Fig. 1 Distribution of the Sambagawa and Ryoke belts in SW Japan with the localities of Seba and Kotsu regions (MTL = Median Tectonic Line ; ITSZ = It

地 学 雑 誌 Journal of Geography 113 (5) 664-677 2004

三 波 川 エ ク ロ ジ ャイ トの沈 み込 みP-T経

路 の

導 出 とそ の テ ク トニ ックな 意 味付 け

包 括 的岩 石 学 へ の布 石 と して 青 矢 睦 月*

Derivation of Subduction-Stage Pressure-Temperature Path of Sambagawa Eclogite and its Tectonic Significance:

Towards the Goal of a Comprehensive Petrology Mutsuki AOYA *

Abstract

In general, derivation of subduction-stage P-T (pressure-temperature) paths for high-P

metamorphic rocks is difficult, because in most cases they are affected by subsequent

metamorphism, during which the pre-peak P mineral assemblages are significantly modified.

However, petrological studies during the last 10 years in the Sambagawa belt have recognized

unusually well-constrained sections of the subduction-stage P-T path. In particular,

derivation of the subduction-stage P-T path of the Kotsu glaucophane eclogite was backed-up

by insights obtained from a combination of petrological and structural analyses. Application of

a new thermal model shows that the derived subduction-stage P-T paths are most likely to

have been generated in a setting where an active spreading ridge is close to being subducted.

This tectonic interpretation suggests that exhumation of high-P/T metamorphic rocks in

oceanic subduction zones is triggered by regional heating events such as ridge subduction. A

review of recent studies on the Sambagawa belt indicates the significance of promoting a

'comprehensive petrology'

, which encompasses the full set of constraints provided by

disciplines such as petrology, structural geology, geochronology and thermal modeling.

Key words : metamorphic petrology, P-T path, structural geology, thermal modeling, ridge

subduction, Sambagawa belt

キ ー ワ ー ド: 変 成 岩 岩 石 学,圧 力 ・温 度 経 路,構 造 地 質 学,熱 モ デ リ ン グ,海 嶺 沈 み 込 み,三 波 川 帯 1. は じ め に エ ク ロ ジ ャ イ ト に 代 表 さ れ る 高 圧 変 成 岩 類 は , か つ て地 下 数 十kmも の 深 部 に達 した証 拠 を 内包 す る岩 石 だ が,紛 れ もな い 事 実 と して現 在 の地 表 面,主 に プ レー ト収 束域 に露 出 して い る。 こ の事 * _{名古 屋大 学大 学 院環境 学研 究科 。現:産 業技 術総 合研 究所 地質情 報研 究部 門}

* _{Research Fellow, Graduate School of Environmental Studies, Nagoya University}

. present adress : Institute of Geoscience National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)

は プ レー ト収 束 域 に お い て 地 下 数 十kmか ら地 表 まで 岩 石 を上 昇 させ る な ん らか の メ カニ ズ ムが 働 い て い た事 を示 して い る 。 しか し,高 圧 変 成 作 用 に よ っ て高 密 度 化 した 岩石 が,プ レー ト収 束 に伴 う沈 み 込 み に逆 らっ て 上 昇 して くる とい う,一 見 矛 盾 に満 ち た プ ロ セ ス を理 解 す る 事 は容 易 で は な く,現 在 も なお 地 質 学 が解 決 す べ き謎 と して 残 存 して い る 。三 波 川 帯(図1)に 露 出 す る 高圧 変 成 岩 類 は ま さ に,こ う した上 昇 メ カニ ズ ム に乗 っ て 地 表 ま で運 ば れ て 来 た 生 き証 人 で あ る(例 え ば, Hara et aZ., 1992; Takasue et aZ., 1994; Wallis, 1998; Wallis et aZ., 2000)。 特 に,そ の 沈 み 込 み 時(圧 力 上 昇 時)のP-T(圧 力 ・温 度)経 路 を導 出 す る事 は,高 圧 変 成 岩 の 上 昇 が 起 こ る た め の物 理 条 件 を制 約 す る上 で 重 要 な 意 味 を持 つ 。 た だ し, 変 成 岩 は一 般 に ピー ク圧 力 に達 した後,減 圧 時 に も再 結 晶 して い る た め,沈 み 込 み 時 の 古 い情 報 を 読 み とる事 は た や す い 事 で は な い。 とこ ろ が,最 近10年 間の 詳 細 な岩 石 学 的研 究 か ら,特 に 四 国 三 波 川 帯 に お い て,様 々 な 深 度 で の 沈 み 込 みP-T

経 路 が 導 出 さ れ(Enami et aZ., 1994; Enami, 1998; Inui and Toriumi; 2002; Aoya et aZ., 2003),三 波 川 帯 沈 み 込 み 時 の テ ク トニ ッ ク セ ッ テ ィ ン グ の 推 定 が 可 能 に な っ た(Aoya et aZ., 2003)。 本 総 説 で は 特 にAoyae et aZ. (2003)の 研 究 を 例 に 取 り,そ こ で 行 わ れ た エ ク ロ ジ ャ イ トの 沈 み 込 みP-T経 路 の 導 出,お よ びP-T経 路 の 熱 モ デ ル に よ る 解 釈 の 過 程 を,手 法 的 な 背 景 も 踏 ま え て 紹 介 す る 。 II. サ ン プ ル の 選 別:岩 石 学 ・構 造 地 質 学 の 融 合 広 域 変 成 帯 は 広 域 変 形 帯 で も あ る 。 三 波 川 帯 の よ う な 広 域 変 成 帯 を 構 成 す る 岩 石 の 多 く は,一 般 に 沈 み 込 み や 上 昇 と い っ た テ ク トニ ッ ク プ ロ セ ス を 通 じ,複 数 段 階 の 変 形 を 被 っ て い る(例 え ば, Passchier and Trouw, 1996, 1-6)。 よ っ て,広 域 変 成 岩 の 辿 っ た 歴 史 を 解 き 明 か そ う と す る 場 合, 変 成 履 歴(P-T履 歴)の 理 解 を 主 目 的 と す る 「岩 石 学 」 と,変 形 履 歴 の 理 解 を 主 目 的 とす る 「構 造 地 質 学 」 を 相 互 補 完 的 に 用 い る 事 が 時 と し て 非 常 に 有 益 で あ る 。 後 に 沈 み 込 みP-T経 路 を 導 出 す る 高 越 エ ク ロ ジ ャ イ ト と の 比 較 の た め,ま ず 瀬 場 エ ク ロ ジ ャ イ トユ ニ ッ ト(図1)で の 研 究 例(Aoya, 2001)を 紹 介 す る 。 1) 瀬 場 エ ク ロ ジ ャ イ ト:沈 み 込 み 履 歴 を 読 め な い 岩 石 瀬 場 エ ク ロ ジ ャ イ トユ ニ ッ トに は 片 理 面,つ ま り,変 形 由 来 の 面 構 造 を 持 つ 岩 石(片 岩)が 多 産 す る 。 こ う い っ た 強 変 形 ユ ニ ッ ト を 構 造 地 質 学 の 視 点 か ら調 査 し,岩 石 が 被 っ た 多 重 変 形 を 解 析 す る 事 で,い くつ か の 異 な る 変 形 ス テ ー ジ を 認 識 す る 事 が で き る(図2)。 ま た,観 察 さ れ た 構 造 要 素 が ど の 順 番 で 生 じ た の か,つ ま り変 形 イ ベ ン トの 「前 後 関 係 」 に 関 し て,構 造 地 質 学 は 切 れ 味 の 良 い 情 報 を 提 供 で き る(図2)。 と こ ろ が,三 波 川 帯 の よ う な 強 度 変 形 地 域 で は,構 ・造 地 質 学 の 手 法 だ け か ら あ る 変 形,特 に 古 い 変 形 に テ ク トニ ッ ク な 意 味 付 け を 行 う 事 は 難 し い 。 例 え ば,あ る 片 理 面 に 沿 っ て 逆 断 層 セ ンス の 勇 断 が 読 み と れ た と し て も, 現 在 見 ら れ る 面 構 造 の 方 位 が,面 構 造 形 成 時 の 方 位 を 保 存 し て い る と い う 保 証 は な い 。 す る と, 図1  西 南 日 本 に お け る 三 波 川 帯,領 家 帯 の 分 布 (Isozaki, 1996に 基 づ く)と 瀬 場 地 域,高 越 地 域 の 位 置(MTL=中 央 構 造 線;ITSZ=糸 魚 川-静 岡 構 造 線).

Fig. 1 Distribution of the Sambagawa and Ryoke belts in SW Japan with the localities of Seba and Kotsu regions (MTL = Median Tectonic Line ; ITSZ =

元 々 は 正 断 層 や 横 ず れ 断 層 だ っ た か も し れ な い 。 実 際,三 波 川 帯 は 全 体 と し て タ イ トな 摺 曲 で 幾 重 に も 折 り畳 ま れ て い る と い う 考 え 方 が 一 般 的 で あ る(Wallis et aZ., 1992な ど)。 こ の よ う な 状 況 で 各 変 形 段 階 へ の 意 味 付 け を 行 う に は,岩 石 学 的 な 手 法 を 併 せ て 用 い る の が 有 効 で あ る 。 つ ま り,変 成 鉱 物 を マ ー カ ー と し,変 成 鉱 物 の 成 長 と 変 形 と の 前 後 関 係 を 見 極 め て い く作 業 が 威 力 を 発 揮 す る 。 例 え ば,瀬 場 エ ク ロ ジ ャ イ トユ ニ ッ トで 最 も 卓 越 す る 面 構 造 は,図2に お け る 変 形2の 面 構 造(以 後,面 構 造2な ど と 呼 ぶ)で あ る 。 顕 微 鏡 下 で 見 る と,こ の 面 構 造2は,ア ル バ イ ト斑 状 変 晶 に よ っ て そ の 直 線 配 列 を 乱 さ れ る 事 な く 包 み 込 ま れ て い る(口 絵1-写 真1)。 こ の よ う な 構 造 は,変 形 2が 終 了 し た 後,ほ ぼ 無 変 形 の 状 態 で ア ル バ イ ト が 形 成 し た 事 を 示 す(Passchier and Trouw, 1996, 154-157)。 つ ま り,変 形2は ア ル バ イ トの 成 長 よ り前 に 起 こ っ た 事 が わ か る 。 一 方,こ の 面 構 造2を 野 外 で 追 跡 し て い く と,場 所 に よ っ て は ガ ー ネ ッ ト と オ ン フ ァ ス 輝 石(エ ク ロ ジ ャ イ ト相 の 指 標 鉱 物;例 え ば,Carswell,1990)を 含 む サ ン プ ル が 見 つ か る 。 こ う い っ た サ ン プ ル を 顕 微 鏡 下 で 見 る と,オ ン フ ァ ス 輝 石 は 片 理 面 に 沿 っ て 配 列 し,し か も,ガ ー ネ ッ ト は こ の 配 列 を 巻 き 込 む よ う に 成 長 し て い る 事 が わ か る(口 絵1一 写 真3)。 こ の よ う な 構 造 は ガ ー ネ ッ トや オ ン フ ァ ス 輝 石 の 成 長 が 変 形2と 同 時 期 に 起 こ っ て い た 事 を 示 す (Passchier and Trouw, 1996, 176-182)。 二 つ の 観 察 事 実 を 合 わ せ る と,変 形2は 主 に エ ク ロ ジ ャ イ ト相 で 起 こ っ て い た が,変 形 終 了 後 に は,岩 石 は ア ル バ イ トの 安 定 な 低 圧 領 域 に 達 し て い た 事 に な る 。 よ っ て,変 形2は 上 昇 期 の 変 形 で あ る と解 釈 で き る(詳 し く は,Aoya,2001,1231-1233参 照)。 こ の よ う に,鉱 物 成 長 と 変 形 と の 前 後 関 係 を 導 く事 で,変 形 ス テ ー ジ に テ ク トニ ッ ク な 意 味 を付 加 す る 事 が 可 能 に な る 。 逆 に,上 記 の 微 細 構 造 観 察 か ら,ア ル バ イ ト と オ ン フ ァ ス 輝 石 は 形 成 ス テ ー ジ が 異 な り,岩 石 学 的 に 共 存 鉱 物 と し て 扱 え な い 事 も わ か る 。 つ ま り,変 成 岩 を 扱 う 際 に は, 岩 石 学 と構 造 地 質 学 を 独 立 に 行 う の で は な く,お 互 い を 融 合 し た 補 完 的 な 議 論 が 最 も 有 意 義 で あ る 事 が わ か る 。 さ て,上 記 の 議論 か ら 変 形2が 上 昇 期 変 形 と 判 明 し た 事 に よ り,沈 み 込 みP-T経 路 を 導 出 す る に は,さ ら に 古 い 構 造,す な わ ち 面 構 造1を 調 べ な い と い け な い 事 が わ か る 。 と こ ろ が,面 構 造1が 卓 越 す る 岩 石(変 形2を 免 れ た 岩 石)を 調 べ て み る と,こ の 面 構 造 を構 成 す る 鉱 物(例 え ば 角 閃 石) の 化 学 組 成 は,面 構 造2と ほ と ん ど 変 わ ら な い 事 が 判 明 し た 。 つ ま り,構 造 は 保 存 さ れ て い る も の の,岩 石 学 的 な 古 い 情 報 は オ ー バ ー プ リ ン ト に よ っ て ほ ぼ 消 滅 し て し ま っ て い る(Aoya, 2001, 1241-1244)。 こ う な る と,沈 み 込 み 時 の 情 報 を得 る に は ガ ー ネ ッ トの よ う な 物 理 的 ・化 学 的 に 強 い 鉱 物 の 包 有 物 を 見 る し か な い が,沈 み 込 み 時 の 「履 歴 」 を 読 む に は,変 形1と 同 時 期 に 成 長 し た ガ ー ネ ッ トが 必 要 と な る 。 し か し,ガ ー ネ ッ ト結 晶 の 大 部 分 は 変 形1の 終 了 後 に 静 的 に 成 長 し て お り(口 絵1-写 真4),変 形1と 同 時 成 長 を 示 す の 図2  瀬 場 エ ク ロ ジ ャ イ トユ ニ ッ ト に 見 ら れ る 摺 曲 オ ー バ ー プ リ ン トパ タ ー ン の 露 頭 ス ケ ッ チ(Aoya, 2002).

三 段 階 の 変 形(Aoya and Wallis (1999)に よ っ て D0, D0, D0と 名 付 け ら れ て い る)が 認 識 で き る.

Fig. 2 Outcrop sketch of fold overprint pattern observed in the Seba eclogite unit (taken from Aoya, 2002) .

Three distinct stages of deformation (named as Do, DA and DB in Aoya and Wallis (1999)) can be recognized.

は ガ ー ネ ッ トの コア の ご く狭 い 範 囲 に 限 られ る事 が わ か っ た(口 絵1-写 真4)。 こ う い っ た 経 過 に よ り,残 念 なが ら,瀬 場 エ ク ロ ジ ャ イ トは沈 み 込 みP-T経 路 を導 出 す るの に 適 した 岩石 で は な い事 が 判 明 した 。 2) 高 越 エ ク ロ ジ ャ イ ト:沈 み 込 み 履 歴 を保 存 した岩 石 そ の 後Matsumoto et aZ. (2003)は,局 所 的 に エ ク ロ ジ ャイ トを含 む 四 国 東 部 の 高 越 藍 閃片 岩 ユ ニ ッ ト(図1)に お い て 岩 石 学 と構造 地 質 学 を併 用 した研 究 を行 っ た 。 まず,高 越 ユ ニ ッ トに も3 段 階 の変 形 が 認 め られ る事,ま た 変 形2が ア ル バ イ トの 成 長 よ り前 に起 こ って い た 事([絵1一 写真 2)が 判 明 した。 ま た,面 構造2に 沿 って 引 き離 さ れ た藍 閃石 や緑 簾 石 の 問 を埋 め る よ うに ア ク チ ノ 閃 石 や緑 泥 石 とい う緑 色 片 岩 相 鉱 物 が 成 長 して い る事 か ら,変 形2が 上 昇 期 変 形 で あ る事 が わ か っ た(緑 色 片 岩 相 は エ ク ロ ジ ャ イ ト相 や藍 閃片 岩 相 よ り も低 圧 部 に位 置 す る)。 こ こ まで は瀬 場 の場 合 と同様 で あ る 。 と ころ が,変 形2の 卓 越 した 岩 石 で ガ ー ネ ッ トを観 察 す る と,ガ ー ネ ッ ト包 有 物 はS字 状 の湾 曲 を示 す もの の,こ の 配列 は 面構造 2と 不 連 続 で あ る事 が わ か っ た(口 絵1一 写 真5)。 つ ま り,高 越 で は ガ ー ネ ッ トが 包 有 す る面 構 造 は 面 構 造2よ りも古 い もの,面 構造1で あ り,し か もガ ー ネ ッ ト全 体 が この 面構造1の 形 成 と同 時 成 長 を 示 し て い る。 こ う い っ た 観 察 事 実 か ら, Matsumoto (2002MS)は,高 越 地 域 で変 形1が 卓 越 す る 岩石 を用 い て ガー ネ ッ ト包 有 物 の解 析 を 行 え ば,沈 み 込 みP-T経 路 が 得 られ る事 を予 言 し た。 実 際,Aoya et aZ. (2003)に よ って 沈 み 込 み P-T経 路 が 導 出 され た 岩 石,藍 閃 石 エ ク ロ ジ ャ イ トは ま さ に,そ の よ う なサ ンプ ル で あ っ た(口 絵 1-写 真6)。 3) 岩 石 学 一構 造 地 質 学 融合 の意 義 上 に述 べ た い き さつ が 端 的 に示 す事 は,変 成 帯 に お け る古 い 情 報 の 解 析 はサ ンプ ル を選 ぶ,と い う事 で あ る。 そ して,前 述 の よ うに構 造 地 質 学 は イ ベ ン トの 前 後 関 係 につ い て切 れ 味 の 良 い 情 報 を 提 供 で き る。 つ ま り,岩 石 学 と構造 地 質学 を併 用 す る事 で,古 い 情 報 を残 したサ ンプ ル を選 別 す る 上 で の洞 察 が 得 られ る可 能 性 が 高 ま る と言 え る。 一 方_{,瀬 場 と高越 の 研 究 例 か ら推 測 さ れ る も う} 一 つ の 事 は_{,構 造 地 質 学 的 に 認 識 さ れ る 変 形 ス} テ ー ジ の 更新 が,お お むね テ ク トニ ック な状 況 変 化 に対 比 で きる で あ ろ う事 で あ る。 図2に 示 した よ うな摺 曲 の オ ー バ ー プ リ ン トは,多 段 階 変 形 の 存 在 を示 す の と同 時 に,変 形 ス テ ー ジ更 新 の 際, 変 形 方 位 の 枠 組 み(伸 長 や 短 縮 の 方 向)が 不 連 続 的 に 変 化 した 事 を も示 唆 す る。 沈 み 込 ん で い た 変 成 岩 が 上 盤 側 に付 加 し,上 昇 に転 じる よ うな 状 況 で は,ま さに こ うい っ た不 連 続 的 な変 化 が 起 こ る は ず で あ る。 実 際,高 越 の 例 で は変 形1か ら変 形 2へ の 変 化 は,沈 み 込 み か ら上 昇 へ の 変 化 に 対 応 して い る。 各 変 形 ス テ ー ジ を 「沈 み 込 み 」 や 「上 昇 」 とい っ た イ ベ ン トに対 応 付 け られ る 事 は,P-T経 路 導 出 の 際 に も,複 数 の 変 成 ス テ ー ジ を繋 い で い く上 で の状 況 証 拠 と して用 い る事 が で き る。 III. 高越 エ ク ロジ ャイ トの沈 み込 み P-T経 路 の 導 出 Matsumoto (2002MS)の 予 測 を 受 け,Aoya et aZ. (2003)は 高越 藍 閃石 エ ク ロ ジ ャイ ト(口 絵 1-写 真6)の ガ ー ネ ッ ト包 有 物 解 析 を行 い,沈 み 込 みP-T経 路 を導 出 した。 以 下,そ の過 程 を述 べ る 。 1) ガ ー ネ ッ ト成 長 時 の温 度 変 化 ガ ー ネ ッ トはP-T経 路 を論 じる上 で有 用 な鉱 物 で あ る。 ガ ー ネ ッ トは多 くの場 合,外 形 が 丸 っ こ く,し か も内部 拡 散 の速 度 が 比 較 的 遅 い(例 え ば, Chakraborty and Ganguly, 1991)。 そ の た め, 拡 散 に よ る組 成 改 変 の影 響 を ほ とん ど受 けず に 同 心 円 状 の 組 成 累 帯 構造 を残 す事 が 多 々あ り,こ の よ う な ガー ネ ッ トを見 れ ば,コ ア か ら リム へ 成 長 の 前 後 関 係 を明 瞭 に捉 え られ る。 高 越 エ ク ロ ジ ャ イ トの ガー ネ ッ トは ま さに,こ うい った 条 件 を満 た す 組 成 累 帯 構 造 を 持 つ(Matsumoto et aZ., 2003, 366)。 ま た 内 部 拡 散 の 速 度 が 遅 い 事 か ら, 包 有 物 の 化 学 組 成 もガ ー ネ ッ トに取 り込 まれ た時 期 の 組 成 を保 持 して い る可 能性 が 高 い。 手 法 的 に も,輝 石,緑 泥 石,黒 雲 母 な ど,様 々 な 鉱 物 との ペ ア に よ る温 度 圧 力 計 が提 案 さ れ て い る(Spear _,

1993,517-519)。 例 え ば 高越 エ ク ロ ジ ャイ トの場 合,多 量 の単 斜 輝 石 を包 有 す る ガ ー ネ ッ ト(口 絵 1-写 真6)を 用 い れ ば,ガ ー ネ ッ トー単斜 輝 石 温 度 計 に よ っ て コ ア か ら リム へ の 温 度 変 化 を認 識 す る 事 が で きる。 単 斜 輝 石 包 有物 と近 接 ガ ー ネ ッ トの ペ ア に つ い て 化 学 組 成 分 析 を行 っ た 結 果 ,ガ ー ネ ッ トの コ ア か ら リ ム に 向 か っ て50度 程 度 の温 度 上 昇 が 起 こっ て い た 事 が判 明 した 。 2) 角 閃石 包 有 物:割 れ 目の 影 響 と合 わ せ て P-T経 路 の圧 力 変 化 を制 約 す る 変 成 反 応 を得 る た め,単 斜 輝 石 に加 え て 角 閃石 の 組 成 変 化 も調 べ た 。 単 斜 輝 石 の 場 合 と同様,も し も多 量 の 角 閃石 を 包 有 す る ガ ー ネ ッ トが存 在 す れ ば,コ アか ら リ ムへ の 角 閃石 の組 成 変化 を 追跡 で きる。 とこ ろが, 高越 エ ク ロ ジ ャ イ トの ガ ー ネ ッ トに はそ れ ほ ど多 くの 角 閃 石 包 有 物 が 含 まれ て い な い。 つ ま り,多 数 の ガ ー ネ ッ トか ら角 閃石 包 有 物 の 組 成 デ ー タ を 集 め た 上 で,そ れ らに前 後 関係 を つ け る必 要 が 出 て きた 。 一 つ の 案 と して は,角 閃石 包 有 物 と近 接 す る ガ ー ネ ッ トの 組 成 を随 時 測 定 して マ ー カー と し,ガ ー ネ ッ ト累 帯 構 造 との照 合 か ら前 後 関 係 を 決 め る と い う や り方 が 考 え られ る。 し か し,各 ガ ー ネ ッ トは角 閃 石 が 多 い層,緑 簾i石が 多 い 層, 単 斜 輝 石 が 多 い 層 な ど,化 学 組 成 の異 な る複 数 の 層 に存 在 す る 。 こ うい った 全 岩 組 成 の 異 な る層 の 問 で,あ る温 度 圧 力 下 で 成 長 した ガ ー ネ ッ トの 組 成 が常 に 等 しい とい う仮 定 は,妥 当性 が や や 疑 わ しい。 よっ て,も う少 し大 局 的 な見 方 か ら角 閃 石 組 成 変 化 の認 識 を 目指 した。 高 越 エ ク ロ ジ ャ イ トの ガー ネ ッ トに は結 晶 表 面, つ ま りガ ー ネ ッ トの 外 界 まで 続 く多 数 の割 れ 目が 存 在 す る(口 絵1一 写 真6)。 こ うい っ た割 れ 目は, 場 合 に よ っ て は外 界 との 物 質 の や り と りの通 り道 と な り得 る。 こ の 観 点 か ら見 る と,い わ ゆ る 「包 有 物 」 は,次 の3種 類 に 区 別 す る 必 要 が あ る:i) ガ ー ネ ッ ト成 長 時 に 取 り込 まれ,そ の後 ガ ー ネ ッ ト以 外 の外 界 との や りと りを遮 断 さ れ た もの(狭 義 包 有 物);ii)ガ ー ネ ッ ト成 長 時 に取 り込 まれ た が, そ の 後 ガ ー ネ ッ トに 生 じた 割 れ 目 に よ っ て外 界 と つ な が っ た もの(広 義 包 有物);iii)ガ ー ネ ッ トの 成 長 終 了 後,割 れ 目に 沿 っ て 形 成 した もの(包 有 物 で は な い)。 ガ ー ネ ッ ト成 長 時 の 組 成 変 化 を 反 映 す る の は,i)の よ う な 狭 義 包 有 物 で あ る 。 ま た,ii)の よ う な 割 れ 目 を伴 う包 有 物 は,ガ ー ネ ッ ト成 長 以 後 の 組 成 改 変 を 受 け て い る 可 能 性 が あ る 。 iii)に 至 っ て は,も は や ガ ー ネ ッ ト と 非 共 存 の 鉱 物 相 で あ る 可 能 性 が 高 い(例 え ば 緑 泥 石 な ど は こ の 産 状 を 示 す 事 が 多 い)。 こ の 観 点 に 立 ち,角 閃 石 包 有 物 をBSE像(Back-scatteredelectron image)で 観 察 し た 上 で,割 れ 目 を 伴 わ な い も の (図3a)と 割 れ 目 を 伴 う も の(図3b),ま た,割 れ 目 を 伴 う 上,割 れ 目 に 沿 っ た 組 成 改 変 が 観 察 で き る も の(図3b)と い う3者 に 分 類 した 。 そ の 結 果,3者 の 組 成 範 囲 は 図3cの よ う に な っ た 。 こ こ で 注 目 す べ き 点 は,割 れ 目 を 伴 う包 有 物 の 組 成 が,改 変 部 を 除 く と 全 て 藍 閃 石 組 成 に 集 中 す る 事 で あ る(図3c)。 ガ ー ネ ッ トの 割 れ 目 は 組 成 累 帯 構 造 を 切 っ て お り(Matsumoto et aZ., 2003, 366),そ の 形 成 時 期 は ガ ー ネ ッ ト成 長 の 終 了 後 で あ る 。 つ ま り,こ れ ら の 角 閃 石 は ガ ー ネ ッ トの 成 長 終 了 後,割 れ 目 に 沿 っ た 物 質 移 動 に よ っ て 均 質 化 し た と 考 え ら れ る 。 一 方,割 れ 目 を 伴 わ な い 包 有 物 は ウ ィ ン チ 閃 石 ∼ バ ロ ア 閃 石 か ら藍 閃 石 に 至 る 線 状 の 組 成 分 布 を 示 す(図3c)。 割 れ 目 を 伴 う 角 閃 石 の 組 成 が 順 序 的 に 後 で あ る事 を 合 わ せ る と, ガ ー ネ ッ ト成 長 時 の 角 閃 石 組 成 変 化 は ウ ィ ン チ 閃 石 ∼ バ ロ ア 閃 石 か ら 藍 閃 石 に 至 る ト レ ン ドで あ っ た と 考 え ら れ る(図3c)。 3)  マ ト リ ク ス の 角 閃 石 上 述 の よ う な 角 閃 石 の 組 成 変 化 を 主 張 す る 上 で の 難 点 は,割 れ 目 に 沿 っ た 角 閃 石 包 有 物,つ ま り 藍 閃 石 が,そ の 後 さ ら に ウ ィ ン チ 閃 石 ∼ バ ロ ア 閃 石(以 後,緑 の 角 閃 石 と呼 ぶ)へ と 組 成 改 変 し て い る 様 子 が 観 察 さ れ て い る 事 で あ る(図3c)。 こ の ト レ ン ド は,先 ほ ど 導 か れ た ガ ー ネ ッ ト成 長 時 の ト レ ン ド と 正 反 対 で あ り,Matsumoto et aZ. (2003)で 記 述 さ れ た 後 退 変 成 期 の ト レ ン ド と 一 致 す る 。 こ の 場 合,割 れ 目 を 伴 わ な い 包 有 物 が, 本 当 に ガ ー ネ ッ ト成 長 時 の 情 報 を 保 持 し て い る の か ど う か が 疑 わ し く な る 。 つ ま り,BSE像 に よ る 観 察 で 割 れ 目 が 見 え な い と は 言 え,実 は 三 次 元 的 に は 割 れ 目 と つ な が っ て お り,得 ら れ た 組 成 は 後

(a)

(b)

(c)

退 変 成 期 の もの で あ る,と い う解 釈 も浮 上 して 来 る 。 この 問 題 を解 決 す る に は,緑 の 角 閃石 が 藍 閃 石(青 い 角 閃 石)に な り,再 び緑 に な る とい う往 復 組 成 変 化 の 存 在 を示 す必 要 が あ る。 この 証 拠 を 探 す た め,マ トリ ク ス の角 閃石 に着 目 した 。 そ の 結 果,高 越 エ ク ロ ジ ャ イ トの マ トリ クス 角 閃 石 に は確 か に,緑 → 青 → 緑 とい う3段 階 の 組 成 変 化 が 見 られ る事 が 明 らか に な っ た(口 絵1一 写 真7:化 学 組 成 はAoya et aZ., 2003参 照)。 この 観 察 に よ り,ガ ー ネ ッ ト成 長 時 の角 閃石 組 成 変 化 が 緑 → 青 とい う トレ ン ドに対 応 す る 事 が ほ ぼ 決 定 的 とな っ た 。 単 斜 輝 石 の議 論 も合 わ せ る と,高 越 エ ク ロ ジ ャ イ トで は ガー ネ ッ トの 成 長 に伴 い,「 温 度 上 昇 」 と 「藍 閃石 の形 成 」 が 同時 に起 こ っ て い た事 に な る。 図3  (a),(b)高 越 藍 閃 石 エ ク ロ ジ ャ イ トの ガ ー ネ ッ ト中 角 閃 石 包 有 物 のBSE像(Aoya et aZ., 2003).(c)角 閃 石 包 有 物 の 化 学 組 成 を ケ イ 素 一Bサ イ ト ナ ト リ ウ ム 図 に 落 と し た も の. ガ ー ネ ッ ト の 割 れ 目 と の 関 係 に よ っ て3種 類 の 産 状 に 分 類 さ れ て い る (Aoya et aZ., 2003).

Fig. 3 (a) , (b) Back-scattered electron images of amphibole inclusions within garnet in Kotsu glaucophane eclogite (Aoya et al., 2003) . (c) Chemical compositions of amphi-bole inclusions on Si-c31 Na diagram.

Amphibole inclusions are classified into 3 types focusing on their relationship to cracks developed in the host garnet (Aoya et al.,

4) 藍 閃石 形 成 反 応 の 決定 とP-T経 路 の 導 出 変 成 相 区 分 図(Evans, 1990; Spear, 1993; Peacock, 1993な ど)に お け る藍 閃 片 岩相 の 位 置 か ら もわ か る よ う に,藍 閃石 は 一般 に低 温 ・高 圧 条 件 で 安 定 な鉱 物 で あ る。 とこ ろ が,高 越 エ ク ロ ジ ャイ トの場 合,温 度 上 昇 を伴 い な が ら藍 閃 石 が 形 成 して い る。 つ ま り,定 性 的 に考 え る と,温 度 上 昇 に比 して か な り急 激 に圧 力 が 上 昇 しな い 限 り 得 られ た観 察 事 実 が 実 現 し な い事 が 予 想 され る。 こ の推 測 を裏付 け る た め,以 下,藍 閃石 形 成 反応 を決 定 してい く。 藍 閃石 は ナ トリ ウム を含 む鉱 物 で あ る の で,な ん らか の ナ トリ ウ ム 鉱 物 を消 費 す る 必 要 が あ る。 と こ ろが,高 越 エ ク ロ ジ ャイ トの ガ ー ネ ッ トに は アル バ イ ト(Na斜 長石)包 有物 が存 在 しな い。 厳 密 に言 え ば,前 に述 べ た 区分 のiii)に 当 た る ア ル バ イ トは数 カ所 に存 在 す るが,こ れ は包 有 物 と見 な せ な い。 ま た高 越 エ ク ロジ ャ イ トの う ち,こ こ で 議論 し て い る 藍 閃 石 エ ク ロ ジ ャ イ トに は パ ラ ゴ ナ イ ト(Na雲 母)も 存 在 し な い(Matsumoto et aZ., 2003, 365)。 こ う な る と,消 費 さ れ た ナ ト リ ウ ム 鉱 物 の 候 補 は 単 斜 輝 石 し か な い 。 そ こ で,単 斜 輝 石 包 有 物 の 分 析 結 果(図4)を 見 て み る と, ガ ー ネ ッ トの コ ア か ら リ ム に 向 か っ てNa-Fe3+相 で あ る ア ク マ イ ト成 分 が 減 少 し,Na-Al相 で あ る ひ す い 輝 石 成 分 が 増 加 し て い る 。 こ の よ う な 組 成 変 化 は,単 斜 輝 石 の ア ク マ イ ト成 分 が 消 費 さ れ た 事 を 示 唆 す る 。 こ の 観 点 か らTHERMOCALC

(Holland and Powell, 1998)を 用 い て 藍 閃 石 形 成 反 応 を 絞 り込 ん で い っ た 結 果,次 の 反 応 に た ど り 着 い た 。 4ア ク マ イ ト+2チ ェ ル マ ク 閃 石+2石 英+H、0 →2藍 閃 石+2緑 簾 石+赤 鉄 鉱 …(反 応A) こ の 反 応 の 右 辺 に 出 る 赤 鉄 鉱 は,高 越 藍 閃 石 エ ク 図4  高 越 藍 閃 石 エ ク ロ ジ ャ イ トの ガ ー ネ ッ ト 中 単 斜 輝 石 包 有 物 の 組 成 変 化(左 図).単 斜 輝 石 包 有 物 と 近 接 す る ガ ー ネ ッ ト の マ グ ネ シ ウ ム 含 有 量 を 横 軸 に 取 っ て い る.ホ ス ト ガ ー ネ ッ トの マ グ ネ シ ウ ム 含 有 量 が コ ア か ら リ ム へ 単 調 増 加 す る(右 図)事 か ら,コ ア → リ ム の 組 成 変 化 を 読 み と る 事 が で き る.両 図 と もAoya et aZ. (2003)か ら抜 粋 ・改 訂.

Fig. 4 Compositional change of clinopyroxene inclusions within garnet from Kotsu glaucophane eclogite (left figure) . The horizontal axis is taken to represent the Mg content of garnet adjacent to clinopyroxene inclusions. In this way the compositional change from the core to the rim can be recognized because the Mg content of the host garnet monotonously increases from the core to the rim (right figure) . Both figures are modified from Aoya et al. (2003) .

ロ ジ ャ イ ト中 に普 遍 的 に存 在 す る(Matsumoto et aZ., 2003, 370)。 反 応(A)の 妥 当性 はマ トリ クス の 微 細 組 織 か ら も確 認 で きる。 例 え ば,角 閃 石 に関 して 反 応(A) は チ ェ ル マ ク閃 石 と藍 閃石 の置 換 反応 で あ る。 そ して実 際 藍 閃石 は緑 の 角 閃 石 の外 側 に 累 進 成 長 す る の で は な く,緑 の 角 閃 石 を置 き換 え た 産状 を 示 して い る(口 絵1-写 真7)。 一 方,単 斜 輝 石 に関 して言 え ば,反 応(A)は ア クマ イ トの 消 費 反 応 で あ る。 図4に 示 さ れ た単 斜 輝 石 の組 成 変化 は,反 応(A)に よ るア クマ イ ト成 分 の消 費 と,こ れ に伴 うひ す い 輝石 成 分 の 相 対 的 な増 加 を支持 す る。 ま た 藍 閃 石 に包 有 さ れ た 単 斜 輝 石(口 絵1-写 真7) が,38%と い う,他 の単 斜 輝 石(図4)よ り も高 い ひ す い 輝 石 成 分 を示 す 事 も,藍 閃石 形 成 の 際 に ア ク マ イ ト成 分 が 消 費 され た事 を支 持 して い る。 さて,反 応(A)はP-T図 上 で 大 きな正 の 傾 き (dP/dT)7.1[kbar/100℃])を 持 ち(図5),か つ藍 閃 石 は低 温 側 に位 置 す る 。 よっ て,温 度 上 昇 を伴 い なが ら,こ の 反 応 曲線 を藍 閃石 安 定 側 に 向 か っ て 横 切 る に は,P-T経 路 は 非 常 に 険 し い 沈 み 込 みP-T経 路 で な く て は な ら な い(図5)。 つ ま り, 高 越 エ ク ロ ジ ャ イ トは 反 応(A)よ り も さ ら に 険 し い 傾 き を 持 つ よ う な 沈 み 込 みP-T経 路 を 辿 っ た 事 に な る 。 IV.  熱 モ デ ル に よ る 三 波 川 沈 み 込 み P-T経 路 の 意 味 付 け P-T経 路 の 導 出 は,岩 石 学 の 目指 す 一 つ の 到 達 点 で あ る 。 し か し,そ こ に テ ク トニ ッ ク な 解 釈 を 与 え る な り,他 の 研 究 の 前 提 条 件 と し て 利 用 す る な り(例:放 射 年 代 へ の 意 味 付 け)し な い 限 り, P-T経 路 は た だ の 一 筆 書 き に 過 ぎ な い 。 例 え ば, P-T経 路 に テ ク トニ ッ ク な 意 味 付 け を す る に は, 熱 流 方 程 式 を 用 い た モ デ ル 計 算 に よ っ て,実 際 の P-T経 路 を 再 現 し て い く 必 要 が あ る(例 え ば, Spear,1993,25-72)。 以 下,Aoya et aZ. (2003) に よ っ て 行 わ れ た 熱 モ デ ル 計 算 を 紹 介 す る 。

1) 三 波 川 沈 み 込 みP-T経 路 と 過 去 の 熱 モ デ ル の 比 較

こ れ ま で の 研 究 で 得 ら れ て い る 三 波 川 帯 の 沈 み 込 みP-T経 路(Enami et aZ., 1994; Enami, 1998; Inui and Toriumi, 2002; Aoya et aZ., 2003)をP-T図 上 に 示 す と 図5の よ う に な る 。 図 か ら わ か る よ う に,三 波 川 帯 の 沈 み 込 みP-T経 路 は ど れ も 原 点 か ら の 直 線 に 乗 ら ず,全 体 と し て 下 に 凸,つ ま り高 温 ・低 圧 側 に 大 き く湾 曲 し た 曲 線 を 描 き 出 し て い る 。 こ の よ う な 沈 み 込 みP-T経 路 の 分 布 は,既 存 の 熱 モ デ ル 計 算 で は,若 い 海 洋 地 殻(0-5Ma)が 定 常 的 に 沈 み 込 む 場 合 の 平 衡 状 態 の 結 果 に 近 い(例 え ば,Peacock et aZ., 1994:図 6)。 若 い 海 洋 地 殻 が 沈 み 込 む 状 況 は,海 嶺 が 海 溝 の す ぐ近 く に あ る 状 況,つ ま り,海 嶺 沈 み 込 み の 直 前 期 を 示 唆 す る 。 し か も,こ れ が 定 常 的 に 起 こ っ て い る と い う状 況 は,海 嶺 が 非 常 に ゆ っ く り と 海 溝 に 向 か っ て 近 づ く場 合 の 最 終 期 に 近 似 で き る で あ ろ う 。 と こ ろ が,図6が 示 す 通 り,こ の 定 常 モ デ ル か ら 予 測 さ れ るP-T経 路 の 湾 曲 は,三 波 川p-T経 路 群 に フ ィ ッ トす る ほ ど に は 強 く な い 。 特 に,エ ク ロ ジ ャ イ ト相 相 当 の 高 圧 部 で は 明 ら か に 傾 き(dP/dT)が 足 り な い 。 こ の 理 由 は 結 局, 図5  三 波 川 変 成 岩 類 の 沈 み 込 みP-T経 路. 変 成 相 区 分 はPeacock(1993)に 基 づ く.

Fig. 5 Compilation of subduction-stage P-T paths of the Sambagawa metamorphic rocks. Metamorphic - facies boundaries are taken from Peacock (1993) .

Peacock et aZ. (1994)の モ デ ル が 定 常 モ デ ル で あ る事 に よる。 そ もそ も,若 い 海 洋 地 殻 が沈 み 込 む 場 合 に,な ぜ 沈 み 込 み 境 界 の温 度 構 造 が 湾 曲 す るの か 。 これ は,若 い 海 洋 地 殻 そ の ものが 大 き く湾 曲 した 地 温 勾 配 を 持 っ て い る か ら で あ る(Turcotte and Schubert, 1982, 163-167:図7a)。 沈 み 込 み に転 じた 後 も下 盤 側 は こ の性 質 を保 持 し,そ の 影 響 で 沈 み 込 み境 界 の 温 度 構 造 もあ る程 度 湾 曲 す る。 で は,こ の湾 曲 を さ ら に大 き くす る に は ど うす れ ば い い か 。 そ れ に は,定 常 的 な沈 み 込 み で な く,沈 み 込 む ス ラブ が 順 次 若 返 っ て い く よ うな,よ り現 実 的 な海 嶺 接 近 現 象 を考 え れ ば 良 い はず で あ る。 この 推 論 の 根 拠 を端 的 に示 した の が 図7(b)で あ る。 海 嶺 が 海 溝 に接 近 してい く状 況 で は,あ る 時 点 に沈 み 込 み始 め る海 洋 地 殻 の年 齢 は常 に,そ の 前 に沈 み 込 ん だ もの よ り も若 い。 つ ま り,あ る 時 間 の 沈 み 込 み境 界 の 断 面 を見 る と,浅 い 部分 ほ ど,

(a)

(b)

図6  若 い 海 洋 地 殻(ス ラ ブ)が 定 常 的 に 沈 み 込 む 場 合 の モ デ ルP-T経 路(Peacock, et aZ., 1994)と 三 波 川 沈 み 込 みP-T経 路(影 矢 印) の 比 較.

Fig. 6 Comparison between the Sambagawa subduction - stage P - T paths (shaded arrows) and model P-T paths which generate during steady-state subduction of young slab.

図7  沈 み 込 みP-T経 路 の 湾 曲 を 引 き 起 こ す 二 つ の 要 因.

(a) 半 無 限 平 板 冷 却 モ デ ル(Turcotte and Schubert, 1982)に 基 づ い て 計 算 さ れ る 海 洋 地 殻 の 地 温 勾 配.

(b) 海 嶺 接 近 モ デ ル に お け る 沈 み 込 む ス ラ ブ の 若 返 り を 示 し た 概 念 図(上 図).比 較 の た め,定 常 モ デ ル の 場 合 も示 し た(下 図).

Fig. 7 Two factors that can cause curvature of subduction-stage P-T paths.

(a) Geotherms of oceanic lithosphere calculated by the half-space diffusion model (Turcotte and Schubert, 1982) .

(b) Schematic illustration showing progressive younging of the subducting slab in the ridge-approaching model (upper figure) . An exam-ple of the steady-state model is also presented for comparison (lower figure) .

(a) 計 算 の 枠 組 み (b) 計 算 結 果 の 例 若 い(温 か い)ス ラ ブ と して沈 み 込 み 始 め て い る 事 に な る(図7b)。 定 常 モ デ ル に は な か っ た こ の 効 果 に よ り,浅 い 部 分 ほ ど効 果 的 に熱 が 保 持 さ れ, 結 果 と して定 常 モ デ ル よ り大 き く湾 曲 した温 度 構 造 が 形 成 す る で あ ろ う。 三波 川 変 成 岩 の 沈 み 込 み P-T経 路 を再 現 す る に は,海 嶺 の接 近,つ ま り,沈 み 込 むス ラ ブ の 累進 的 な 若 返 りを組 み 込 ん だ モ デ ル を試 して み る価 値 が あ る と言 え る。 2) 海 嶺 接 近 モ デ ル 沈 み 込 むス ラ ブ の 累 進 的 な 若 返 りを組 み 込 ん だ 熱 モ デ ル は,実 はIwamori (2000)に よ っ て既 に 行 わ れ て い た。 しか し,こ の モ デ ル は 「沈 み 込 み 速 度 」 と 「海嶺 の接 近 速 度」 を混 同 して い た た め, 実 際 に地 球 上 で起 こっ て い る 現 象 との 対 比 が 困難 で あ っ た。 海 嶺 の接 近,ま た は 海嶺 沈 み 込 み とい う の は,一 言 で 言 え ば 「沈 み 込 み 速 度 」 よ り も 「海 嶺 の 開裂 速 度 」が小 さい事 に よっ て起 こ る現 象 で あ る(定 常 モ デ ル で は両 者 の値 が 等 しい)。 そ し て,海 嶺 の接 近 速 度 は この 両 者 の差 に 当 た る。 し たが っ て,海 嶺 の接 近 速 度 を導 入 せ ず に海 嶺 沈 み 込 み を論 じる事 に は大 きな無 理 が あ る。逆 に,海 嶺 の接 近 速 度(u)を 導 入 す る事 で,海 嶺 が 沈 み 込 み 速 度(v)に 対 して ゆ っ く り近 づ く状 況,あ るい は急 速 に 近 づ く状 況 な どを明 確 に 区 別 で き る。 ま た,現 在 チ リ南 部 で 起 こ っ て い る 海 嶺 沈 み 込 み (Cande and Leslie, 1986; Forsythe et aZ., 1986)はu/v=0.6程 度,と い う よ うに 天然 の 現 象 との対 比 も可 能 に な る。 さ て,実 際 の 計算 で は まず初 期 ス ラブ年 齢a(0) (10-30 Ma)を 仮 定 し,こ の 年 齢 の ま ま速 度vで 熱 的 な平 衡 状 態 付 近 ま で沈 み 込 み を継 続 した 後, 時 間taか ら速 度Uで 海 嶺 を海 溝 に 近 づ け て い く (図8a)。ta以 降 も沈 み 込 み 速 度 はvだ が,海 嶺 の 開裂 速 度 はv-uに な る。 計 算 は海 嶺 が 海 溝 に到 達 図8  (a)海 嶺 接 近 モ デ ル に お け る ス ラ ブ 年 齢 の 若 返 り 開 始 以 降 の 計 算 の 枠 組 み. (b)  計 算 結 果 の 一 例(Aoya et aZ., 2003). 三 波 川 変 成 岩 の 沈 み 込 みP-T経 路 は 影 矢 印 で 示 さ れ て い る.

Fig. 8 (a) Framework of calculations incorporating the oceanic-ridge approaching to the trench after initiation of younging of subducting slab.

(b) An example of the calculation result (Aoya et al., 2003) . The Sambagawa subduction-stage P-T paths are shown by shaded arrows.

す る まで の 期 間 を扱 う。 こ の計 算 期 間 中,沈 み 込 む ス ラ ブ年 齢 を どの よ うに若 返 らせ れ ばい い の か, す な わ ち,時 間tに 沈 み 込 ませ る ス ラブ の 年 齢a (t)の 計算 式 を知 る 必 要 が あ る。 詳 細 は省 くが,い わ ゆ る 旅 人 算 に類 す る計 算 を行 っ た 結 果,次 の 式 が 導 か れ た。 a(t)=a(0) (t＞t＞0) a(t)=a(0)-[u/(v-u)](t-tc) (t＞tc)

た だ しtc=ta+a(0)で あ る(ta以 後 も 時 間a(0) の 問 は 沈 み 込 む ス ラ ブ が 若 返 ら な い 事 に 注 意)。 沈 み 込 み 帯 二 次 元 熱 モ デ ル の 境 界 条 件 と し て 上 の 式 を 用 い る 事 で,海 嶺 接 近 現 象 の 熱 的 影 響 を 吟 味 で き る 。Aoya et aZ.(2003)の モ デ ル で は こ の 式 を 採 用 し て い る(図8a)。 マ ン トル 対 流 は 組 み 込 ま れ て い な い 。 3) 計 算 結 果 図8(b)に 計 算 結 果 の 一 例 を 示 す 。 ゆ っ く り と し た 海 嶺 の 接 近 を 模 倣 す る た め,u/v(0か ら1の 問 の 値 を と り得 る)は0.2と 小 さ く し て あ る 。 細 い 実 線 は 沈 み 込 み 境 界,つ ま り,変 成 岩 が 通 過 す る 領 域 の 温 度 構 造 を 示 す 。 例 え ば,平 衡 状 態(図8b で は30m.y.前 後)で は 温 度 構 造 が ほ と ん ど 時 間 変 化 し な い の で,沈 み 込 む 変 成 岩 が 辿 るP-T経 路 は こ の 温 度 構 造 と 一 致 す る 。 図 か ら 明 ら か な よ う に, 平 衡 状 態 で は 沈 み 込 み 境 界 のP-T条 件 は 非 常 に 冷 た く,三 波 川 変 成 岩 の 経 験 したP-T条 件 と相 容 れ な い 。 一 方,そ の 後,沈 み 込 む ス ラ ブ が 若 返 っ て い くの に し た が っ て(図8bの30-70m.γ)沈 み 込 み 境 界 の 温 度 構 造 は 高 温 側 に 膨 ら ん で い く 。 こ の ス テ ー ジ の モ デ ルP-T経 路 は,あ る 時 間 に 沈 み 込 み 始 め た 変 成 岩 が,そ の 後 ど の 深 さ に 達 し て い る か を 沈 み 込 み 速 度vか ら計 算 し,対 応 す る 時 間 ・ 深 さ の プ ロ ッ ト を 繋 い で い く事 で 求 め ら れ る 。 こ の よ う に して 得 ら れ た モ デ ルP-T経 路 は 太 い 実 線 の 矢 印 で 示 し た(図8b)。 図 か ら わ か る よ う に,海 嶺 が 海 溝 に 到 達 す る 直 前,数m.y.程 度 の 期 間 に 沈 み 込 み 始 め た ス ラ ブ の モ デ ルP-T経 路 は,そ の 傾 き も 含 め て,三 波 川 沈 み 込 みP-T経 路 群 と 良 く一 致 し て い る 。 つ ま り,三 波 川 変 成 岩 類 の 沈 み 込 み は ゆ っ く り と し た 海 嶺 沈 み 込 み の 直 前 期 に 起 こ っ た も の と解 釈 で き る 事 に な る 。 こ の よ う に,岩 石 学 的 に 得 ら れ たP-T経 路 を熱 モ デ ル 計 算 に よ っ て 再 現 し て い く事 で,P-T経 路 は そ の テ ク ト ニ ッ ク な 意 味 合 い を獲 得 す る 事 に な る 。 V.  ま と め と展 望 1) 高 圧 変 成 岩 上 昇 機 構 へ の ヒ ン ト と 課 題 こ こ ま で の 議 論 に よ り,三 波 川 変 成 岩 類 は 平 衡 状 態 の 時 期 で は な く,海 嶺 沈 み 込 み の 直 前 期 に 沈 み 込 ん だ 事 が わ か っ た 。 実 際,三 波 川 帯 の 形 成 ∼ 上 昇 期 に あ た る 白 亜 紀 後 期(例 え ば,Itaya and Takasugi, 1988; Takasu and Dallmeyer, 1992) に は,沈 み 込 む プ レ ー トが イ ザ ナ ギ プ レ ー トか ら 太 平 洋 プ レ ー ト に 変 化 し た と さ れ て い る (Engebretson et aZ., 1985; Maruyama et aZ., 1997)。 で は,一 般 論 と し て は ど う な の だ ろ う か 。 そ こ で,世 界 の 高 圧 変 成 帯 で 得 ら れ て い るP-T条 件(Hacker, 1996; Okay, 2002)と 熱 モ デ ル 計 算 に よ る 平 衡 状 態 のP-T条 件(Peacock et aZ., 1994; Iwamori, 2000)を 比 較 し て み る(図9)。 図 が 示 す よ う に,フ ラ ン シ ス カ ン や トル コ の 藍 閃 片 岩(Ernst, 1993; Okay, 2002な ど)と い っ た 一 部 の 例 外 を 除 き,世 界 の 高 圧 型 変 成 岩 の 変 成P-T 条 件 は 熱 モ デ ル に お け る 平 衡 状 態 の そ れ よ り も か な り高 温 側 に 隔 た っ て い る(沈 み 込 み 境 界 に お け る 大 き な 勇 断 熱 の 発 生 を 組 み 込 ん だ モ デ ル を 除 く)。 こ の 事 は,平 衡 状 態 の 冷 た い 沈 み 込 み 帯 か ら は 高 圧 変 成 帯 が 上 昇 し に く い 事 を 示 唆 す る 。 三 波 川 帯 の 研 究 例 も 併 せ る と,高 圧 変 成 帯 を 上 昇 さ せ る に は,な ん ら か の 理 由 に よ る 広 域 的 な 加 熱 が 必 要 で あ る と 予 想 さ れ る 。 海 嶺 沈 み 込 み は そ う い っ た 加 熱 現 象 の 一例 で あ ろ う 。 広 域 的 な 加 熱 ・ 温 度 上 昇 に よ り,岩 石 の 粘 性 は 著 し く低 下 し,変 成 帯 全 体 は 流 動 化 す る 。 こ う い っ た 流 動 性 の 増 加 が,例 え ば 浮 力 を 駆 動 力 と し た 高 圧 変 成 岩 上 昇 の 引 き金 と な っ て い る の か も しれ な い(Aoya et aZ., 2003)。 一 方,平 衡 状 態 に 近 い 沈 み 込 み 帯 で は 高 圧 変 成 岩 は 上 昇 に 転 じ る 事 な く,下 部 マ ン トル に ま で 運 び 込 ま れ て い く事 が 予 想 さ れ る 。 こ の よ う な 冷 た い 沈 み 込 み 帯 を 代 表 す る 岩 石(例:ロ ー ソ

ン石 エ ク ロ ジ ャ イ ト)は,例 え ば 火 山 弧 に お け る 捕 獲 岩 と して の 産 出 が 知 ら れ て い る(Usui et az., 2003な ど)。 こ こ ま で に 述 べ た 通 り,三 波 川 帯 の 上 昇 に 海 嶺 沈 み 込 み が 密 接 に 関 係 して い た 可 能 性 が 高 ま っ た 。 一 方_{,領 家 帯 の 形 成 に つ い て も,海 嶺 沈 み 込 み を} 熱 源 と す る 考 え は 既 に 提 案 さ れ て い る(例 え ば, Kinoshita and Ito, 1986; Iwamori, 2000)。 と こ ろ が,こ こ で の 問 題 は,領 家 帯 が 三 波 川 帯 よ り も大 陸 側 に 位 置 す る 事 で あ る(図1)。 つ ま り,沈 み 込 む 海 嶺 に よ っ て 領 家 帯 を 温 め る 頃 に は,三 波 川 帯 は な ん ら か の 形 で 低 温 領 域 に 避 難 し て い な い と い け な い 。 で な い と,高 圧 型 の 温 度 ・圧 力 条 件 を 保 存 で き な い 事 に な る 。 こ の 三 波 川 帯 の 上 昇 ・ 避難 経 路 問 題 の 解 決 の た め に は,よ り大 き な 視 点, つ ま り対 の 変 成 帯(Miyashiro, 1973)の 視 点 か ら 領 家 帯 と 三 波 川 帯 を 包 括 的 に 見 直 す 必 要 が あ る だ ろ う。 ま た,一 般 に沈 み 込 む 海 嶺 は海 溝,ひ い て は変 成 帯 の伸 張 方 向 に対 して 斜 交 して い る は ず で あ る。 つ ま り,海 嶺 沈 み 込 み は三 次 元 的 な空 間 認 識 を必 要 とす る現 象 だ と言 え る。 そ の意 味 で,三 波 川 帯 や領 家 帯 に お け る東 西 変 化 の認 識 も重 要 な 課 題 とな るだ ろ う。 い ず れ にせ よ,三 波 川帯 ・領 家 帯 の 形 成 と上 昇 に関 す る研 究 は,記 載 的段 階 を 一 歩 凌 駕 し ,よ り具 体 的 な解 決 の 方 向性 を見 い だ しつ つ あ る。 三 波 川 帯 ・領 家 帯 は典 型 的 な海 洋 沈 み 込 み 型 の 変 成 帯 で あ り,比 較 的 単 純 な形 成 史 を 持 つ と考 え られ る。 少 な くと も複 変 成 を考 え る必 要 は な い だ ろ う。 よ っ て,こ こで の研 究 成 果 は, 高 圧 変 成 岩 上 昇 機構 や 対 の 変 成 帯 形 成 機構 を 目指 した研 究 に お い て,一 つ の 世 界 標 準 とな る可 能 性 を秘 め て い る。 2) 変 成 岩 岩 石 学 の 新 た な 展 望:包 括 的 岩 石 学 へ 本 総 説 で は,変 成 岩 岩 石 学 に構 造 地 質 学 を融 合 す る事 で,岩 石 形 成 史 に関 す る よ り精 密 な 議 論 が 可 能 に な る事 を示 して きた。 ま た,岩 石 学 的 に導 か れ るP-T経 路 が,熱 モ デ ル計 算 を介 して テ ク ト ニ ク ス を論 じ る上 で の 重 要 な制 約 条件 とな る事 も 示 され た 。 さ ら に,テ ク トニ ク ス の速 度情 報 を得 る の に は 年 代 学 が 不 可 欠 で あ る が,放 射 年代 に有 意 な解 釈 を与 え る た め に は,や は り岩石 の 辿 っ た P-T経 路 の情 報 が 必 要 とな る。 つ ま り,岩 石 学 は もは や 閉 塞 した学 問 で は あ りえ ない 。 特 に,変 成 岩研 究 で は岩 石 学,構 造 地 質 学,年 代 学,モ デ ル 計算 な ど様 々 な手 法 を融 合 ・フ ィー ドバ ッ ク して こそ,よ り有 意 義 な成 果 を得 られ る事 が 明 白で あ る 。 近 年 の 三 波 川 研 究 で は こ うい っ た 岩 石 学 の 手 法 的 学 際 化 が 進 む の に伴 い,研 究 成 果 の 方 も学 際 的 な 意 味合 い を 強 め て い る。

例 え ば,Enami et aZ. (2004), Mizukami et aZ. (2004)ら に よ る岩 石 学 ・構 造 地 質 学 の融 合 研 究 は,四 国 三 波 川 帯 の 東 赤 石 カ ン ラ ン 岩 体 が ウ ェ ッ ジマ ン トル起 源 で あ る事 を示 した。 さ らに, 東 赤 石 岩 体 が 沈 み 込 み 時 に獲 得 した カ ン ラ ン石 格 子 定 向 配 列 が,過 去 の変 形 実 験 で そ の 存 在 が 示 唆 され て い た含 水 タイ プ(Jung and Karato, 2001) で あ る事 も明 らか に な っ た 。 地 球 規 模 の マ ン トル

図9  世 界 の 高 圧 変 成 帯 に お け るP-T条 件 (Hacker, 1996; Okay, 2002)と 沈 み 込 み 帯 熱 モ デ ル に お け る 平 衡 状 態 のP-T条 件 (Peacock et aZ., 1994; Iwamori, 2000)の 比 較.

Fig. 9 Comparison between petrologically de-rived P - T conditions for high - P/T metamorphic belts worldwide (Hacker, 1996 ; Okay, 2002) and modeled equili-brated thermal conditions along subduc-tion boundaries (Peacock et al., 1994 ; Iwamori, 2000) .

流 動 を 地 震 波 観 測 か ら認 識 しよ う とす る 試 み は地 球 物 理 学 の 分 野 で 盛 ん に 行 わ れ て い るが,こ う い っ た研 究 で は マ ン トル の大 部 分 を 占 め る カ ン ラ ン石 が,マ ン トル の 流 動 方 向 に対 して どの よ う な 格 子 定 向 配 列 を 獲 得 す る の か が 鍵 で あ っ た。 Mizukami et al.(2004)の 三 波 川 帯 に お け る 発 見 は,現 地 球 上 で の 地 震 波 観 測 の解 釈 に大 きな 影 響 を及 ぼ す と共 に,沈 み 込 み 方 向 に平 行 な マ ン ト ル 流 動 の存 在 を支 持 した。 こ れ に よ り,沈 み 込 み 帯 の 二 次 元 熱 モ デ ル にマ ン トル対 流 を組 み 込 む事 が 初 め て 明 確 に正 当 化 され た と も言 え る。 この 研 究 例 も示 す 通 り,近 年,岩 石 学 は他 手 法 を取 り込 ん だ 「包 括 化 」 に よ って 地 球 科 学 諸 分 野 との 強 い リ ンク を獲 得 し,同 時 にそ の 中 で の 岩石 学 の 重 要 性 も明確 に な りつ つ あ る。 こ れか らの 変 成 岩 岩 石 学 は こ の新 しい 流 れ を踏 ま え,積 極 的 に 手 法 の 融 合 を押 し進 め なが ら,さ ら に信 頼 性 の 高 い 観 測 情 報 を地 球 科 学 の 多 分 野 に提 供 して い くべ きだ ろ う。 謝 辞 本 総説 で紹介 したい くつかの研究 の過程 で多 くの方 々 のお世話 になった。Simon Wallis氏 には,研 究全般 に 関 して終 始有益 な議論 をいただいたのに加 え,多 手法 を 組 み合 わせ た研究 を行 うのに必要 なチャ レンジ精神 を後 押 しして頂 いた。 また,榎 並正樹氏 にはそういった研究 に欠かせ ない自由な研究環境 を与 えて頂 いた。上原真一 氏 には熱 モデル計算 のプログラ ミングを担 当して頂 くと 同時に,モ デ ルを構 築す る上 での有益 な助言 も頂いた。 松本 昌俊氏 には鉱物化学組成分析で協力頂 いたの と同時 に,包 有物分析 に関す るご議論 を頂 いた。 また水上知行 氏 には本総説 の粗稿 の文章 をチェ ックしていただいた。 以上 の皆様 に厚 く御礼 申 し上げ ます。 文 献

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