地球の大陸地殻はどのように形成されるのか？ A New Bottom-Up Theory
ワシントン州にあるマクミラン・スパイアには、花崗岩として知られる変成岩があり、大陸の下層地殻に典型的な圧力と温度の条件で平衡している。 写真はこちら。
アラスカのアリューシャン列島の地下深く、岩石が流れ出すほど圧力と温度が高くなったところで、新しい大陸地殻が生まれています。
科学者は長い間、大陸地殻は火山弧で形成されると考えてきました。 しかし、それが具体的にどのようにして起こるのかについては、疑問が残っていました。 地表に到達したマグマは大陸地殻と似ていますが、火山弧の下の地殻は大陸地殻の下半分とは全く異なります。
今週の「Nature Geoscience」に掲載された新しい研究は、一般的な説に疑問を投げかけ、別の説に新たな裏付けを与えています。この説では、地表のアーク溶岩と浅い「プルトン」（噴火せずに固まったマグマ）が、沈み込み帯で地球に引き込まれ、台所の天井の蒸気のように上昇してアーク地殻の下部に蓄積されるとしています。
Relamination of subducted sediment.
リラミネーションと呼ばれるプロセスは、海洋プレートが大陸プレートの下に潜り込み、マグマが上昇して火山弧を形成している大陸プレートの端から始まります。 海洋プレートが潜ると、円弧の端から堆積物や溶岩、深成岩が引きずり降ろされます。 アークの物質が下降すると、その中の鉱物が上昇する圧力と熱で不安定になり、化学変化を起こします。 新しい鉱物ができたり、岩石や堆積物の塊が割れたりします。 その塊が周囲のマントル岩よりも密度が高ければ沈み続け、密度が低ければ沈みません。
「堆積物は大陸の下部地殻によく含まれていますが、どのようにして大陸の底にたどり着いたのでしょうか。 最も簡単な方法は、その堆積物が沈み込み帯を押し下げられて上昇し、地殻の底に蓄積されることです」と、コロンビア大学ラモント・ドハーティ地球観測所の地球化学者で、ウッズホール海洋研究所のマーク・ベーン氏とともに論文を執筆したピーター・ケレメン氏は述べています。
Sampling the Earth’s Crust
アーク地殻がどのようにして大陸地殻に変わるのかを調べるために、ケレメン氏とベン氏は、アーク地殻の下部地殻の完全な断面が陸地で見られる、唯一の2つの既知の場所を調査しました。 ひとつはパキスタンで、インドとアジアの地殻プレートの衝突に巻き込まれ、急峻な山に突き刺さった場所である。
「通常、アークの下部地殻の底面を見ることはありませんが、アラスカとパキスタンでは底面まで見ることができました。 これらの古い円弧は形成され、北米に衝突し、横向きになり、何百万年もかけて浸食されました。
これらの弧状地殻が露出している部分の長さに沿ってサンプルを採取し、地殻の深さが増すにつれて岩石の地球化学組成がどのように変化するかを調べました。 また、地下深くで鉱物が結晶化したときの圧力と温度を記録した鉱物を採取し、岩石の深さを記録しました。
アーク地殻の下半分（地表から約20km）では、「非相溶性」の微量元素（タンタルやカリウムなど、結晶化の際に融液中に留まることを好む元素）の平均濃度が、同じ深さの大陸下層地殻よりもはるかに低くなっていたのです。
このことは、大陸地殻の形成についての有力な説にとって問題となります。 その説では、アーク地殻が大陸地殻の組成になるまで、アーク地殻内の高密度の岩石の断片がゆっくりと下方に移動し、マントルに「創設」されることで、アーク地殻が剥離するとしています。 今回のデータでは、層間剥離が起こるためには、厚さ20kmの地殻から多くの岩石を取り除く必要があることが示唆されている。
「つまり、底にある高密度のものを少し取り除いても、円弧の下部地殻は大陸の下部地殻とは全く異なるものになってしまうということです。 アークの地殻から大陸の下部地殻を作るには、プロセスが不十分なのです」とケレメン氏は言う。
Kelemen氏とBehn氏は、より単純なプロセスを提案しています。
アリューシャン列島でのテスト
著者らは、アリューシャン列島でこのモデルをテストしました。 この火山弧では、溶岩とプルトンは大陸地殻に似ていますが、下層地殻は下層大陸地殻に豊富に含まれる元素が非常に不足しています。
アリューシャンの溶岩の約44％とプルトンの約78％は、沈み込み帯の条件ではマントルカンラン岩よりも浮力が大きいことがわかりました。 これは、アリューシャン列島の一部が、700℃を超える深さ90～120kmの沈み込み帯に引き込まれた場合、列島の溶岩やプルトンが上昇して地殻の底に蓄積されることを示唆している。
この発見に興味を持った科学者たちは、他のアークについても同じ計算をしてみました。 その結果、アラスカのタルキートナでは、48％の溶岩と37％のプルトンが浮力を持つことがわかりました。
南カリフォルニアのペローナ片岩では、下層大陸地殻の部分が見えているので、再堆積が見られるかもしれないとケレメン氏は言います。
「古い大陸地殻の下に詰め込まれていた若い火山性堆積物が、全体のパッケージの一部になっているのがわかります。 どのようにしてそこに降りてきたのでしょうか？
Lamont-Doherty Earth Observatoryで行われている研究については、こちらをご覧ください。