富士火山の下でのマグマと H2O フルイドの間の超臨界現象
Supercritical Behaviors Between Fuji 1707 Magmas and H2O fluids
研究代表者

京都大学大学院理学研究科附属地球熱学研究施設

助手

川本 竜彦

Institute for Geothermal Sciences, Graduate School of Science, Kyoto University
Assistant Research Professor, Tatsuhiko Kawamoto
和文要旨
火山の下のマグマとフルイドに関する実験的研究を行ない，以下のことを解明した：（１）マグマとフルイドの区別がつかなくなる第２臨界点の位置がほぼ明らかになった。かんらん岩ー水系では、3.8GPa、玄武岩ー水系では 3GPa、高 Mg 安山岩ー水系では約 3GPa が第２臨界点であろうと考える。（２）スラブ中の含水鉱物は地球深部に水を運び，火山弧の下でマントルに水を供給する。
（３）それら含水鉱物の安定領域と濡れ角を重ね合わせてみると、脱水分解したフルイドが浸透流として粒間を上昇しうることがわかる。
（４）フルイドに溶け込むシリケイト成分の化学組成の圧力変化は濡れ角の変化を説明する。スラブから放出される火山の下の水にとむフルイドの姿は、近年の高温高圧実験によって明らかになりつつある。
Abstract
This report reviews our recent understandings on the chemical characteristics of aqueous fluids from
subducting slabs beneath the volcanoes through high-pressure and high-temperature experiments: (1)hydrous minerals in slab materials deliver water beneath volcanic arcs. (2) PT conditions of the wetting
angles and the stability of hydrous minerals allow us to know about the mobile fluid in the slab and themantle wedge. (3) Chemistry of silicates dissolved in to aqueous fluids explains the variation of wetting
angles as functions of PT. (4) Critical conditions between fluids and magmas. The locations of the second
critical end point between magmas and fluids tell us about the chemical nature of fluids from the slab andhas an important role in the magma generation beneath the volcanic arcs.

１．研究目的イドとして独立に存在するが、地下深部の高温高地球のマントルには、おもにマグマと水を主成

圧条件下ではマグマ中に溶解する水の量が増加分とするフルイドの 2 種類の流体が存在する。こし、それと同時にフルイド中に溶存するマグマ成

れらの流体は低圧条件においては、マグマとフル分も増加するため、両者の性質は近づく。マグマ-1-とフルイドの臨界点と通常呼ばれる点は Figure
1 の左の Tc であるが、第２臨界点とは、臨界温度が融解開始温度（ソリダス）とぶつかる温度圧力条件を指し、それよりも高圧では、マグマと水の区別がつかず超臨界流体になっている(Figure
1 の右)。つまり、第２臨界点よりも高圧条件では、ある化学組成のマグマとフルイドは連続的にFigure 1. Phase diagrams in the system of mineral A変化する。第２臨界点はマグマの組成によって異and H2O. In lower pressures, magma and fluids areなる。本研究では、かんらん岩、玄武岩、と高separated. After the second critical end-point, there isMg 安山岩マグマなどとフルイドが完全に混和す

no distinct difference between them.

る温度圧力条件を決定することを目指した。私は、の混合物に、蒸留水を加えたものを用いた。試料初年度に外熱式ダイアモンドアンビルセルを用は共同研究者の三部賢治東京大学助手と神崎正いて、富士火山の安山岩とデイサイトと水の間の美岡山大学助教授が中心となって開発したセル臨界現象をその場観察した。それは Figure1 の左に封入した。これは金パラジウムの円筒の上下にの状態であった。次年度以降助成を延長していた単結晶ダイアモンドを用いてふたをしたカプセ

だき、より融点が高くダイアモンドアンビルセル

ルで、X 線はダイアモンド結晶を通して通過する。

では実験できないより重要なマグマであるかん

最初に圧力を上げ、目的圧力に到達した後に温度らん岩、玄武岩、および高 Mg 安山岩と水との間を上げる。マグマのソリダス温度以上に昇温するでの第２臨界点を、マルチアンビル型高圧高温発とメルトが生じ、メルトとフルイドでは X 線吸収生装置を用いて決定することを目的とし、実験的係数が異なるため、透過像において 2 相は区別で研究を行った。

きる (Figure 2)。

２．研究経過大型放射光実験設備である SPring‑8 のビーム
ライン０４Ｂ１に設置されているマルチアンビル型高圧発生装置 SPEED1500 を用いた。高圧発生装置の中心に試料を置き、高圧高温条件におき、試料周りの WC 製アンビルの隙間から、高温高圧状態下にある試料に放射光を通過させ、その透過像を X 線カメラによりリアルタイムで観察する。
試料には、かんらん岩、玄武岩、および高 Mg 安

Figure 2 Snap-shot of X-ray radiographic images showing

山岩マグマ組成をもつ水和物とガラス

high-Mg andesitic melt globule (dark grey) in a matrix ofaqueous fluids (light grey) at 1 GPa. The width is 1.5 mm.

-2-つまり、脱水分解して生成されたフルイドは上昇

３．研究成果圧力が第２臨界圧力よりも高くなると、温度上することができるようである。（３）フルイドに昇にともなって、２相を観察することはもはや出含まれるケイ酸塩の化学組成が３ＧＰａ付近で来なくなる。これまでの結果、かんらん岩ー水系急激に変化にしている。水に溶け込むケイ酸塩成では 3.8GPa、玄武岩ー水系では 3GPa、高 Mg 安山

分のＭｇ／Ｓｉ比は低圧では０．１と小さいのに、岩ー水系では約 3GPa が第２臨界点であろうと考圧力が３ＧＰａ付近になると急激に変化し、３Ｇえる。これらの圧力条件は、従来想像されていたＰａよりも高圧では１よりも高くなる。その結果、圧力条件よりもたいへん低いものである。例えば、水に溶け込むケイ酸塩の組成は、かんらん石と輝かんらん岩については、12‑13GPa、玄武岩につい石の間になり、化学組成が似ているので、水とマては 5‑6GPa と考えられていた。

ントル鉱物の間の２面角は小さくなると理解す

4 今後の課題と展望ることができる。（４）マグマとフルイドの第２本研究で解明した第２臨界点の条件の意味を臨界点は、かんらん岩と水、玄武岩と水、および理解するために、私達の研究によって明らかにな

高 Mg 安山岩と水で、それぞれ 3.8GPa、3GPa、おりつつある最新の火山の下のフルイドの研究をよび約 3GPa にある。

概観する。（１）かんらん岩中に存在しうる含水以上の実験成果をまとめると、島弧火山の下の鉱物の安定領域は以下のことを示している。低圧スラブ上面の深さである３?４ＧＰａ付近では、で安定な緑泥石や角閃石の安定領域と、高圧で安（１）含水鉱物が不安定になり脱水し、（２）そ定なコンドロダイト、クライノヒューマイト、Ａれらは鉱物粒間を濡らして上昇する。なぜなら、相、Ｅ相の安定領域に間に、含水鉱物の存在でき（３）それらのフルイドに溶け込むシリケイト成ない領域が存在する。スラブがこの PT 領域を通分はその温度圧力条件では増加して濡れやすく過する際に、含水鉱物は安定でなくなり、脱水分なっているからで、そのことは（４）第２臨界点解する。ただし、玄武岩相中のローソン石とかんが近くにあることと関係する。

らん岩中のアンティゴライト（蛇紋石）は、低圧島弧の直下のスラブ上面付近で第２臨界点がで安定な含水鉱物からの水を高圧で安定な含水

あ る と い う こ と は 、 以下 の こ と を 意 味す る鉱物に橋渡しする可能性がある。（２）フルイド(Figure 3)。（１）暖かい条件ではスラブから出と鉱物の濡れ角は次のことを示している。かんらるフルイドはメルト的で、冷たい条件ではフルイん岩中のフルイドは角閃石や緑泥石が脱水分解ド的である。（２）暖かい条件で出て来たメルトして生成されるフルイドを保持できない。つまり的なフルイド（超臨界流体）は、上昇とともに、は、このようなフルイドは粒の間を浸透して上昇

ひょっとするとフルイド的なものとよりメルトすることができる。同様に、ローソン石が脱水分的なものに分かれるかもしれない。そのような条解して生成されるフルイドも玄武岩中（ガーネッ件では２種類のマグマが生成される可能

ト中を）粒の間を浸透して上昇することができる。

-3-648 – 662 (2005)
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aqueous fluids coexisting with forsterite and enstatite

In hot subduction zones, the melt-like supercritical fluids

based on the phase relations in the Mg2SiO 4-SiO 2-H2O

can be separated into fluid-like and more melt-likesystem. American Mineralogist. 89,1433-1437 (2004)
川本竜彦

materials during its ascent.

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性が考えられる。高 Mg 安山岩と玄武岩の両方がKawamoto T., Matsukage, K., Nagai, T., Nishimura, K.,

噴出している火山や、アダカイトマグマと通常のMataki,T.,

Ochiai,S.,

Taniguchi,

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Raman

カルクアルカリマグマが共存している火山の下

spectroscopy of cubic boron nitride under highでのマグマ発生を議論する上で重要なヒントに

temperature and pressure conditions: a new opticalなるのではないかと考えている。

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