圧されたときに発生することがあります。減圧により水の沸点が下がるため、減圧されると水は突然沸騰します。^[20]また、地下水が突然加熱され、突然蒸気になったときにも発生することがあります。^[21] 水蒸気噴火で水が蒸気に変わると、超音速で膨張し、元の体積の最大1,700倍になります。これは、固い岩を粉砕し、岩の破片を数百メートルも飛ばすのに十分な場合があります。^[22]

マグマ水蒸気噴火は高温のマグマが水と接触して爆発を起こすときに発生します。^[23]

爆発的な氷火山活動のメカニズムの1つは、氷マグマがクラスレート水和物と接触することです。クラスレート水和物は、高温にさらされると容易に分解します。1982年の論文では、上昇する温かいマグマと接触したクラスレート水和物の不安定化による加圧ガスの生成が爆発を引き起こし、地表を突き破って爆発的な氷火山活動を引き起こす可能性があることが指摘されました。^[5]

氷の天体の表面まで亀裂が達し、上昇する水柱がほとんどの氷の天体の表面の真空に近い状態にさらされると、その水柱の蒸気圧が周囲の圧力よりはるかに高いため、すぐに沸騰し始める。それだけでなく、水中の揮発性物質は溶解する。これらのプロセスの組み合わせにより、水滴と蒸気が放出され、亀裂を上昇してプルームを形成する。これがエンケラドゥスの氷のプルームの原因の一部であると考えられている。^[5]

地球上では、火山はプレートが発散または収束している場所に最も多く見られ、地球のプレート境界の大半は海面下にあるため、ほとんどの火山は海中で発見されている。例えば、大西洋中央海嶺などの中央海嶺には発散プレートによって生じた火山があるが、環太平洋火山帯には収束プレートによって生じた火山がある。また、東アフリカ地溝帯や北アメリカのウェルズグレイ・クリアウォーター火山地帯、リオグランデ地溝帯など、地殻のプレートが引き伸ばされて薄くなる場所にも火山が形成されることがある。プレート境界から離れた場所での火山活動は、地球内部3,000キロメートル (1,900マイル) の深さにある核マントル境界からのダイアピルの湧昇によって発生すると仮定されている。その結果、ホットスポット火山活動が起こり、ハワイのホットスポットはその例です。火山は通常、2つの地殻プレートが互いに滑り合う場所には形成されません。1912年から1952年にかけて、北半球では大規模な噴火が起こらなかったため、冬はより温暖であったことが研究で示されています。これらの研究は、これらの噴火が地球の大気にどのような変化を引き起こす可能性があるかを示しています。^[24]

大規模な噴火は、火山灰や硫酸の飛沫が太陽を覆い、地球の対流圏を冷やすため、大気の温度に影響を与える可能性があります。歴史的に、大規模な火山噴火の後には火山の冬が続き、壊滅的な飢餓を引き起こしてきました。^[25]

地球の月には大きな火山はなく、現在も火山活動は見られませんが、最近の証拠によると、月には部分的に溶融した核が存在する可能性があることが示唆されています。 [ ^26]しかし、月には海^[27]（月に見られる暗い斑点）、リエル^[28] 、ドーム[ ^29]など、多くの火山の特徴があります。

金星の表面は 90% が玄武岩で、火山活動が表面の形成に大きな役割を果たしたことを示している。科学者が表面の衝突クレーターの密度から判断すると、金星は約 5 億年前に大規模な地球規模の表面再形成イベントを経験した可能性がある^{[30] 。}溶岩流は広範囲に広がっており、地球には存在しない形態の火山活動も発生している。金星の大気の変化や雷の観測は進行中の火山噴火によるものとされているが、金星が今も火山活動を行っているかどうかは確認されていない。しかし、マゼラン探査機によるレーダー探査により、金星で最も高い火山であるマアト山で比較的最近の火山活動の証拠が、山頂付近と北側斜面の火山灰流の形で明らかになった^[31] 。しかし、この流れが火山灰流であるという解釈には疑問が呈されている^{[32] 。}

火星には死火山がいくつかあり、そのうち4つは地球のどの火山よりもはるかに大きい巨大な盾状火山である。アルシア山、アスクラエウス山、ヘカテス・トゥルス山、オリンポス山、パヴォニス山などである。これらの火山は何百万年も前に死火山となったが^[33]、ヨーロッパの探査機マーズ・エクスプレスは、火星で最近も火山活動が起こっていた可能性があるという証拠を発見した^{[33] 。}

木星の衛星イオは、木星との潮汐相互作用により、太陽系で最も火山活動が活発な天体である。イオは硫黄、二酸化硫黄、ケイ酸塩岩を噴出する火山で覆われており、その結果、イオは常に表面が再形成されている。太陽系で火山活動が活発なため火山が容易に見られる惑星は、地球とイオの2つだけである。^[34]イオの溶岩は太陽系で最も高温であることが知られており、温度は1,800 K (1,500 °C) を超える。2001年2月、太陽系で記録された最大の火山噴火がイオで発生した。^[35]

木星のガリレオ衛星の中で最小のエウロパにも活発な火山活動があるようだが、その火山活動はすべて水という形で行われ、極寒の表面で凍って氷になる。このプロセスは氷火山活動として知られており、太陽系の外惑星の衛星で最も一般的であると思われる。^[36]

1989年、ボイジャー2号宇宙船は海王星の衛星トリトンで氷火山を観測し、2005年にはカッシーニ・ホイヘンス探査機が土星の衛星エンケラドゥスから凍った粒子が噴出する様子を撮影した。 [ 37 ] ^{[ 38]}噴出物は水、液体窒素、アンモニア、塵、メタン化合物で構成されている可能性がある。カッシーニ・ホイヘンスはまた、土星の衛星タイタンでメタンを噴出する氷火山の証拠を発見した。タイタンの大気中に含まれるメタンの重要な発生源であると考えられている。^[39]カイパーベルト天体クワオアでも氷火山活動が存在する可能性があると理論づけられている。

2009年に太陽面通過によって検出された太陽系外惑星 COROT-7bに関する2010年の研究では、この惑星と近隣の惑星に非常に近い主星からの潮汐加熱により、イオで見られるものと同様の激しい火山活動が発生する可能性があることが示唆された。^[40]

ウィキメディア・コモンズには、火山活動に関連するメディアがあります。

• 「火山用語集」。GJ Hudak、ウィスコンシン大学オシュコシュ校。2001年。2012年10月6日時点のオリジナルよりアーカイブ。2010年5月7日閲覧。
• Crumpler, LS; Lucas, SG (2001)。「ニューメキシコの火山: 非専門家のための簡略ガイド」(PDF)。ニューメキシコの火山学。ニューメキシコ自然史科学博物館紀要。18 : 5–15。2007-03-21にオリジナル(PDF)からアーカイブ。2010-04-28に取得。

• 太陽系全体にわたる火山の多様性
• 地震や火山噴火の原因としての宇宙太陽放射
• 惑星モデル候補物質の融解挙動
• 宇宙線によって引き起こされる爆発的な火山噴火：泡箱としての火山
• ガスと蒸気の噴火の熱力学
• 準惑星クラスのカイパーベルト天体における爆発的な氷火山活動の前提条件
• マグマ水蒸気噴火とそれに関連する噴火様式