岩石 圏の歴史* 星野通 平 **

北陸地質研 究所報告 HGIReport No.1 April1991 p.3‑35

岩石 圏の歴史*

星野通 平 **

History oftheEarth'sLithosphere*

M ichiheiHosHINO**

(1991年 1月14日受理) (Received 14,ユan.1991)

目 次 地球 の表層

岩石 圏の起源 岩石 圏の発達 史

3‑ 1 岩石 圏 を構成す る岩石組成 の変化 3‑ 2 構造運動様式の変遷

花 尚岩 時代

漸移 時代 (原生代 ･古生代) 玄武岩時代 (中 ･新生代) 地質学 の対 象

Contents

1. SurfacelayerofthesolidEarth 2. 0riginofthelithosphere

3. DevelopmentoftheEarth'slithosphere 3‑ 1 Changeofrockcomposition 3‑ 2 Successivechangeoftectonicstyle

GraniticStage(Archean)

TransitionalStage(Proterozoic〜 Paleozoic) BasalticStage(Mesozoic〜Cenozoic) 4. Theobjectofgeology

References

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1990年5月19日,東京池袋の後藤学 園で開催 された シンポジウム｢地殻 の発達 史｣ (地学団体研 究会主催,北 陸地質研究所後援) にお ける講演.

ReadontheSymposium "CrustalEvolution''heldatGot0‑gakuen,Ikebukuro,Tokyo,onMay19, 1990,bytheChigaku‑Dantai‑Kenkyukai(AssociationfortheGeologicalCollaborationinJapan).

ほ しの ･み ちへ い 東海大学海洋学部 (〒424清水市折 戸 3‑20‑1) 自宅 :〒112東京都文京区小 日向 1‑19‑4

FacultyofMarineScienceandTechnology,TokaiUniversity(Orito3‑20‑1,Shimizu,424Japan) Homeaddress:Kohinata1‑19‑4,Bunkyoku,Tokyo,112Japan.

Abstract

ThelithosphereistheupperlayeroftheEarth,anditisdividedintothecurstand theuppermostmantle. Theboundarybetweenthecrustandtheuppermostlayerof themantleistheMoho‑discontinuity,itbeingdistinctattheoceanicbasinsand continentalplatformsbutnotsoclearatthemobilebeltsandtheoceanicridges, becausein many casestheseregionshavetransitionallayer. Thelithosphereis underlainbytheasthenosphere.

TherearetwohypothesesabouttheoriginoftheEarth:theoneistheconceptof homogeneousaccumulationofchondritesandtheotherisheterogeneousaccumulation theory. Theauthoracceptstheheterogeneousaccumulationtheory.Heconsiders thattheorlglnalmaterialsoftheEarth'Slithospherearethecarbonaceouschondritesor enstatiticchondriteswhichcontainthevolatilematerials. Thecomponentmaterials ofchondriteswerecondensedwiththecoolingofthesolarnebula. Theelementsat highcondensationtemperaturewerecondensedinearlierstage,andtheyaccumulated inthedeeperpartoftheprimitivesurfacelayeroftheEarth, Thecondensedelements underhightemperaturesuchasCaandothersaremainlycomposedofchondriteswhich accumulatedintheuppermantleintheearlierstage,whereasthechondriteswith volatilecomponentswhichmadeuptheprimitiveEarth'Slithospherearecharacterized bysuchelementsasMgetc.,whosecondensationtemperatureislowerthan1500oK (at lO4 atmosphericpressure). Theprimitivelithospherewasdifferentiatedintothe graniticupperlayerandtheultrabasiclowerlayerbyingeousactivityathigh‑tempera‑

ture/low‑pressure. Thedrivingforceofthiseventwastheatomicenergyof40Kand othershort‑livedradioactiveelements. Thedepletionofprimitiveatmosphericcom‑

ponentsandseawaterwouldhavetakenplacesimultaneously.

From theArcheantotheCenozoiceras,thefeldsparsofthegraniticrockshave beengraduallychangedfrom alkalinefeldsparstoCa‑richfeldspars,andthisevidence becomesdistinctintheBasalticStage(MesozoicandCenozoiceras). TheArchean granitehadthedrivingforce(40Kandothers)intheirowncomponents,butthegranitic rocksintheBasalticStagehadnoenergysourcesformelting,andwererecycledbythe heatfrom basalticmagmafrom theasthenosphere. Inthecaseoftheformationof recyclicgraniticmagma,CaandSrweretransferredfrom thebasalticmagmatothe graniticone. ThemaincarbonaterocksinthePrecambriantimearedolomiteand thoseoftheBasalticStagearelimestone. ThisfactshowsthatMgwasderivedfrom theoldultrabasicrocksofthelowerlithosphereandCafrom theyouIlgerbasicmagma

ofasthenosphere. Theoccurrenceofdiamondandhighpressurealkalinevolcanic

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rocksarecharacteristicoftheBasalticStage. Thesehigh‑pressurematerialswere notformedinthedeephigh‑pressurelayeroftheuppermantle,buttheymighthave beenformedinthelowercrustallayerwherethereexistedthickhardcap‑rocksand upwardhigh‑pressurecausedbymantlediapirs. Tungstenandmolybdenum arethe elementswithextremelyhighcondensationtemperature,andtheoredepositsofthese mineralswereformedonlyintheBasalticStage. Thisfactshowsthattheseelements weretransferredfrom theasthenospherebythebasicmagma.

Thetypeoftectonicmovementchangedfrom theGraniticStage(theArcheanera) totheBasalticStage. ThetectonicstyleoftheGraniticStagewasapan‑global geosynclinaltypeassociatedwithshallow buthigh‑temperaturemagmatism. The TransitionalStage (theProterozoicandPaleozoiceras)wascharacterizedbythe upheavalofthelargedomalcentalmassifsaccompaniedbytheactivityofthethick layered rocksand therelativedepression ofmarginalgeosynclines. Thecentral massifsmaybedividedintotwoclasses,oneisthelatePrecambrianpeneplain (old platform)andtheotheristhelatePaleozoicpeneplain (youngplatform). These platformshavebeentransformedintoinlandlowlands,inlandseabasinsandocean basins. ThetypeoftectonicmovementintheBasalticStageispredominantlymarked bylinearriftingstructuresandfaultedblockswhicharemainlythereactivatedArchean structures. Inthisstage,therewasnoenergysourceformagmaticactivity and tectonicmovementinthelithosphere,whereasthehigh condensationtemperature elementsuchas238U wasaccumulatedinthedeepuppermantle. Thepartialmelting ofasthenosphericmaterialswasbroughtaboutbythedecayof238U . Thesemeltedand expandedmaterialsroseupintothecrustandfloodedovertheoceanfloor. Theflood basalticlayerovertheoceanfloorcausedremarkablesea‑levelrising. Theauthor believesthatthesea‑levelrisesincethelateJurassicamountstoabout5km. Inthe continentalprovince,thehigh‑pressurebasicmagmawasintrudedassills,laccoliths andlopolithsintothecrustallayers,andtheycausedupheavlngOftheEarth'ssurface asblockmovements. Theplaceswhichwerenotaffectedbytheseupheavalscreated furrowsorbasins. Thereoccursnoabsolutesubsidence(contractionoftheEarth) withoutejection oftheinternalmaterialssuch asvolcanicejectaorextrusion of groundwater. TherlSlngOfsea‑levelandlandsurfaceweremarkedlydevelopedin theNeotectonicStage(earlyPliocenetoearlyPleistocene).

ThehistoryoftheEarth'Slithosphereisneitherauniformitarian‑cyclic‑concept (CharlesLYELL)nordialectic‑evolutional‑process(ZHANGWenyou),butitmaybe thedevelopmentprocessfrom birthtodeath.

1.地球 の表層

地球 は,地殻 ･マ ン トル ･核 の3層構造 によって構成 されている. これはお もに,地震波 の伝播速度の研究 によって認め られているこ とである.

地殻 とは,"地球 の表層であって, もともと溶融 している地球 内部 をおお う外側の層"と考 え られ て お り,今 日で は さ ま ざ ま に定 義 され て い る.つ ま り,"sial,tectonosphere, lithosphere,Moho不連続面 よ り上 の物質, といった もので,最後の定義が よい.ふつ う, 比職的 (象徴 的)な漠然 とした意味 で用 いる''(Dictionary of GeologicalTerms,1962).『地 学事典』では,"地球 の表層部す なわちモホ面以浅の部分 "とし,"大陸地域 では平均 35km, 大洋地域 では 5‑10km.前者では地殻上部 はお もに花 尚岩質岩石,下部 はお もに玄武岩質岩 石 か らなる と考 え られ るが,下部の玄武岩説 には最近強 い疑問が もたれている''(端 山,1971 a).この強い疑問の内容 は明 らかでない.地殻 をsial･simaで よぶ場合 がある.金森(1971) による と,"sialとは大陸地殻上半部 をつ くっている物質の総称 "である とし,"simaは,古

くは現在 でい うマ ン トル物質 にたい して用 い られた"とし,"大陸下部や海洋の地殻が玄武岩 質である とい う直接 の証拠 はない.地震波 の速 さ として 6.8km/Sぐらいの値 を与 える岩 石 は玄武岩 に限 らないが,花 南岩 に くらべ てMgの 多い ものでなければな らない"とい う.地 殻 とい うものは漠然 とした ものである とい うこ と,地殻下部 が玄武岩質岩石 で構成 されてい る とい うこ とには疑問が 多いこ と,地殻下部物質 をMgの 多い物質で特徴づ けるこ とは,きわ めて暗示的 なこ とである.

地殻 とは,地表か らモホ面 までの,地球 の最表層である.しか し,大洋域 にあってはMoho 面 は海面下 11‑ 12km の位 置 にあってか な り一定 しているが,大陸地域 では,Moho面の 深 さはか な り変化 している. さらに,大陸地域のMoho面 は一つの面 をなさず幅の ある層で あった り,Moho面付近 の地震波の不連続面が何層かに分 れている場合が しられていて,大 陸域 のMoho面の定義 は きわめて不確実である(コスイギン,1987).大陸地殻の上部層 と下 部層 を分 けるConrad面の存在 につ いて も,多 くの地域 で疑問が もたれている.張文佑(1984) は,地殻 は上部層 (花 南岩層) と下部層 (玄武岩層)の二つの剛体 か らなる層 と, その間の 比較的塑性 をもつ 中間層か ら成 る, と述べ ている.

この よ うに,地殻 につ いての定義 は きわめて不十分 な ものであるが,大陸域 では花 尚岩質 L 岩石 か らなる上部層 と,塩基性岩石 か らなる下部層の2層構造 を もち,大洋域 では堆積 層 を 別 とすれば,海水層 と塩 基性岩か らなる2層構造 をもつ, とい うこ とにつ いては大 多数 の研 究者の意見 は一致 している.深部 の地殻 を構成す る岩石 につ いては, コラ半 島の例 などを除 きほ とん ど入手 された ものはな く,捕獲岩や物理探査 の結果か らその構成岩石 を推定す るだ けである.物理探査 だけに頼 るこ とが危険であることは, コラ半 島における地震観測の結果 と深層掘削結果の喰 いちがいが その好例である.今後,深層掘削 をは じめ とす るさまざまな 岩石学的研 究が,地殻 の実態 を明 らか にす るため に必要 であ り, また,深層反射法 をは じめ

とす る各種 の地球物理 的探査法の技術 向上が期待 され る.

地殻 とマ ン トル最上部層 をふ くめて岩石 圏 (lithosphere)とよぶ .岩石圏の下位 はBAR‑

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RELL(1914)によって命名 された とい う(コスイギン,1987)アスセ ノスフェアである. アスセ ノス フェアは,下部岩石 圏に くらべ て弾性波速度が低下す る ところであ り,今 日の塩 基性火成活動の起 源 はアスセ ノスフェアにある, とい うこ とは地球科学者のほぼ一致 した見解 である.岩石 圏の下限 は,陸域 では地表か ら100‑150km, 海域 では海面か ら70‑80kmの深 さにあ り,アスセ ノスフェ アの基底 は,核爆発の さいの地震波の研究で,370 ‑400km ほ どの深 さにある とされている(コス イギン,1987). しか し, アセ ノスフェアの実態 につ いては不 明 な点が多い.岩石 圏下部 (最上部マ ン トル層) を構成す るものはかん らん岩質岩石 であろ う, と多 くの地球科学者 は考 えているが, ア スセ ノスフェア を構成す る もの も同質の ものであろ う, と多 くの ものは考 えている (図1).

Compositionallayerlng RheologICaHayerjng

図 1 地球 の断面.組成 とレオロジー による成層状況の比較 (KEAREYandVINE,199 0).

Fig･1･ ProfileofthesolidEarth･ Comparisonofthecompositio

nalandrheologicallayering(KEAREYand VINE

,1990).

つ ま り, 多 くの地球科学者 は,地球 の構成 を核 ･マ ン トル ･地殻の3層構造 とし

てその成 因 を論 じているのである.私 は次の ように考 えている.地球 の成 因 として不均質集積

説 を とる場合,頑火輝石 コン ドライ ト様 の隅石が地球最表層 に集積 した とみ られ る.この揮発成分 を含む苦鉄質 コン ドライ トが, 40Kな ど

ベ ロウソフ (1973)は, 玄武岩 (層) も花 南岩 (層) もともに,上部 マ ン トルが溶融 した場合 の 軽 い物質 であ る と述べ てい る. しか し,玄武岩 (塩 基性岩)は,岩石 圏 を構成す る花 尚岩 ･超塩 基 性岩 とは起源 を異 にす る物質 で, お もに玄武岩時代 になってか ら新 し く岩石 圏 に参 入 した岩石 で あ

る. この こ とにつ いて,私 は次の よ うに考 えてい る.

2.岩石 圏の起源

かつ て,灼熱の原始地球 が,地 史の歩み とともに次第に冷却 した, とい う地球成 因説が支持 され ていた時代 には,地球 の表層 の冷却 が内部 に くらべ て先行 し, 内部 に灼熱の物質 をつつみ こんで, 表層 には国結 した岩圏 (地殻)が形成 され た, と考 えられていた. しか し,今 日, この よ うな考 え を もつ ものはほ とん どいない.

地球 は,太陽系 の星雲物質が凝集 した隅石 の集積 によってつ くられ た もので ある, とい うのが定 説 になってい る.ただ し,隅石 の集積機構 につ いては,均質の隅石が集 まって原始地球 は形成 され, 現在 の地球 にみ られ る構成物質の ちがいに よる3層構造 は,二次的 な分層過程 の結果である, とい

う見方 と,地球 を構成す る隅石 の集積 にあたっては,集積 の初期 には地球 の核 を形成 した密度の大 きい隅石 が集積 し,マ ン トルか ら地殻 にか けて,地球 の よ り表層 を形成す るよ り密度 の小 さい物質 か らなる隅石 が集積 した, とす る考 えが ある.前 者 を均質集積説,後者 を不均質集積 説 とよぶ. な お,不均質集積 説 には,マ ン トル と地殻 は一次的 な集積 隅石の ちがいに よって形成 された とい う見 方 と,地殻物質 はマ ン トル物質か らもた らされ た二次的 な ものであ る, とい う見方が ある.

GROSSMAN (1975)に よれば,地球物質の集積 に関係 の ある炭素質石質隅石 は,高温の もとで蒸 気 となっていた元素 が,温度 の低下 に ともなって凝集 し,金属 ･鉱物 となった ものの集合である.

この場合,高温で凝集す る元素 ほ ど早期 に隅石 を形成 し,早期 に形成 され た隅石 ほ どよ り深部 に集 積 した, と考 えるこ とがで きる.

隅石 には,珪長質の もの はない(TIKHOMIROV,1959).今 日知 られてい るenstatitechondrite, ordinarychondrite,carbonaceouschondriteな どが地球 の起源 に関連 して検討 されてお り,その 分類 は さまざまで ある (牛来 ･周藤,1982). これ らの うちordinarychondrite は今 日落下が 目撃 されてい る隅石 の90%を しめ るこ と,地球 の全体 としての組成が この隅石 の組成 に似 てい るこ とな どか ら, この隅石組成 に近 い ものが集積 して地球 がで きた, と推定 されている (牛来 ･周藤,1982). しか し, これ は均質集積 説の立場 である.

不均質集積 説の立場 を と り,かつ,GROSSMAN (1975)の よ うな凝集温度 (点)説 に したが えば, 地球 の表層 を形成す る隅石 として もっ とも興味 を もたれ る ものは,今 日発見 され る隅石 中で数 は少 な くとも,頑火輝石 コン ドライ トが第‑ であ る (表1). 頑 火輝石 コン ドライ トは,low‑Ca輝 石 (60‑80vol.%),nickeLiron (13‑28% ),troilite(5‑17% )を主 とす る もので, これ らの 鉱物 はmeliliteの よ うな含Ca鉱物 よ り低 い凝集点 をもち,Ni･Fe元素 の凝集点 はMgに近 く, い ずれ もCaよ り低 い もので ある.このlow‑Ca輝石 は,troiliteと金属 を消 費 して拡大 し,type4‑6と いった頑火輝石 コン ドライ トの異 なった岩型 をつ くる.頑火輝石 コン ドライ ト中の troilite(FeS) は,Ni‑poorで あるが異常 に大量のTiO2(0.2‑1.0wt% ) と, か な りのCr,Mn,Znを含み,

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表2の鉱物組成表 で もっ とも興味 あるこ とは,三つのcubicsulfidesと,E 6にだけ驚 くほ ど多量 に 含 まれ るN含有量(sinoite),お よび,高 い還 元条件 の もとで が )ウム をふ くむ djerfisherite で あ る (以上 DoTT,1981).さらに,頑火輝石 コン ドライ トには H²0 が含 まれているこ とも注 目す べ き点で ある.

表 1頑火輝石コンドライト (1例)とその他のコンドライトの平均化学組成 (DoTT,1981)･

Table1.Representative(enstatitechondrites)andmeancompositionsofestablishedchondritegroups (DoTT,1981).

Class Enstatite(E) Ordjnary Carbonaceous(C) Group

Wt.% H L(LL) M 0 Ⅴ

S‑T‑<CrRMnMgcaNaKp

Ni Co S ･ H C 一eo/Fel｡I

Samples

46伊仙352816̲3573803t33308t4380;5010404110001020107‑2‑

7510413682t6525746t0日4t08ot仰31脚50･1050410001020005一1つー‑1

96061729561672324206t32506384230002010101100010tJ1200一1一2‑I

4004842367176001.5505140305920861

00

670727316427013670脚t5tOo6̲9cece2801010510001C2.IratraO.68‑一21 08鵬22298126̲026糾0815糾099tcece細701070410001OLtrat‑aO.36‑2‑

4804062317̲2849rS705̲52909̲9ce84700102030000103.ra0.0122‑▲1

4703772415̲940̲975脚30830078̲3437′b00O30010001八U50001I,,･ItJ1

High‑andlow‑FeextremesofenstatitechondritesfromMason(1966); ordinarychondrites什om Mason(1965);carbonaceouschondrites什omWiik (1%9),Jarosewich(inFuchseta1.,1973‑Murchison,CM,only)andClark etal･･1970tAllende･CV,only)･Oxygでn･notreportedinthetable,makesup thedifferencetolO0%.L‑groupmeanIncludessomeLL‑groupanalyses.

私 は,Kが地 史の古 い時代 の酸性岩 を代表す る元素 であるよ うに,頑 火輝石 コン ドライ トを代表 す るMgは,古 い時代 の岩石 圏構成岩 中の超塩 基性岩 を代表す る元素 であ り,地球 を構成 した コン ド ライ ト集積 の後期 (表層)集積期 の もので あろ う, と考 える.

始生代 を特徴づ ける緑色岩帯 の起源 につ いて, これ らの塩 基性岩 ･超塩基性岩がマ ン トルか ら由 来 した, と考 える ものが 多い. しか し私 は, これ らは頑火輝石 コン ドライ トを起源 として地球表層 部 において形成 された もので,緑色岩帯 の塩 基性 ･超塩 基性岩が珪長質岩 とbimodalな産状 を示す こ とな どか ら,両者 は,地球 表層での分化物 であろ う, と考 える. また,GooDWIN (1968)は, 図2に示す よ うに,始生代緑色岩体 の 火成活動 を,超塩 基性岩‑塩 基性岩‑酸性火 山岩の順 とし, 酸性岩段 階 になっては じめて, これ らの岩体 の侵 食が行 われた とい う. しか し, この よ うな上下方 向の岩石 の性質の ちがいは, 同時のマ グマの重力分化の結果 として考 えるこ とはで きないで あろ う か. これ らの塩 基性 ･超塩 基性岩が,basemetalの重要 な母岩 であ るこ とも, この よ うな推論 の根