フィッション・トラック

総ニュースレター第 19 号

1-8

2006 年

説
海洋底熱年代学への展望：
深海掘削孔およびオフィオライトのウラン含有鉱物・年代・地温勾配
安間了*・IODP Expedition 309 & 312 乗船研究者

Prospects for the ocean-floor geothermochronology:
U-bearing minerals, ages and geothermal gradients of Deep Sea
Drilling Holes and ophiolites
Ryo Anma* and the IODP Expedition 309 & 312 Shipboard Scientific Parties* 筑波大学生命環境科学研究科，Graduate School of Life and Environmental Sciences,
University of Tsukuba

Abstract
Since the initiation of the Ocean Drilling Program, ocean-floor gabbros have been recoveredfrom deep drilling holes in the Pacific (ODP Hole 504B), Atlantic (IODP Hole U1309D) and Indian(ODP Hole 735B) oceans. Recently, ODP-IODP Hole 1256D in the East Pacific, opened during
ODP Leg 206 and deepened through IODP Exp. 309 and Exp. 312, successfully penetrated into
gabbros and provided a complete and intact section of the upper oceanic crust (Wilson et al.,2006). The chance of having plutonic rock specimens from the ocean-floor in our hand will
increase rapidly in the next decades by the operation of “Chikyu”.
In this paper, we briefly review the mode of occurrence of U-bearing minerals, ages andgeothermal gradients estimated from deep-sea drilling holes and ophiolites. Dikes recoveredfrom the 15 Ma Hole 1256D crust exhibit an interesting feature; titanite (sphene) concentration inhydrothermal veins and glassy fillings in the matrix of dike-margin breccias. Complex crosscutting relationships of hydrothermal veins and ubiquitous occurrence of dike-margin breccias
imply that they were formed just after the dike intrusions. Recently, zircon crystals wereseparated from the Indian ocean gabbros (Schwartz et al., 2005) and dikes and gabbros of the 6
Ma Taitao ophiolite (Anma et al., 2006), which contains ˜40 to 80 ppm Zr. U-Pb ages of suchminerals must represent the age of magma crystallization, whereas fission track ages present
cooling ages (below ˜250°C).
The U-Pb ages for the Indian ocean gabbros (Schwartz et al., 2005) show striking consistency
with age estimated from the paleomagnetic records. The U-Pb and fission track ages of theTaitao ophiolite that formed nearby the Chile ridge show good agreement within error range (0.4Ma to 0.1 Ma depending on U contents), implying rapid crystallization and cooling (Anma et al.,2006). Thus, both dating methods yield reliable and consistent ages with reasonable accuracy
even for young basic rocks.
Difference between temperatures estimated using oxygen isotopes of hydrothermal minerals
and current geothermal gradients measured along the 6 Ma Hole 504B (˜100°C/km; Alt, 1999)1

indicates that the sheeted dikes in 504B cooled down below the closing temperature of zircon
fission track after the hydrothermal alteration. In contrast, geothermal gradient measured alongthe 15 Ma Hole 1256D was ˜60°C/km (Expedition 312 Scientists, 2006), much lower than the 6Ma crust. This implies a possibility to measure cooling rate of ocean floor in low temperature
range by comparing U-Pb and fission track ages of igneous zircons and hydrothermal titanites.
Such basic data will be useful to deduce the locale of ophiolite genesis; an interesting researchtarget for the Japanese Fission-Track community.

Key words: Ocean-floor geothermochronology, Ophiolites, Deep sea drilling, U-bearing
minerals

1．はじめに大洋のガブロが深海掘削により採取されたことに2004 年に統合国際深海掘削計画 (IODP) が開なる．とくに赤道域東太平洋の ODP-IODP 第始されて以来，2005 年 12 月までに大西洋中央1256D 孔を継続掘削した IODP 第 312 次航海で海嶺（Expedition 305 Scientists, 2005）と太は，堆積物・溶岩層から掘削した孔井では初めて

平洋ココス・プレート（Expedition 312

ガブロ層まで到達した（Wilson et al., 2006）．

Scientists, 2006）の海洋底から深成岩類が採取

日本主導のライザー掘削船「ちきゅう」の運行をされた．ODP 時代に行われたインド洋での掘削間近に控え，われわれが海洋底火成岩の連続試料成果（Dick et al., 1999 など）をあわせると，三を手にする機会は，今後ますます増えていくであろう．
フィッション・トラック法や U-Pb 年代測定
法は，ジルコン，アパタイト，スフェーンなど，ウラニウム（U）を含む鉱物に適用される．U は液相濃集元素であり，ホスト鉱物も結晶分化作用の末期に晶出するので，苦鉄質岩を中心とする海洋地殻（あるいはオフィオライト）の U 含有鉱物を対象とした年代学研究は少ない．最近，鉱物分離技術や分析技術の向上により，U 含有鉱物がまれにしか含まれないガブロやドレライトについても，年代測定が適用され詳しい議論が行われるようになってきた（Schwartz et al., 2005;
Anma et al., 2006）．ここでは，ODP-IODP 第1256D 孔とチリ沖三重点近傍に露出するタイタオ・オフィオライトの苦鉄質岩類に含まれるジルコンやスフェーンなどの年代測定ターゲット鉱物

図１ ODP-IODP 第 1256D 孔・ODP 第 504B 孔およびタイタオ・オフィオライトの位置図の産状を報告する．また，海洋地殻およびオフィオライトに適用された年代測定例を紹介しながら，海洋底熱年代学の可能性を探る．

2

図２ ODP-IODP 第 1256D 孔のシート状岩脈に含まれるスフェーンの産状（Expedition 312 Scientists, 2006 より引用）

ODP-IODP 第 1256D 孔の岩石と U 含有鉱あるが，下位の等粒状岩脈群に向かって次第に浅物く傾斜するようになる．これらの角礫充填ガラス

赤道域東太平洋ココス・プレート上に位置するや熱水変質脈は，U 含有鉱物であるスフェーン

ODP-IODP 第 1256D 孔（図 1）付近の海洋地をしばしば伴う．急冷縁を横切る 2 本の熱水変殻は 1,500 万年ほど前に 220 mm/y の超高速で質脈（図 2A）のうち，急冷縁に平行な微小断層拡大していた東太平洋海膨で形成されたによる変位を受けていないもの（図 2B）の中に（Wilson et al., 2003）．IODP 第 312 次航海で含まれるスフェーンの産状を示す（図 2C）．ス

は，ODP 第 206 節および IODP 第 309 航海をフェーンを含む石英-プレーナイト脈は，図 2C引き継いで，シート状岩脈類から掘削を開始し，の中央下でスフェーンを含まないアクチノ閃石脈

1,407 m の深度でガブロ層に到達した(Wilsonを切るものの，上方では同じアクチノ閃石脈に収et al., 2006)．

束する．いっぽう，図 2A 上側の古い急冷縁に平シート状脈岩群は放射状に成長した単斜輝石と行に発達する，黒色変質ハロを伴うアクチノ閃

斜長石の集合結晶を持つ玄武岩様組織から斜方輝石-葡萄石脈から派生する脈は，中央右側で若い石含有等粒状組織に至るまで，ガブロ境界に向か急冷縁によって切られており，岩脈の貫入・冷って鉱物組み合わせと組織を変化させる．斜方輝却・熱水変質脈の貫入はごく短い期間で生じたこ石をふくむ等粒状組織は，ガブロ境界で急激に発とを示している．このような岩石から分離された達しており，接触変成を受けた再結晶組織と考えスフェーンの年代は，岩脈貫入に伴われて生じたられる．シート状岩脈には急冷縁を伴う急傾斜の一連のプロセスの中の，年代測定誤差に比べて非岩脈境界がおおく認められた（図 2）．急冷縁は，常に短い期間を代表するに違いない．

形成後に貫入したガラスによって充填される母材ガブロは等粒状岩脈群のスクリーンを挟んで，の角礫（dike-margin breccias）や，複雑な貫上位のガブロ１と下位のガブロ２に分けられる．

入-被貫入関係を持つ熱水変質脈を普遍的に伴う．

ガブロは主に斜長石と単斜輝石からなるが，多く

熱水変質脈はシート状岩脈群の上位では準垂直では酸化物に富んでおり，斜方輝石やかんらん石を3

図３

タイタオ・オフィオライトの苦鉄質岩から分離されたジルコンの量含む．岩脈群/ガブロ境界およびガブロ中の流理から成り立つ．ガブロと超苦鉄質岩類は複雑な褶

構造は 45 度程度傾斜しており，シート状の貫入曲を受けており，形成時の層厚を推定することはであると推定される．ガブロ１では優白質メルト困難である．シート状岩脈は褶曲していないが，パッチが上位に向かって濃集し，その上位ではト断層によって切られ，厚み方向の延長は植生に覆ロニエマイト質岩脈が観察された．軽いメルトのわれていて正確な厚さは見積もられていない．古分結過程をあらわすと考えられる．ガブロには火地磁気学的研究から，チリ海嶺衝突時にブロック成組織が卓越しており，塑性変形を示す試料はほ回転をおこしながら南米プレート前弧域に付加さとんど見いだされなかった．また顕著な傾動の証れたものと推定されている（Veloso et al.,

拠も見られなかった．これらの観察は，超高速拡

2005）．

大軸で生成した海洋地殻でも，海嶺での伸張歪はオフィオライトの生成・定置時代を正確に見積

傾動ではなくマグマの貫入によって補償され，海もるため，（株）京都フィッション・トラックに嶺環境下で形成された海洋地殻構造をそのまま保依頼していくつかのガブロ，シート状岩脈からジ存している可能性を示唆する．薄片ではジルコンルコンの分離を試みた．図 3 に岩石試料の特徴などの U 含有鉱物はほとんど見いだせなかったと，分離されたジルコンの量をまとめた．単斜輝が，船上での全岩組成分析によると 20 ppm 程石の一部が普通角閃石に置き換わったガブロ試料

度のジルコニウムは含まれている（Expedition（TPB268 および TPG244）では，400 粒子/kg

312 Scientists, 2006）．このような試料から分以上のジルコンが含まれていた．検鏡下でジルコ離されたジルコンは，海洋地殻の形成・冷却年代ンが 2 粒子認められた TPB268 試料では，1,000を忠実に記録していることが期待される．

粒子/kg ものジルコン鉱物を含んでいた．また，検鏡下でジルコンの存在が確認されなかったにもタイタオ・オフィオライトのジルコン含有かかわらず，ドレライトからは 10 粒子/kg 程度

量と年代の，デイサイトからは 100 粒子/kg 程度のジル

タイタオ・オフィオライトは，南極プレートとコンが回収された．我々の予察的な全岩分析では，ナスカ・プレートの境界をなすチリ海嶺が南米プ

ガブロ類はおよそ 40 ppm 程度，シート状岩脈レートに向かって沈み込む，チリ沖三重点の近傍類は 80 ppm 程度のジルコニウムを含有していに位置する．このオフィオライトは枕状溶岩・堆る．粗粒ガブロは，ジルコニウム含有量が少ない積物層，シート状岩脈類，ガブロ，超苦鉄質岩とにもかかわらず，比較的多量のジルコン鉱物を含海洋リソスフェアに期待されるすべての構成要素んでいた．ガブロにはフィッション・トラック年

4代測定を行うのに充分（30 粒子以上）な，または U 濃度に大きく左右されるが，濃度の高いもドレライトでも U-Pb 年代を決定するには充分のについては後期中新世のジルコンでもな量（10 粒子程度）のジルコン鉱物が 1 kg の岩Ma 程度（年代値の 5%以下）の誤差範囲で議論

石試料に含まれ得る．

することが可能である．この誤差範囲は，たとえAnma et al.（2006）は，分離したジルコンを0.2ばおよそ 7 cm/y の中速拡大速度を持つチリ海用いて，フィッション・トラック年代測定と嶺では，わずか 7 km の片側プレート移動距離SHRIMP U-Pb 年代測定を試みた．この結果，に相当するにすぎない（ただし海嶺自体の移動速ガブロからは 5.9度を勘案すると，南米大陸に対して 18 km の相0.4 Ma と 5.80.2 Ma のフィッション・トラック年代が，また，5.65対移動距離に相当する）．この結果，タイタオ・

0.3 Ma と 5.61

オフィオライトはおよそ 600 万年前に推定され0.09 Ma の U-Pb 年代が得られた．また，シート状岩脈からは 5.220.2

るチリ海嶺衝突事件に密接に関わり合っているこ

Ma の U-Pb 年代が得られた．年代測定の誤差と，誤差範囲で一致するフィッション・トラック
年代と U-Pb 年代を持つことからおよそ 600 万年前にチリ海嶺でオフィオライトが生成した期間あるいはその直後に定置・急速な冷却を受けたこと，シート状岩脈との年代差から 0.4 Ma 程度の火成作用継続期間があったことを推定した．

年代測定の適用例と海洋底熱年代学への展望
Schwartz et al. (2005) は，ドレッジやJAMSTEC による調査航海によってインド洋アトランティス堆から採取されたガブロからジルコンを分離し，U-Pb 測定を試みた．アトランティス堆は 50 mm/y 以下の低速拡大によって形成された海洋地殻であるが，酸化物ガブロのように分化の進んだ岩石は一般的にジルコンを含んでいる（Schwartz et al., 2005）．Schwartz らが得た
U-Pb 年代（10 Ma ~12 Ma）は，古地磁気から推定される年代値と驚くべき一致を示しているが，期待値より 2.5 Ma を超えない程度で古い年代を持つジルコン粒子やジルコン核部も見つかった．数値計算から（Maclennan et al., 2005）あるいはかんらん石-単斜輝石のカルシウムの拡散から見積もられた（Coogan et al., 2002）下部
海洋地殻の冷却速度は，モホ面直上でそれぞれ
図４ ODP 第 504B 孔における地温勾配と熱水鉱物

104°C/My と 100~104°C/My 程度であるが，の 酸 素 同 位 体 比 か ら 見 積 も っ た 生 成 温 度 （ Alt

上部地殻に向かって速くなる．したがって，（1999）より引用

Schwartz et al.（2005）は，これらの古い年代を持つジルコンは，同じマグマからは晶出し得ず，

5

低速拡大軸直下のマントル部（およそ 18 km のく決定する U-Pb 年代と比較検討すれば，海洋深さ）で形成された小規模なガブロ質メルトパッ地殻の生成年代と平均冷却速度が，試料採取深度チからもたらされたと考えた．低速拡大軸におけや海嶺からの距離の関数としてあらわせるのではる下部地殻の冷却速度が見積もられているようにないかと期待される．

速いのであれば，U-Pb 年代は岩石形成年代を忠海洋地殻は大陸地殻に比べて圧倒的に若く，地実に表しているものと考えられる．

質体の連続性が良い．このことは海洋底熱年代学

いっぽう，第 1256D 孔で計測された 1,500 万の研究に非常に有利に働く．前述のように，現在年前の海洋地殻の地温勾配は，掘削直後でおよその年代測定技術により，後期中新世の試料につい50°C/km，掘削 3 日後の測定ではおよそても年代値の 5%以内の誤差の中で議論が可能に60°C/km であった（Expedition 312なった．これは，若い試料では絶対的年代誤差がScientists, 2006）．これに対し，600 万年前により小さくなり（10 Ma の試料でも，ココス・リッジで生成した第 504B 孔の海洋地殻程度），より精度の良い議論ができることを意味

は 2,100 m の深度までシート状岩脈からなってする．いっぽう，古いオフィオライトは，絶対的いたが，現在およそ 100°C/km の地温勾配を年代誤差は大きくなり，構成岩での有意な年代差もつ（Alt et al., 1993; Alt, 1999）．ODP-はより出にくくなる．拡大速度の違いによる初期IODP 第 1256D 孔でガブロの出現深度が 1,407の地温勾配の較差を勘案しながら，若い海洋底のm と浅かったことは，地震学的に予測された拡標準冷却速度を実測に基づいて見積もることは，大速度と低速度域深度の負の相関を支持した

オフィオライトの年代学的研究を行うときに要求(Wilson et al., 2006)．ガブロ質マグマ溜まりのされる測定誤差の大きさを理解するためにも必要

深度が，海嶺直下の地温勾配に大きな影響を及ぼであろう．

0.4 Ma

していたことは容易に想像できる．高速拡大環境

陸上に露出した海洋地殻の断片と考えられるオ下でガブロの出現深度の浅くなった第 1256D 孔

フィオライトには，海嶺あるいは海洋島弧環境下

では，初期の地温勾配はより大きかったに違いなでの生成・横方向への移動・オブダクション・島い．それにもかかわらず，現在の上部海洋地殻の弧化といった一連のプロセスが凝縮されている．

地温勾配は時間を追って冷却しており，低温側でこのため，あるオフィオライトの成因として，海の冷却速度は数値計算から見積もられたように速嶺説と島弧環境説・沿海説にわかれた場合，決着くはなく，海洋地殻が完全に冷却されるにはあるのつかない議論に陥ることも考えられる．オフィ程度の時間を要していることは明らかである．

オライトが海嶺で生成してからどの程度の時間を

図 4 に第 504B 孔における熱水鉱物の酸素同位経て移動・冷却したのか？いつ付加・定置し，島体比から見積もられた温度と，現在の地温勾配を弧的な改変を受けたのか？海洋地殻やオフィオラ示す（Alt, 1999）．シート状岩脈-火山岩遷移帯

イトのフィッション・トラック年代と U-Pb 年（600 m~700 m）で同位体比温度は急激に下が代とを比較検討することによって，このような根り，現在の地温勾配に近づくが，シート状岩脈の本的な問題に明快な回答が与えられるのではない

中では熱水変質の生じたおよそ 300°C から，ジかと期待する．

ルコンやスフェーンのフィッション・トラック閉

結論

鎖温度をまたいで，現在の地温勾配まで冷却している．したがって，より浅くに貫入し，熱の移流「ちきゅう」の運航開始により，苦鉄質岩を主や伝導によって低温側でゆっくりと冷却したシーとする海洋底火成岩類の連続柱状試料を手中にす

ト状岩脈により低い閉鎖温度をもつフィッショる機会はますます増えるであろう．海嶺で生成しン・トラック法を適用し，岩石形成年代を精度よたガブロやシート状岩脈からもジルコンやスフェ

6ーンなどの年代測定ターゲット鉱物は産出する．

Expedition 305 Scientists, 2005, Oceanic core

陸上地質と異なり圧倒的に連続性がよい海洋底地

complex formation, Atlantis Massif, Mid-質を対象にして熱年代学を適用すれば，海嶺からAtlantic Ridge: drilling into the footwall andの距離や海嶺拡大速度と平均冷却速度の相関も詳

hanging wall of a tectonic exposure of deep,

細に議論することができよう．オフィオライトのyoug oceanic lithosphere to study deformetion,成因論にも貢献しうる重要な研究テーマであるとalteration, and melt generation. IODP考える．

Preliminary Report, 305,doi:10:2204/iodp.pr.305. 2005.

謝辞

Expedition 312 Scientists, 2006, Superfast

金沢大学の荒井章二教授には論文を査読して頂

spreading rate crust 3: a complete in situ

き，有益なコメントを頂いたことを感謝致します．

section of upper oceanic crust formed at a

また，編集の労を執って頂いた金沢大学の長谷部

superfast spreading rate. IODP Preliminary

徳子博士に感謝致します．

Report, 312, doi:10:2204/iodp.pr.312.2006.
Maclennan, J., Hulme, T. and Singh, S. C., 2005,

文献

Cooling of the lower oceanic crust. Geology,Alt, J., Kinoshita, H. and S. S. Party, 1993,33, 357-360.

Proceedings of the Ocean Drilling Program,Schwartz, J. J., John, B. E., Cheadle, M. J., Miranda,Initial Reports, vol. 148, Ocean Drilling

E. A., Grims, C. B., Wooden, J. L. and Dick, H.

Program, College Station, Texas.

J. B., 2005, Dating the growth of oceanic crust

Alt, J., 1999, Very low grade hydrothermal

at a slow-spreading ridge. Science, 310, 654-

metamorphism of basic igneous rocks. In Frey,657.

M., and Robinson, D. (Eds.), Low GradeVeloso E. A. E., Anma, R. & Yamazaki, T., 2005,

Metamorphism, Blackwell, Cambridge, 169-

Tectonic rotations during the Chile ridge

201.

collision and obduction of the Taitao ophiolite

Anma, R., Armstrong, R., Danhara, T., Orihashi, Y.

(Southern Chile). The Island Arc, 14, 599-615.

& Iwano, H., 2006, Zircon sensitive high mass-Wilson, D. S., Teagle, D. A. H., Acton, G. D. and S.

resolution ion microprobe U-Pb and fission-

S. Party, 2003, Proceedings of the Ocean

track ages for gabbros and sheeted dykes ofDrilling Program, Initial Reports, Leg. 206,

the Taitao ophiolite, Southern Chile, and their

Ocean Drilling Program, College Station, Texas,

tectonic implications. Island Arc, 15, 130-142.

117 p.

Coogan, L. A., Jenkin, G. R. T. and Wilson, R. N.,

Wilson, D. S., Teagle,T. A. H., Alt, F. C.,

2002, Constraining the cooling rate of theBanerjee,N. R., Umino, S., Miyashita, S.,lower oceanic crust: a new approach applied toActon, G. D., Anma,R., Barr,S. R., Belghoul, A.,

the Oman ophiolite. Earth Planet. Sci. Lett.,

Carlut, J., Christie, D. M., Coggon, R. M.,

199, 127-146.

Cooper, K. M., Cordier, C., Crispini, L.,Dick, H. J. B., Natland, J. H., Miller, D. J. and S. S.

Durand, S. R., Einaudi, F., Galli, L., Gao, Y.,Party, 1999, Proceedings of the Ocean Drilling

Geldmacher, J., Gilbert, L. A., Hayman, N. W.,

Program, Initial Reports, Leg. 176, Ocean

Herrero-Bervera, E., Hirano, N., Holter, S.,

Drilling Program, College Station, Texas.

Ingle, S., Jiang, S., Kalberkamp, U.,
Kerneklian, M., Koepke, J., Laverne, C., Lledo7

Vasquez, H. L., Maclennan, J., Morgan, S., Neo,Veloso, E. A., Yamasaki, T., Yamazaki, S, andN., Nichols, H. J., Park, S. H., Reichow, M.,Ziegler, C., 2006, Drilling to gabbro in intact

Sakuyama, T., Sano, T., Sandwell, R.,

ocean crust. Science, DOI:

Scheibner, B., Smith-Duque, C. E., Swift, S. A.,

10.1126/science.1126090

Tartarotti, P., Tikku, A. A., Tominaga, M.,

8