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ウォーレン・B・ハミルトン（1925年5月13日 - 2018年10月26日）は、地球の地殻とマントルの動的および岩石学的進化を記述する惑星規模の総合的研究に観測された地質学と地球物理学を統合したことで知られるアメリカの地質学者[ 1 ]である。彼の主なキャリア（1952年 - 1995年）は、米国地質調査所（USGS）の地質学部門、その後地球物理学部門の研究科学者であった。退職後、コロラド鉱山大学（CSM）地球物理学科の著名な上級科学者となった。彼は米国科学アカデミーの会員であり、米国地質学会（GSA）の最高栄誉であるペンローズ・メダルの受賞者であった。ハミルトンは1943年から1946年までアメリカ海軍に勤務し、1945年に海軍訓練プログラムでカリフォルニア大学ロサンゼルス校（UCLA）で学士号を取得し、航空母艦USSタラワの士官に任官した。民間生活に戻った後、 1949年に南カリフォルニア大学で地質学の修士号を、1951年にUCLAで地質学の博士号を取得した。1947年にアリシタ・V・ケーニッヒ（1926年～2015年）と結婚した。ハミルトンは2018年10月に93歳で亡くなった。最後の数週間まで新しい研究に取り組んでいた。[ 2 ]彼の最後の論文「地球とその近隣の神話のない地球力学的歴史に向けて」は、死後（2019年）にEarth-Science Reviewsに掲載された。[ 3 ] 2022年、アメリカ地質学会は、ハミルトンを称えて33本の論文を収録した編集書『ウォーレン・B・ハミルトンの足跡をたどって：地球科学における新たなアイデア』を出版した。[ 4 ]この本の第1章[ 5 ]では、ハミルトンの最後の論文がどのように書かれたかを説明し、第2章では、トーマス・クーンの科学的変化のモデルをハミルトンの経歴の解釈に適用している。
ハミルトンは1951年から1952年にかけてオクラホマ大学で教鞭を執った後、デンバーにある米国地質調査所（USGS）で研究科学者として本格的なキャリアをスタートさせた（1952年～1995年）。初期のプロジェクトには、シエラネバダ山脈のバソリス、アイダホ州のバソリス、そして後にその西側の付加地塊として知られるようになる地域、テネシー州東部の変成岩、モンタナ州で発生した大規模な地殻伸張地震、カリフォルニア州南東部のクラトン地層の極端な変形に関する野外調査や実験室での研究などが含まれていた。
ハミルトンは国際地球観測年（1958年10月～1959年1月）に南極大陸で2人編成の調査隊を率いて南極大陸に関する新たな理解を提唱した。彼は、この3,500kmの山脈に初めて南極横断山脈（2年後に南極横断山脈として正式に命名）という名称を適用した 。[ 6 ]ハミルトンはこの山脈の大部分に、南オーストラリアのアデレード造山帯のような特徴的な花崗岩が含まれていることを認識した。南極、オーストラリア、アフリカ最南端で発見された様々な年代の関連化石は、これらの大陸をさらに結びつけ、当時としては斬新な大陸移動説を裏付けた。南極大陸へ旅立つ前、ハミルトンは後に「隠れた漂流者」と表現したように、南半球の地質が大陸移動説を支持する強力な証拠を提供していることを認識していた。[ 7 ]彼は1963年と1964年に南極大陸に戻り、かつてオーストラリアの他の地域と連続していた地域を含む南極横断山脈の他の地域でフィールドワークを行った。彼はまた、オーストラリアと南アフリカの漂流の証拠を現地で調査し、他の研究者の研究と統合して、南極大陸と他のゴンドワナ大陸がどのように分離したかを示した。
大陸移動は、1960年代にハミルトンが行った北米西部の研究においても重要であった。当時、ほとんどの北半球の地球科学者は横方向の移動を否定していた。彼は、バハ・カリフォルニアがメキシコから分離し、カリフォルニア湾が開いたことを、サンアンドレアス断層系の構成要素として認識した。彼はいくつかの火山地域の岩石学と移動環境、およびマグマ複合体の形成深度に関連した変動を研究した。彼は、海底と島弧の両方が大陸造山複合体に組み込まれていること（ただし、そのメカニズムは当時は明らかではなかった）と岩石学的に区別できること、そして盆地と山脈地域が地殻伸張によって幅が2倍になったことを最初に認識した。地球科学史家のヘンリー・フランケルは、ハミルトンを「古地磁気学と海洋学における同時代の進歩とは独立して自らの考えを発展させた、北米で最も活発な移動論者」と評した。[ 8 ]
1960年代後半、海洋磁気探査や地震学といった新技術を用いた地球物理学者たちは、海底拡大の作用を証明し、プレートテクトニクスという新たな概念で説明を考案し、海洋底と移動する大陸が一体となってテクトニックプレートを形成していることを示した。ハミルトンは、陸上の地質も、現在活発なプレートの相互作用によってどのように進化してきたかを示す先駆者であり、その証拠となる海底の証拠が新たに得られた。彼は1969年と1970年に、収束するテクトニックプレートによって制御されるカリフォルニアとソビエト連邦の大部分の進化に関する総合的な研究を発表した。彼は「構造地質学コミュニティがプレートテクトニクスの概念と陸上の地質学を統合するための新たな道を切り開いた」[ 9 ] 。
ハミルトンは1969年に、米国国務省の資金援助を受けて、インドネシアとその周辺地域のプレートテクトニクス分析を行うよう依頼された。これは、その地域で石油探査が本格化していたためである。この広大な地域は地球上で最も複雑な部分であり、複雑に相互作用するプレートの間に小さな海洋がまだ存在するため、多くの独立した移動の歴史を解読することができる。彼は陸上の地質学と海上の地球物理学を統合したが、そのほとんどはこれまで研究されていなかった。その結果として、壁掛け地図、多数の記事、および大規模なモノグラフが出版された。[ 10 ]この研究には、収束型プレート相互作用に関する新しい理解が含まれており、観測によって、プレート境界が形状を変え、他のほとんどのプレートに対して相対的に移動することが示された。ヒンジは沈み込む海洋プレートに巻き戻り、海洋プレートは傾斜した傾斜に沿ってではなく、横方向に沈み込む。これらの沈み込むプレートが、従来描かれてきた上昇するマントル対流セルではなく、地表プレートの動きを制御している。弧は沈み込むスラブの上で互いに前進し、衝突する。新しい沈み込みは、新しい集合体の外側で突破する。海洋リソスフェアは、拡大中心から離れるにつれて、上部から冷却されて下の高温の物質よりも密度が高くなり、沈み込むことができるため、年月とともに厚くなります（沈み込みのプロセス）。海洋プレートは、その質量と、一般的に傾斜した基底境界によって、地表からの沈み込み出口に向かって推進されます。ウィリアム・ディキンソンは、「このインドネシアのテクトニクスに関する素晴らしいモノグラフには、プレートテクトニクスの枠組みで古典的な造山帯全体を描いた最初の地域テクトニクス図が含まれている」と報告しました。[ 11 ]キース・ハワードは、これを「世界中の無数の新しい沈み込み帯の研究の比較基準」と評しました。[ 9 ]
ハミルトンの1970年代から90年代初頭にかけての他の研究もまた、大陸地殻の進化を理解することを目的としていた。彼は、地球の歴史の過去5億4000万年（顕生代）の産物を規定する地質学と地殻地球物理学に重点を置いた。この期間を通して、プレートテクトニクスは、今日形成されているような収束型プレート地質集合体を生み出してきた。彼は、さまざまな種類、年代、形成深度の岩石複合体を研究するために広範囲に旅行し、その中には、マグマ弧の地殻岩とマントル岩の間のモホロビチッチ不連続面を露出させた2つの岩石複合体も含まれていた。彼は5つの客員教授職を引き受け、また、世界中で多くの招待短期講座や講演を行った。
ハミルトンは経験的証拠を重視したため、従来の説とは相容れない立場をとった。海底拡大が記録されるにつれ、多くの地球科学者がプレート移動説を採用したが、そのほとんどはプレートが海底からの加熱によって駆動される対流系に受動的に乗っているという前提に基づいていた。この推測は、現在でも理論的な地球力学において主流となっている。ハミルトンは、この見解は実際のプレート相互作用に関する情報や、物理学および地球科学からの多くの証拠と矛盾すると主張した。
1996年、ハミルトンはコロラド鉱山大学の地球物理学科に移り、研究を続けながら一部教育も行った。彼は、地球全体の地球物理学とマントル進化に関するデータの学際的な統合、プレートテクトニクスの運動学の理解、顕生代のプレートテクトニクスによって生じた岩石集合体と関係性、および地球の歴史の最初の40億年の岩石集合体と関係性の間の大きな違いの解釈、そしてこれらの知見を地球型惑星の進化に関する新しい解釈と統合することに取り組んだ。彼の出版物リストからわかるように、これらの幅広いテーマは並行して進められた。主要なテーマは2015年の論文で更新され、要約された。[ 12 ]
地球とその近隣の惑星のダイナミクスと内部進化に関する広く受け入れられている説明は、依然として1970年代と1980年代の推測に基づいています。[ 13 ]これらは、大陸地殻がまだほとんど分化されておらず、同じ底部駆動方式で活発に対流しているマントルからゆっくりと正味分離し、各惑星で異なる浅部および表面効果を生み出すことを想定しています。
ハミルトンは、地球、金星、火星、そして地球の月について、従来の仮定の根拠をそれぞれ独立して再評価することで、根本的に新しい解釈を開発した。彼の見解では、これらの仮定は経験的知識と、熱力学第二法則を含む物理原理の両方に反している。各惑星に関する独立した証拠は、遅くとも約45億年前までに、マグマによって分離されたマントルと苦鉄質地殻を持ち、それぞれがほぼ完全な大きさに成長したことを示している。 しかし、集積と同時に溶融する熱源は依然として不明である。ハミルトンの2015年の論文で示唆されたウラン、トリウム、カリウム40は、この目的には不十分であった。しかし、これらの元素はすべて選択的に溶融物に分配されるため、原始地殻とその派生物に濃縮され、そこで放射性同位体が浅部の温度を上昇させ、非対流の下部マントルを生成した。[ 14 ]
従来のプレートテクトニクス仮説は細部で異なっているが、1980年代以降、ほとんどの仮説は、地球は少なくとも30億年間、永遠に高温の核によって駆動されるプルームベースの全マントル対流を伴うプレートテクトニクスモードで機能しており、この対流によってマントルが攪拌され、ほとんど分化されていない状態が維持されてきたと想定してきた。ハミルトンを含む少数の地球科学者は、代わりに、そのような対流のほとんどの構成要素と予測は反証されており、確固として確認されたものはないと主張している。彼らの代替説明は、プレート運動が上から下への冷却と沈降によって引き起こされ、ハワイ諸島のようなプレート中央部の火山活動は、マントルの深部から上昇する高温物質のプルームではなく、すでに融解温度または融解温度に近いアセノスフェアへの圧力を低下させる地殻の弱さ（伝播する亀裂のようなもの）を反映しているというものである。
ハミルトンのモデルは、プレートの挙動を多分野にわたる地球物理学と統合し、プレートテクトニクスの3次元循環を、深さ約660kmの深層地震不連続面より上の上部マントル に完全に限定している。沈み込むスラブはほぼ垂直に沈み込み、傾斜した溝に注入されるのではなく、そのヒンジは内側に沈み込む海洋リソスフェアへと移動する。沈み込むスラブは、侵入不可能な「660」の上に平らに置かれ、後退するスラブに向かって引っ張られる上部マントルと上盤プレートによって覆われ、上盤プレートの後ろにある潜在的な拡大ギャップ（例えば、大西洋や太平洋の背弧海盆）を埋める。海側では、横方向に沈み込むプレートが「660」プレートの上方、そして沈み込む海洋プレートの下にある上部マントル全体を押し戻し、海洋の急速な拡大（例えば、急速に拡大する太平洋）を引き起こす。これは、海洋が前進する沈み込み系と上盤プレートの間で狭められているにもかかわらず起こる現象である。
地球の先カンブリア時代の地質学、すなわち始生代（40億年前～25億年前）と原生代（25億年前～5億4千万年前）に関する主流の文献は、1980年代以降、現在も活動していると考えられているプレートテクトニクスや「プルーム」プロセスが当時も活発であり、地球の熱構造と地球力学は時間を通じて比較的変化していないという概念に支配されてきた。[ 15 ]
しかしハミルトンは、他者の発表した記録や彼自身の多大陸にわたる野外調査において、後期原生代よりも古い岩石や岩石群で、より最近のプレートテクトニクスの産物に似たものは見られなかった。それ以前のプレートテクトニクスの地質学的証拠は欠如している。ほとんどの始生代の火山岩や花崗岩は、同じ大まかな岩石名を持つものでさえ、顕生代（0.54～0年前）のものと全体的な組成や産状が著しく異なっている。この欠如は、個々の岩石標本をプレートテクトニクス環境に慣習的に割り当てる際に、いくつかの微量元素の比率と、全体的な組成、岩石群、産状が全く異なる現代の岩石の比率との類似性に基づいていることで暗黙のうちに認められている。始生代の苦鉄質溶岩の野外での関係と化学組成の両方から、それらがより古い大陸の花崗岩質岩石を貫通して噴出したものであり、プレート理論で想定されているような海洋地殻を形成したものではないことが示されている。[ 16 ]プレートテクトニクスの明確な証拠は、6億5000万年未満の岩石でのみ見つかっている。
45億年前以前の高マントル岩石、すなわち現在始生代クラトンの下に保存されている主要な岩石は、従来の解釈で予測されているような部分分化したマントルではなく、大陸地殻または海洋地殻の岩石の部分溶融に寄与した可能性のあるほとんどのケイ酸塩物質が枯渇した、極めて難溶性の分化岩である。これらの初期に分化したマントル岩石は、もともと厚い苦鉄質地殻によって直接覆われており、その地殻には地球の主要な発熱元素の大部分を含む、その後の地殻構成要素となる可能性のあるものが含まれていた。約40億年前、地球は小惑星帯の外側で最初に形成された氷の隕石の集中によって、海洋と大気へと進化する揮発性成分を受け取った。揮発性物質の下方循環により、原始地殻の含水部分溶融が始まり、残存原始地殻の上に特徴的な非プレートテクトニクス花崗岩質地殻が形成された。始生代と原生代の地質学的構成が大きく異なるのは、水和が始まった後の原地殻の放射性部分溶融が変動し、そこから花崗岩質および火山性の溶融物が上昇したこと、そして、軽い成分の喪失によって密度が高まった残存原地殻が剥離・沈降し、上部マントルの再濃縮という長期にわたるプロセスが開始され、最終的にプレートテクトニクスが可能になったことによって説明される。
ハミルトンの2015年の論文は、金星と火星は地球と同様に非常に早い時期に地殻、マントル、核が分化したが、地球とは異なり、両方とも表面に月のような古代の隕石衝突の歴史を保存していることを示すデータをまとめた。火星の観測者のほぼ全員がこれを認めている。金星のレーダー画像の初期の観測者も同様であったが[ 17 ]、ハミルトンとは異なり、その後の金星の解釈者のほぼ全員が、数千の大きな縁のある円形の盆地とクレーターのほとんどを若いマントルプルームに帰属させている[ 18 ] 。ハミルトンは、重力場と地形の直接的な相関関係は、火星と金星の地形のほとんどが冷たく強い上部マントルによって支えられていることを必要とし、一般的に想定されている高温で活発なマントルとは相容れないことを強調した。 （地球上の相関関係が大きく異なることから、ここでは同様の規模の地形が、非常に高温で脆弱なマントル上に等静力学的に浮いていることがわかる。）オリンポス山を含む金星と火星の火山とされるものは、地球の内因性火山とは似ておらず、代わりに、単一のイベントによる大量の溶融物が広がってできた、ほぼ円形で、一般的に緩やかな側面を持つものである。これらは衝突溶融構造物であると考えられ、月の類似性からすると、ほとんどが39億年以上前のものである。地球は、45億～40億年前の冥王代のジルコンに、同様の衝突溶融の歴史を記録している。[ 19 ]
金星と火星はどちらも、表面地質学において、大衝突史の後期、つまり約40億年前、地球が水和したのとほぼ同時期に、火星隕石によって運ばれた大量の水を獲得したことを示している。しかし、地球とは異なり、金星と火星の原始地殻ははるか以前に不活性に冷え込んでいたため、約45億年前より後の地球の動的でマグマ的な歴史とは全く共通点がない。過去の火星の海と激しい水による侵食の証拠は、ほとんどの観測者によって認められているが、水の起源と時期については議論がある。変形していない金星の海洋堆積物は、ソ連の着陸機の光学画像で広大な低地平原で確認されており、[ 20 ]ハミルトンは、その後のレーダー画像で、海と深い水による侵食の証拠がはるかに多くあることを指摘した。1990年以降の従来の金星の研究では、金星の表面は、まだ非常に活発な若いプルームによって形作られているという仮定と矛盾するとして、そのような証拠を否定している。そして、これらの噴煙が生み出す産物、例えば、目に見える発生源のない、地球とは似ても似つかない広大な溶岩原なども含まれます。
地球と月は組成が非常に似ているため、同じ天体から形成されたに違いない。一般的な説明では、月は火星サイズの天体との初期の衝突によって吹き飛ばされた物質から形成されたとされている。ハミルトンは2015年の論文で、月の形成は一般的には支持されていない核分裂によるものだと主張している。つまり、まだ部分的に溶融しており、急速に回転していた若い地球が、完全な大きさに達したときに、そこから分離したというのだ。マグマオーシャンのゆっくりとした分化によって月の高地が形成されたと一般的に考えられているが、地質年代学と、その説明における岩石学上の問題から、ハミルトンはここでも惑星全体の分化は約45億年前に完了しており、その後の表面のマグマ活動は衝突溶融によるものだと示唆している。
水やその他の揮発性物質が約 4.0 年前に火球によって月に運ばれた可能性は、火成岩の揮発性物質含有量に関する入手可能なデータ[ 21 ]と一致するが、化学文献では明記されていない。したがって、地球、月、火星、金星はすべて、この頃に小惑星帯の外側半分で最初に形成された氷の火球の衝突を受け、地球上の生命が可能になった可能性がある。この推論は、小惑星の形成、および特に木星の移動に応じて小惑星の大部分が破壊され失われたという現在の概念と一致するが、これらの概念には時期に関する制約はほとんどない。