rare earth element chemistry of submarine …...key words: the southern mariana trough, back-arc...
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μ MSTEC濂海●究 第10母
南部マリアナトラフ海底火山岩中の希土類元素
山谷 良登*j 益田 晴恵゛1 天川 裕史 ’゙
野崎 義行゛2 蒲生 俊敬*’
s 1 大 坂 市 立 大 学 竃 学 郎 地 球 学 科
* 2 東 東 大 学 海 洋 研 究 所
* 3 Department of Geosdence亀 Osaka City University
j∂7
1992 ―93:年 に か け て.『し ん かいssa』 に より ㎜ マ り フ ナ1171S °N付 近 の 拡大 軸 に存 在
する 4つ 砂 海 山 か ら岩 石 賦料 を瞿 黔 廴. 幸虚4 ・希 土頸 元 素分 析を 行 ,た.
分 析 し た 廝 暉 マ り7 少1 9 フの 餓 科 ( S-MTB)11 玄 武 岩 - 玄武 岩 質 安 山 岩 で ,北 部 ~中 郎
・197 ナト ラフ の 試 料 ( MTB) よ りAI ,KS ,Caに 乏 しく ,Felこ富 む傾 向 があ る.
4つ の海 山 か ら得 ら れ た岩 石の 希 土覯 元 素●stは (La/ Yb)n が 魴? ~1.2S の鰛・ に あ り , 軽
壥 土 に 乏 し いN-MGRBt こ類 似 し た 一々 タ ー ンを 示 し た . ま た. 試 料 の一 都 に は負a セ リ ウ ム奠
霍 が 認 め ら れ た。 MTBは (LayYb)n がlj ~2,5 の範 囲 で,S- MTB よ り 軽 希 土 に 窗 化 し た バ
ター ンを 示 すこ と か報 告 さ れ てい る(H・wkins・jaj.199・ ;Stlm ・laj.199a ). 垢 土 朋 元素 の
パタ ー y はS-MTB が MTB よ り 背 弧 海 童 の 拡 大 一成 粛 の璢 ん だ段 階 に あ るこ とを 示 し て ‰・
る.
鰐 憲 海 域 の南 郎・l リ フ ナ トj フa . マ リ ア ナ弧 の 大 山 鯛 練 の 延 長繍 上に 位 钁 し, 鳥 弧 と背 弧
稗 童 と が近 接 し て い る が . 火 山IM )t s!分 及 び希 土顧 元 素 組虞 は粡 鑿 マ リ ア ナ ト ラフ が 虚熟 し
た背瓠 ● 奩 であ る こ とを 示 し てい る.
キーワ ード:南 部 マリアナトラフ,背弧 海盆 玄武岩 ,N タイプ中央海●玄武岩,希+●元素パ
ターy, 負のセリウ ム芦常
Rare Earth Element Chemistry of SubmarineVolcanic Rocks from a Spreading Axis,
the Southern Mariana Trough
Yoshito YAMATANI*3 Harue MASUDA*3 Hiroshi AMAKAWA*4Yoshiyuki N02AKIM Toshitaka GAMO**
The chemistry of major and rare earth elements were analysed for the back-arc basin
volcanic rocks collected from four submarine volcanoes, located in the southern Mariana
Trough at !S*N, using "$h≫nkai 6600".
The studied rocks (S-MTB) are basalts and basaltic andesices. The Al, Ms and Ca
contents of S-MTB are lower than those ol the previously reported basalts of northern
acid middle Mariana Trough (MTB).
JAMsTEcJ. D●●卩s ●● R●・..¶a {1匐・ }
S-MTB are depleted in light rare earth elements (LREE), having similar REE patterns
to those of N-MOR& Two of the studied rocks have negative Ce anomaly. It ie
reported that the back-are basic basalts of the northern and middle Mariana Trough are
enriched in LREE (Hawkins ≪t al., 1990; Stem tl eU 1990), suggesting that those basalts
ha** cJN ≫r&tt≪i≪te teVwesn wc wii bati-arc toan vo\taTfetrii. S-MTB*
have more evolved characteristics as a back-are basin basalts than MTB-
Moat recent ridge axis in the southern Mariana Trough is adjacent to the Mariana
island arc. However, studied chemical data Indicate that the area is nature back-arc
basin.
Key words: The southern Mariana trough, Back-arc baajn basalt, N-type mid ocean
ridg≪ basalt, BEE pattern. Negative Ce aoom&ly
1. は じ め に
マリフ ナト ラ フ は太平 洋プ レー ト の沈 み込 みに伴・3て
フ ィリピ ン布 プ レ ー H こ形成 さ れ た 背弧 海盆 であ る。 こ
の 地 域 は1961 年 代Sこ入 り て, 北部 から中 都 地 域 を 中 心
に ,多 くの 海 底火山 岩 の分析 僮 に基 づい て, 地球 化 学 的
研 究 がな さ れ て き た(耗え ぱ.n4 ×6n a d Stem. 1983;
Hlwki鵬 lnd Me)chjol,1985)。
一 方 。 陶 都 マ り ア ナ } ラ フ は1ヨ ゜45'N の l 測 隷
(Hagen g aj。 1詞2 )を ● い て詳細 な調 轟 が行 わ れ て い
な か 。た。卜r N 付 近 の 南 鄒 マ り フ ナ ト ラ フに お い て は
1992 ―92 年 に か け て。「 よ こ す か 」 と rし ん か い6800 』
に よる 詳細 な 潜航 躙査 が 行 わ れ, 海 巓 拡大 紿iliiX!の 海山
か ら岩 石試 料 が鰈 取 され た。 南都 マ リフ ナ ト ラフ は 鳥弧
と 背 弧 が近 接 して いる 組 鳩 であ り, 海洋 地 殻 内 に お け る
背 弧 海 貧形 成 過 理を 考 案 す る うえ で 重 要な 甘r慵 で あ る。
本 報 告で は,得 られ た 賦料 の希 土 瓶 元素 組成 を中 都 ・
北 部 マ りフ ナト ラ フ周 辺 及 ぴ他 の地 域 の腎 弧 梅 盆 の希 土
躓 元 素yfタ ーンと比 較検 吋し 。本地 域 の試料 の 希 十僵111
案 パ タ ー ンの崎性 及 ぴ 火成 活 勤を考 業 す る 。
2.驥査海餓の地形及ぴ擒造
図1に試料採取地点とその周辺の廠底地形図を示す。
西部には水銀約3,COem で一定の稗嶺耡か北北東の走
向 に履行状 に配列する。 この海 嶺は Haga ・g al.
(1992)が。背弧海盆の拡大軸と考えたものである。東
都にはその海嶺軸と平行に2列の海山列が存在する。こ
の海域では梅嶺軸に平行な砥ぽ南北の正断層系が発達
し,それらは,マりアナ鳥弧の火山前糠の方向と斜交し
て いる。
j甜
3.主s・分元素組成
試科を探取した各海山は圜l に示 す。 本海域から摶ら
れた海底火山岩の主成分屬・sは益田 臘か(1993; 本書)
に示されている。 ‘
海山A(D16・ ),B(D161 ) からは,s101 含有量が49
~52s の玄武岩, 海山 c(DI s).x (D186 )からは
sK)I含有量が50~56 %の玄武岩~玄武岩餮安山岩が得
られた。K10含有量は0.1s~0.45wt% と,北部・中郷マ
リア ナトうフの背弧海盆玄武岩より も濃度が低く,低ア
ルカ 9ソレア4卜 の傾城1こプロ ット される(濶2 )。
s10, 含有・ が低く, より始源的な ものは中央海嶺玄武
岩(N-typeMoRB)に類似した組成を示す。
1`101とMgo の関係を図s A に示 す。 海山 A(D16・ )
の賦料は中部マ9ア ナト ラフの火山岩と徇郎マりアナ鳥
弧の火山岩の中間傾城にプロンFされ, 海山 a c、x
の試料は南部-マ 9アナ届弧の試料と同じ傾城にプロット
される。EJ3B* こはP, a とMが)の闘係を示す。 陶都
マりア少トラフの試科は南部マリアナ弧の火山岩よりも
P,Q 渡度の低い頚城|こプロットされる。 また,で10, と
Pioi(いわゆるHFs元素)の濃度は 背弧側(淘山 A 側)
から海溝闘(海i x 側)へと鳥弧|こ近づく|こつれ系統
的に低くなる傾向がみられる。
4.分析試料の岩石記載
各海山から得られた試刺のうち。 希土類元素を分折し
た賦料の竸下での観凛結果をg 下に述べる。
l )D160-2 ,6
単斜輝石カyラン石玄鼠岩。讎晶にはa2 ~Oj・・ の
カンラン石,0jmm程度 の舉斜岬石及び0.2m・1以下の
斜長石が認められる。しぱしぱa2mm以下の斜長石の
集扈状魃襴が毘められる。斑晶量はS~10S 程度である。
JAMSTEcJ. Dl ps●aR●●。,1●{l剪・}
図 1 試料 嬉 勁 地点 と そ の周 辺 の海 庭地 形 図
Fig. 1 Topography map of the southern Marilna Troulh at1S °N and sampling localities or submarine
volcanic r ocks.
石基は隠微晶質な基質中に針状の微小な斜長石が点在
する/ イヽアロオフィテ ィック~ハイアロピリテ ィック組
織を示している。
2 )D161-1,2
単斜輝石力yラン石玄武岩。斑晶 には。0.5 ~10mm
の斜長石, 叺5mm程度のカンラン石及び0.4mm程度の
単斜輝石が認められる。斜長石は顕著な正累帯構造を持
つものが多い。 また,集斑状に存在するものも認められ
JAMsTEcJ.D ●●pS●● R。。。。10(1994)
る。斑晶皿は10-15 %程度である。 石基は,0.15mm 程
度の針状をなす斜艮石,カンラン石,輝石及び がjスか
ら構成され, イ冫ターサータル~ハイyロピリテ彳ック
組鮫を示す。
3)DI韵-2
匍斑晶賈玄武岩。 斑晶鷽が1S以 下である。斑晶に11
0.5~1,Cmmの斜長石。0,2 ~0.3菌m程度の旱斜輝石及び
斜方輝石が認められる。斜方輝石はしぱしぱ舉斜輝石と
I&
閼 2 南 部 マ リフ ナ ト ラフ か ら籌 ら れ た梅 庭 火 山 岩 の KiO と
SIQ e 関 係i≫ SMA :閘 郎マ リア ナ弧 【X】lixon g 4
Sll皿IS83) , MMT: 中鄒 マ 97 ナト ラ フ( lawki・
・lsl。1990). NMT: 北 部マ リ アタト ラ フ(St em ●lai。
1qSO) , N-MORBの デー タはSun ●la£(1 ●19) に よ
る。l 繍 は胝 フ ルカ・ と 中ア ルカ リソ レフ イト の 境界 を
示 す( pecafilloand Taylar,19?S) 。
Fi*.2 Reld ossi ps betwlel K,0 vs、S101 01 ●ubm sine
volcanic rocks im 膃t 抽 ●o●U遽nl M肛ilJs TtaJgi
a1 131N. SMA:So ulberzl Mlxiajla Arc (Di xQ・
●・d Ster●。 1983) ;MMT : Middle Mari皿 驫 Trsllb
(R・wkln1 ・1㎡ ,1 ●蔔) ;NMT :Northern Ma心 n●
Ttlulh 〔S・●Γη S a廴1990 〕. N-MORl data ・l・
rlleled lo S uxl s a£(1179).SIr ・igbt line sbows
the comlx嶌1跏 仙lbouldlrt line belweea Low-K
㎜ d Medjum-χ fields after Peocarillo aad Taylor
(19?S)。
平行漣 晶し てい る。 石 基は 針 狄の 寄 せ木 状斜 長石 の間 を
ガ ラ スが充填 す るハ イ フロ ピ・ デ ィッ ク縫 纖 を示 して い
る。
4 )D18FI.S ≒2, 5-2
カ ンラ ン石 単 斜輝 石 玄武 宕賀 安山 岩。 斑 晶 に は0.5~
lj】mlaの 刷 長 石, 0.2mm 理 度 の 単 斜 輝 石,・。8mm 程 度
のカ ン ラ ン石 及 ぴ0.1~Oj m ●の斜 方胄 石 が紹 めら れ る。
斑 晶I は1 ~3% 程 度 である。 斜 方 押石 は しば しば 単 斜 輝
石 と平行 漣 島し て い る。石 藁は イ y タ ー サ ータル組 織 を
示 す。
5 )Dllr3
単 粡輝 石斜 方 輝 石 玄武 岩 貿 安 山 岩。 蘿 晶 に は0.4~ L4
a m の斜 長石。0.5nlm 以 下 の 斜方輝 石 及 びOj∃mm 程 度 の
単劇 輝石 が認 め ら れる。斑 贔 は10 ~20 %程度 で斑 状軅 繍
を 示 す。 石菖 は・ヽイフgピ 9 ティ フ ク額 耋を 示 す 。
6.希t 菓元素組成
4海11』から指皿した岩石賦料砒東京大学海洋研究所謾
钁のICP-MS によ・て分析した。 溶液の鋼製はCrock
jS
図 3 南 部 マ リ ア ナ ト ラ フ か ら 得 ら れ た 海 底 火 山 岩 のT101 と
M gO の 関 係 (A ) と , P10s と MgO の 関 係 (B)。 凡 例
と 引 用 文 献 は 図 2 と 同 じ で あ る 。
F11. 3 R41atioaships between TiOi vl MgO (A )alldPIQ
vs. M gO (B)orthes ubmarinevolcanjcr ocksfrg m
the Southern Mariana Trough. Symbols and
reference art t M same 貅thfssinFi & 1
and Licht e(1982 )の方法に従・,た。分析翻度は柤対
眺差にして 5%程度であうた。得られた分折結果を衷l
に,希土頚元素パターンを顫4に示す。
最 も海磔軸に近い海山A の試料D160 は,(La/Yb )n
比が0忍程度である。 希土順元素濃度はコンドライトに
比べ10~20倍程麦高い。
海嶺軸東風 潜航海域中央の海山列に存在する梅山B
の賦科D161 は(La/Yb )n比がD.87とl.(叺 希土順元素
鳩度は5 ~15倍jl廖に濃集している。また,海山 Bの南
部に存在するカ ルデラをもつ海山 X の試料D1 的は,
(L4/Yb )n比が,0.57~196 で,希土類元素濃度は5~
10倍程度である。最も海溝側に位置する海山列に存在す
る海山X の試料は(La/Yb)n比が1,25で,希土類元素
纛度は1(晧 程度であった。
分析したすべての賦料は。(La/Yb )n比が軽希土類
元素に乏しい,N-MORBに類似したパターンを示す。
また.D189-1 ,D186-S の試料には貪のセリウム異常が
頭著に認められ, それらのCe/Ce* はそ れぞれ0,甌
jamstec j. dmp sm r≪i、10(1軫4)
裏 1 南 部 マり フ ナ ・ ラフ の試 料 の 希 土爾 元 素デ ー タ. Qy Ce'-Ce/(La゛ ・Nd ″`)。( L●yTb) a は コ ンF 1 4 卜 で屬 権 化
し たLsl yb の 比
Table l Raxe egtll ele 揃ellt data cf Southern M・ris11 Trough sampls. CeyQ' -Caノ(La゙ ・Nd芍。( L4/yb)n
i&cbandfile--rtnxli zedratil orLat o Yb.
図 4 A:梅 山 A(D16C ) と B(D161) の賦 料 の希 土顎 元 素 パ
ターン (㎞ e&y コy ド ラ イ ト (Maslda llal。 1973 )
で纜翕4 ヒ)゚。 B:海 山 C (DI韶 ) と X( D1芻 ) の賦 科 の
希土 覯元 素 パ タ ーy
Fig. 4 A: R●n ●srth element pataerDs QI Ull lailplaS of
ss molnl A (D1 恥 )and B CD161) normalized to
the Ludey chollrite( Mu uda S aJ。 1973). B:
RIrt earth element palt erls cf the umpl sol
ls mslt C(D189 )u11X (DIS6 )。
0。75で あ る。
6.希土皷元素組虞による背弧海盆形成史
背弧洵盆拡大に伴って形成される玄民岩の希土類元素
パターンは鳥弧ソレフイトから背佩海盆玄武岩, そし
て,中 央海嶺玄武岩( N-MORB) の パターンへと変化
することが指摘されてきた。例えば,ラウ洵盆では。海
嶺輪忖近にN-MORB の海洋地般が存在するが,梅盆形
成初期に形成されたと考えられる曷弧個の地釐はマリフ
ナl ラフ玄武岩に類似した背弧海忿玄武岩から構成され
ており,それらは背弧淘盆形成初期段階から成為期に至
る火 成 活動 変遷 の・ 艨で あ ると 考え ら れてい る
(Hawkins and Melchor. llヨ5) 。
海嶺軸と鳥孤とが近接している北部マリアナトラフの
玄武岩は,(La/ yb)n比が1.4~2.5の翁希土に濃集した
パターンを示し(St・(ll●jal,19匐; 図4) ,龜弧火山岩
の芻徽である罵い ULE濃度及ぴLILyHFS比を持つ。
また,海嶺軸と鳥弧とが籬れている中細マリフナトラフ
においても(Lay yb)nが1.2~1.5で軽希土に富む北郡マ
りア ナトラフの岩石と同様のパ ターンが褥られている
(Bawkins ・Ssl。ISgO)。Stern et at. (199) は,構ja
的に去l疹熟な背弧海盆である北部マりアナトラフでは。
島弧と海鵬軸とが返接していることから,海嫁圸咎紀源
の'沈み込み成分'にMORB マ ン1 ルソースが汚染さ
れ,背弧海盆玄武岩のソースが生じると考えた。彼らは
きらに。青弧が成熟・拡大し,鳥弧からの距雛が離れる
に従い,汚染されていない MORB ソースからーマグマが
生じると主張している。
南部マリフナトラフの火山岩はー郎の火山岩が負のセ
jS
リ ウ 厶 冥 常 を 示 す も の の, N-MORB に 類 似 し た パ タ ー
ン を 示 し て い る。 ま た , 主 成 分 組 成 に お い て も , ’n ,P
な ど の い わ ゆ る HFS 元 素 が や や 乏 し く . K Iご も 乏 し
い 。 こ れ ら の 化 学 成 分 の 特 徽 は 北 都 ・中 部 マ 9 ア ナ }ラ
フ 玄 武 岩 とSj 明 ら か に 異 なり , 南 部 マ り7 ナ ト ラ フ の 海
鰹 火 山 岩 に は 地 般 成 分 か ら の 彫 響 はあ ま り 見 ら れ な い 。
南 部 マ リ ア ナ ト ラ フ は マ リ ア ナ 鳥 弧 の 火 山 府 繍 の 延 長 縫
上 に 位 康 す る が。 耄 土 類 元 素組 成 か ら は , 北 部 ・中 部 マ
リ ア ナ ト ラ フ よ り も成 熟 し た 背 弧 海 盆 で あ る こ と は 明 ら
か で あ る 。
一 方 , 本 研 究 で 分 听 し た 火 山 岩 試 料 の 一 郎 (DIS54
D189-1) に 腿 め ら れ る 負 の セ リ ウ ム 異 常 は, 北 部 ・中
郎 マ り ア ナ ト ラ フ や 伊 豆 弧 の 岩 石 に も 認 め ら れ る
(Hawki 齠 ●laj。 丁個O ; Stern lj al。 1990 ; White and
Patcllelt 1984) 。 こ れ ら の成 因 は い ま だ 明 ら か で は な
い 。 し か し, 海 洋 性 堆 植 勧 あ る い は 海 水 で 変 質 し た 火 山
岩 は 負 の セ り ウ ム 異 常 を 持 つ こ と か ら (L udden and
Thomp son,1 艀9 ), そ れ らが 沈 み 込 み 時 仁 脱 水 反 応 を
起 こ し 。 マ ン ト ル ウ , 。 ジ中 に 濟 体 相 を 付 加 し た結 果 生
じ る と い う議 笛 が な さ れ て い る ( 例 え ぱ ,While and
Patcbett, 1984 )。 爾 部 マ リ アナ ト ラ フ の 火 山 岩 に お い て
も , 海 溝 側 に 近 い 海 山 が よ りTi £ P に 乏 し い こ と , 負
の セ り ウ 亠 員 常 が毘 め ら れ る こ と か ら 沈 み 込 む 海 洋 地 殻
か ら の 影 ● が あ る か も し れ な い 。 し か し , 上 述 し た よ う
に 分 析 し た 多 く の 成 分 は地 差 勧 質 か ら の 影 響 が 少 な い こ
と を 示 し て お り 。 同 じ 岩 石 の 急 冷 ガ ラ ス中 の 硫 黄 同 位 体
比 に も 岫 殼 由 来 物 質 混 入 の 彫 ●| ま見 ら れ な い ( 益 田li
か , 本 S )。 負 の セ リ ウ ム冥 常 に つ い て は 。 今 後 さ ら に
検 討 す る 必 要 かあ る 。
7.ま と め
1)la°N 付近の南部マ・アナトラフの玄武岩~玄武
岩質安山岩はJHFS 元素とxに乏しい.Ti とF の濃度
は背弧側から馬弧側へと低くなる傾向が認められる。
2)分析したすべての岩石で,希土聚元素は貉希1 に
乏しいN-MORB に類似した・lター冫を示した。これま
でに報告されている北部・中綿マりフナトラフの玄武岩
は軽希土に窩む賣弧淘盆玄武岩の・fターンをi すことか
ら。 南部マり?ナ1ラフが北部や中部に比ぺて成為した
膏弧 淘盆であることか明らかにな。た。
3)DI腿-3,D18!卜| の試料に負のをりウム異常が認
められる。これらの岩石に轜,海犀地般起原物質の関与
の可能性があるが,原閃については今後さらに検討を加
える必嚮がある。
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謝 辞
試料採取にあたって「なつしま」の乗組員の方々と海
洋科学技術 センター潜航チームの方々にお世話になウ
た。海底地形図は「なつしま」船上で得られたマルチナ
ロービームのデータをもとに大阪市立大学理学郁升本真
二励教授に作成していただいた。 また,大阪市立大学理
学部の古山勝彦助教授には有益なご助言をいただいた。
g 卜の方々に深 く感謝いたします。
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