新型火成活動「前弧アルカリマグマ」の成因と古地理の解明
New kind of volcanic activity “forearc alkaline magma” and tectonic implications（日本地質学会推薦）

代表研究者 東北大学

平野直人

Tohoku University

NaotoHIRANO

協同研究者

Alkaline magma, having high Na and K contents, found on the Earth generally erupts at oceanic islands,
continental volcanoes, and petit-spot submarine volcanoes. On the Japanese mainland, such magmas are found only at afew volcanoes along the coast of the Japan Sea because most Japanese volcanoes occur because of the subduction of
tectonic plates into the deep mantle. This subduction generally creates “volcanic arc” magmas having low Na and Kcontents. However, the Late Cretaceous alkaline magma is distributed around the Nemuro area, toward northeasternmost of Japanese mainland, where the Pacific tectonic plate sinks into the deep mantle at oceanic trench (Kuril Deep).
The presence of volcanoes at such cold places as those near the trench, termed the “forearc” area, is unlikely. Theforearc alkaline magmas, however, erupted on a submarine sedimentary basin in the Late Cretaceous Nemuro Group(strata). This study investigates the origin of alkaline magmas via chemical analysis and paleo-geographicmeasurements.
Alkaline magmas of the Nemuro group are characterized by their high K content and are subdivided into twotypes, such as evolved and primordial magmas, based on their geological occurrences and chemical compositions. The
evolved lavas clearly erupted into the submarine Nemuro basin. As the evolved lavas entrained sediments into theirflows, eruptive ages are defined as the sedimentary age, corresponding to the radiometric age of Nemuro magmas.
Although such high K magmas from the Nemuro area have been previously reported, this study discovers the eruptionof other magmas in the Nemuro area. This study defines a peculiar setting for the paleo-oceanic plate subduction prior to
the subduction of the present Pacific Plate below paleo-Hokkaido during Late Cretaceous based on the geological andgeochemical characteristics of a few types of alkaline magmas of the Nemuro group.

研究目的
オホーツク海と太平洋に面した北海道東部地域は、と呼ばれるが、沈み込んだプレートがまだ冷たく浅いため、マグマが発生し得ない（図の太点線より南）。

ユーラシア大陸を起源とする他の日本列島とは異な

根室地域や歯舞群島は当時から前弧域であったがり、約 1 億年前に北方または東方からプレート運動（君波, 1978; Naruse, 2003）、このような前弧マグマにより移動してきたといわれているが（Maeda, 1990;活動は世界を見ても極めて珍しい。この成因解明に

Bazhenov & Burtman, 1994）、未だ特定されていない

は、岩石を用いたマグマ発生条件と、道東の古地理日本列島唯一の地球科学未開の地と言える。約 7000

復元が鍵となる。古地理から当時沈み込んでいたプ～6000 万年前、ここにマグマ活動があった。

レート配置を復元し、そこにマグマ発生条件を当て

現在、千島海溝から太平洋プレートが沈み込み、はめる。マグマに起因する岩石の産状、化学組成、約 200 km 離れて海溝とほぼ平行に千島弧の火山弧年代、古地磁気測定から、本マグマの成因と噴出場（知床や国後島：図の黒三角）がある。それより海を解明する。

溝寄りの南側（太平洋側）は火山弧に対して「前弧」

本地域の対象の岩石は、アルカリ玄武岩という種類の岩石である。玄武岩は、地球内部地下 10～100kmた。また、5 月には、研究ターゲットを提案するた以深の「マントル」が溶融して発生したマグマが冷め、日本地球科学連合（JpGU）と米国地球物理学連え固まった岩石である。玄武岩の化学組成は、マグ合（AGU）の共催大会（JpGU-AGU Joint Meeting 2017）

マ発生深度や地下深部の岩石の溶融程度、およびマで催された国際セッション「 Living on the edge!

ントル中の岩石の種類によって異なる。アルカリ玄

Geodynamics, tectonics and paleogeography of East Asia

武岩マグマが発生するためには、特殊な条件が必要

during Phanerozoic」において招待講演を行った。まで、現在はフレンチポリネシアなど海洋島、大陸のた、途中経過をシアトルで行われた米国地質学会

東アフリカ地溝帯、三陸沖日本海溝の深海底で発見（GSA）で発表し、北海道東部の特異性を広く認知された沈み込むプレート上のプチスポット海底火山させた。送金後の 11 月から本プロジェクトが本格始（Hirano et al., 2006）に代表的で、火山弧である日本動し、マグマの形成場を探るための岩石の微量元素は、礼文島など日本海側の「背弧」にごく稀にある濃度測定を東京大学において、鉱物のラマン分光分のみである。根室地域は沈み込んだプレートが浅く析を北海道大学において、それぞれ行った。そのた冷たい前弧（下図）に位置し、世界中のどのアルカめの粉末試料や薄片試料を作成するための岩石の加リマグマの成因にも当てはまらない。

工処理を進めた。

また、本研究地域は日本の陸上地質の中で唯一そ本プロジェクト 2 年目は、日本地球惑星科学連合の成因が未解明の場所と位置づけられる。岩石や地2018 年大会における国際セッションでの発表と、岩質の記載のみ行われていた 80 年代以前の研究群以石の年代測定を東京大学および京都大学において行降、このマグマ成因に関しては不明のまま放置されうことから始めた。10 月には北海道東部地域へ野外てきた。本研究により、この根室層群中のアルカリ巡検を進めた。この際には、根室地域の巡検に加え、玄武岩マグマの成因を解明し、新種の火山を位置づ

本研究対象の地層の基部に分布する常呂帯の調査もける。

行った。岩石中に含まれる磁力鉱物は、マグマが冷却した当時の地球の磁場方位を残しているため、本調査では、古地磁気から推定する古地理を解明するため、定方位での岩石試料採取を行った。さらに 11
月には、世界の深海底の火山研究における研究者が集まり、先端的な研究成果を報告する国際シンポジ
ウ ム 「 Submarine Volcanoes: Windows into Earth's
Dynamic Interior」が国立科学博物館において行われ、招待講演者として参加した。全世界にの深海底に広がる中央海嶺や点在するホットスポット火山、日本列島など環太平洋に代表される火山弧の火山、地球史で大量絶滅を引き起こした超巨大火成活動、そして筆者が講演した、プチスポット火山をはじめとす研究経過

るアルカリマグマ活動と、地球の様々な型の火山の本助成前の初年度前半に根室市・浜中町・厚岸町・研究者が集められた。それぞれの噴火過程やプレー釧路町・標茶町において現地調査を行った。マグマ

トテクトニクス上の位置づけ、全地球の物質循環の貫入岩および海底噴出岩の形態調査や周辺地層との役割など、各最新研究が集められた有意義なシンポ相互関係によるマグマ活動の年代決定を行い、化学ジウムとなった。

分析用岩石試料の採取を行った。現地では、各地のこれまでの地球化学や地質学のデータを解析し、マグマ貫入岩と周囲の地層との相対的な年代を決定米国地球物理学連合での発表を行った。年度末には、することができ、予定される Ar-Ar 放射年代決定や東京大学および千葉工業大学から研究者を招き、本U-Pb 放射年代決定の補足データとなった。また、そ研究についての議論を行った。本研究による 2019の後の化学分析結果による化学組成バリエーション

年 4 月末現在の学術論文成果は、Geological Magazineに時間変化を入れて議論する準備を行うこととなっから受理され印刷中のものをはじめとした学術論文

が 4 件が公表されたほか、投稿準備中のものが 2 件

者は地層を介さず平行貫入している一方、後者は周あり、準備を進めている。

囲の地層が固まっていない時点で堆積物を変形させ、巻き込みながら貫入・噴出していることから、これ考察ら両者はほぼ同時に活動した可能性が高い。このこ

北海道東部の地質は、そのほか全ての日本列島ととは、放射性元素を用いた岩石の噴出年代測定デーは一線を画し、優黒色の砕屑岩の地質に卓越する。

タからも指示される。更に、マグマが貫入する最下

このことは、ユーラシア大陸縁部で発達した大部分部の地層中には、これまで報告されていなかった種の日本列島と北海道東部の起源が異なる証拠とも言類のマグマ噴出岩が発見された。データは未公表でえる。本研究の玄武岩マグマが噴出している周囲のあるため、詳細は述べられないが、この岩石の化学優黒色の地層である「根室層群」は 7500 万年前から組成から沈み込むプレートの特殊な状況が示される4000 万年前にかけての地層群である（Naruse, 2003）。

ため、現在解析中の古地磁気データを総合させ、当周辺の地質のほとんどは、現在も活動を続けている時の北海道東部の特異な噴出場を定義する。

摩周火山の数 100～数 1000 年前の最近の噴出物に覆われているため、根室層群は、主に海岸沿いの数～参考文献

数十メートルの崖に沿って露出し、内陸の場合は沢1.

Bazhenov & Burtman (1994) Upper Cretaceous

沿いの削剥された場所や砕石場においてまれに見ら

paleomagnetic data from Shikotan Island, Kuril Arc:れる程度である。この特徴は歯舞群島にも続いていImplications for plate kinematics. Earth andる。佐々（1932）などによる戦前の色丹島の地質記

Planetary Science Letters 122, 19–28.

載も、根室半島の地質と同じ特徴を示すため、一連2.の地層が色丹島まで続いていることがうかがえる。
つまり、本研究のアルカリマグマ貫入岩は、色丹島、君波 (1978) 根室層群の層序の再検討. 地球科
学 32, 120–132.

3.

Hirano, Takahashi, Yamamoto, Abe, Ingle, Kaneoka,

歯舞群島、根室半島から釧路町にかけて東西約 200

Kimura, Hirata, Ishii, Ogawa, Machida, Suyehiro

km もの範囲で分布していることが判明した（平野ほ(2006) Volcanism in response to plate flexure.

か, 2016）。

Science 313, 1426–1428.

根室層群に貫入・噴出する火成岩類の多くは、ア4.

平野・油谷・山本 (2016) 歯舞群島と色丹島の地

ルカリマグマの中でも海洋島や日本列島には極めて質資料と岩石試料の重要性. 東北アジア研究 20,

まれであり、大陸の火山に多い K（カリウム）成分

61–74.

が高い特徴を持つ玄武岩であり、このようなアルカ

5.

Maeda (1990) Opening of the Kurd Basin deduced

リ玄武岩は、日本海溝沖の深海底で活動するプチス

from the magmatic history of Central Hokkaido,

ポット海底火山の溶岩の特徴と一致する。少なくとNorth Japan. Tectonophysics 174, 235–255.

も一部の噴火形態は、溶岩が根室層群の地層を巻き

6.

Naruse (2003) Cretaceous to Paleocene depositional

込んで流出している枕状溶岩の形態を持ち、深海底historyのマグマ流出が確認されていることからも共通性がreconstruction from the Nemuro Group, eastern

ある。しかし、K 以外の化学成分組成は、プチスポ

Hokkaido, northern Japan. Cretaceous Research 24,

ット火山のものや日本列島の背弧側で活動するもの、

55–71.

海洋島のもの、大陸のもの、いずれも共通の特徴を7.

示すものは無く、噴火当時のマントルが特異な場所

ofNorth-Pacificsubductionzone:

佐々 (1932) 南千島色丹島の地質に就いて. 地質學雑誌 39, 345–349.

であったことを示唆する。
マグマは、ある一定の時間を経た温度低下に沿っ研究の発表て、結晶を排出し、自身の化学組成が変化（分化）口頭発表する。本地域のマグマは、根室層群最下部（約 70001.

Yutani, Hirano (2017) Igneous activities of the万年前）に貫入するより未分化のものと、より上位

Paleo-Kuril forearc induced by Izanagi-Pacific ridge.の浜中層（約 6600 万年前）中に貫入または噴出する

JpGU-AGU Joint Meeting, MIS08-04. (May 25,

より分化したものに大別されることがわかった。前2017, Makuhari Messe, Chiba, Japan) ※招待講演

2.

3.

Hirano (2017) Accretionary records on Japanese

volcanic edifice in the Late Cretaceous Tokoro

archipelago, NW Pacific rim. GSA Annual Meeting,greenstone belt, NE-most of Japan. AGU Fall

115-6. (October 23, 2017,Meeting 2018, T31D-1883. (December 12, 2018,Washington State

Convention Center, Seattle, Washington, USA)

Washington Convention Center, Washington D.C.,

Sakai,USA)

Hirano,Machida(2018)

Tectonic

reconstructions and origin of Cretaceous greenstones,

4.

5.

紀海山・若い海山・プチスポット・緑色岩. 千葉

SMP34-P11. (May 20, 2018, Makuhari Messe,

大学テニュアトラック教員主催セミナー（2019Chiba, Japan)

年 3 月 8 日, 千葉大学理学部, 千葉市）

油谷・平野・町田・山本（2018）根室層群に貫入したアルカリマグマの分布と噴出場. 日本地誌上発表

質学会第 125 年学術大会, R15-O-2.（北海道大学,

1.

平野 (2017) プチスポット形成過程と沈み込む

札幌市. 2018 年 9 月 6 日）※北海道胆振東部地震

リソスフェアへのインプット. 地学雑誌, 126 (2),の影響で中止

195–206.

平野（2018）深海底へのサンプルリターン ―現2.

Machida, Kogiso, Hirano (2017) Petit-spot as

在と過去の太平洋深海底へ―. 伊達市噴火湾文

definitive evidence for partial melting in the化研究所・東北大学東北アジア研究センター第 9asthenosphere回学術連携交流講演会（だて歴史の杜カルチャ

Communications 8, 14302.
3.

causedbyCO2.

NatureSato, Hirano, Machida, Yamamoto, Nakanishi, Ishii,Hirano (2018) Submarine petit-spot volcanoes

Taki, Yasukawa, Kato.

induced by the plate flexure prior to subduction.

surface of asthenospheric magma in a region ofSubmarine

convex lithospheric flexure. International Geology

Volcanoes:

WindowsintoEarth'sNational Museum of Nature and Science. (November(2018) Direct ascent to the

Review 60 (10), 1231–1243.

Dynamic Interior, International Symposium at7.

平野（2019）太平洋プレートの組成進化～白亜

Tokoro Belt, NE-most of Japan. JpGU 2018,ーセンター, 伊達市. 2018 年 10 月 26 日）
6.

8.

4.

Sakai, Hirano, Dilek, Machida, Yasukawa, Kato

3, 2018, National Museum of Nature and Science,(2019) Tokoro Belt (NE Hokkaido): A large

Tokyo, Japan) ※招待講演

seamount in the Late Cretaceous accretionary prism

Sakai, Hirano, Dilek, Machida, Yasukawa, Katoof Japan. Geological Magazine. In press.

(2018) A broad distribution of accreted intraplate