世界最大の火山はどのようにして形成されたのでしょうか?中国の科学者が海底火山の形成に関する新たなモデルを提案！

最近、中国科学院南シナ海海洋研究所の張金昌研究員と国際協力チームは、地球上で最大の単一火山である大木大火山の形成メカニズムの研究で新たな大きな進歩を遂げ、マントルプルームと中央海嶺の相互作用がこの海底火山の形成の新たなモデルであることを明らかにした。 2023年X月X日に、その成果は世界トップクラスの学術誌「Nature Geoscience」に掲載されました。

タム山塊は、日本から東に約1,000キロ離れたシャツキー海嶺地域に位置する、西太平洋の海底にある休火山です。その面積は広東省と広西チワン族自治区を合わせた面積に相当し、シャツキー高原全体の60％以上を占めています。シャツキー海台は、太平洋のオントンジャワ海台とインド洋のケルゲレン海台に次いで世界で3番目に大きい海洋高原です。どちらも典型的な海洋の大規模火成岩地域、つまり超巨大火山噴火地域です。

▲世界三大海底台地の分布（研究チーム提供写真）

タムン火山とシャツキー山台の形成メカニズムについては科学界で論争が続いている。主な見解は2つある。(1)マントルプルームモデルでは、大規模なマグマ活動はマントル深部から発生した高温のマントルプルームが地表に上昇することで引き起こされるというものである。 （２）プレートモデルでは、大規模なマグマ活動は、中央海嶺のような海底拡大を背景として、異常に溶融しやすい上部マントルの減圧溶融によって引き起こされ、明らかな温度異常は必要ないと考えられている。

前世紀以来、私たちの先人たちはシャツキー海嶺で海洋科学探検を実施し、豊富な地球物理学的探査と岩石サンプルのデータを蓄積してきました。学術界も、マントルプルームモデルやプレートモデルを裏付ける科学的証拠を絶えず探し、その形成メカニズムに関する議論を解決しようとしています。

タム・ラージの発見は2013年9月に発表された。張金昌氏と彼のチームは地震探知と海洋掘削データを分析し、盾状のタム・ラージは地球上で最大の単独火山であり、ハワイのマウナ・ロア火山を上回るだけでなく、火星のオリンポス山にも匹敵すると指摘した。さらに、火山の洪水玄武岩の構造は、マントルプルーム噴火超巨大火山のモデルと一致しています。その後、彼らのチームは再び海に出向き、タム火山の詳細な地磁気測定を実施した。 2019年に地磁気データの分析により、タム火山の内部には縞状の磁気異常特性があることが明らかになりました。これは、海底拡大によって形成された中央海嶺の地磁気特性と一致し、プレートモデルとも一致しています。これら2つの結果は、それぞれ2013年と2019年にNature Geoscience誌に掲載されました。

▲タム火山の海底地形図（研究チーム提供）

しかし不可解なのは、マントルプルームモデルとプレートテクトニクスモデルの両方が前述の重要な証拠によって裏付けられているにもかかわらず、両者を区別することが難しいことです。言い換えれば、どちらのモデルもタム火山の起源の問題を単独で解決することはできない。したがって、既存の観察結果をより適切に説明するための代替モデルを確立することが急務です。

そこで、張金昌氏と彼のチームは、熱力学と化学を組み合わせた数値シミュレーション法を使用して、タム火山の形成メカニズムの2つのテストモデルを確立しました。1つは単一の海底拡大モデルであり、2つ目はマントルプルームと中央海嶺の相互作用モデルです。シミュレーションの結果、海底拡大のみに必要なマントル潜在温度は、全球中央海嶺システムの平均マントル潜在温度よりもはるかに高いことが示されており、これは不合理である。一方、マントルプルームと中央海嶺相互作用モデルによって推定される潜在的なマントル温度は中程度で、より合理的です。さらに、マントルプルームと中央海嶺相互作用モデルによって推定されたマントルの融解の程度は、地球化学元素に基づくこれまでの推定と一致しています。したがって、マントルプルームと中央海嶺の相互作用がタム火山の形成の最も合理的なモデルであると結論付けられます。

▲海底台地の形成メカニズム（研究チーム提供写真）

張金昌氏は次のように付け加えた。「マントルプルームと中央海嶺の相互作用のモデルは『1+1=2』効果に似ていますが、マントルプルームはどのようにして中央海嶺に『加わる』のでしょうか。これには、マントルプルームが中央海嶺の遷移を引き起こす動的プロセスが関係している可能性がありますが、これについては、まだ詳細な研究が不足しています。」

タム火山の研究は、世界中の海洋超巨大火山の形成と進化についての洞察も提供します。ますます多くの研究により、海洋の超巨大火山は、前述のオントンジャワ海台やケルゲレン海台などの中央海嶺上またはその付近で広く発達していることが明らかになっています。これは、多くの海底高原と中央海嶺の間に強いつながりがあることを意味します。では、マントルプルームと中央海嶺の相互作用は、地球全体の海底台地の形成に必要な条件なのでしょうか、それともタムラージは単なる特別なケースなのでしょうか?この世界的かつ普遍的な問題は、将来さらなる研究によって解決される必要があります。

さらに、以前万向日報とのインタビューで、研究員の張金昌氏は「海底火山にはどんな種類があるのか​​」「海底火山はなぜ海水で消えないのか」「私たち人類にとって海底火山の研究の重要性は何か」「海底火山の噴火は私たちからどれくらい離れているのか」といった質問にも答えている。以下はインタビュー原文です。

海底火山と陸上火山ではどちらがより危険ですか?

海底火山と陸上の火山の位置は異なります。海底火山は海にある火山です。地球の表面の30%は陸地で、70%は海です。この比率によれば、陸上よりも海中に火山が多く存在するはずです。

地質学的には、陸上の火山は大陸地殻、つまり大陸の地殻に位置し、海洋の火山は海洋地殻に位置します。大陸の地殻は比較的厚く、比​​較的固く、安定しています。海洋の地殻は比較的薄く、より活発です。この観点から見ると、海中の火山は噴火する可能性が高くなります。

災害の面では、陸上には多くの都市があり、それらは非常に発展しており、人口も比較的密集しています。陸上で火山が噴火した場合、経済、社会、個人の安全、財産の安全に対する災害は間違いなくより深刻になります。

海底火山にはどんな種類がありますか？

海底火山は、その地殻構造上の位置によって、おおよそ 3 つのタイプに分けられます。地球表面の固体層（プレート）はアセノスフェア上に浮かんでおり、移動可能であり、つまり地球のプレート間で動きがあります。そのうち、2種類の火山はプレートの境界に形成されます。

最初のタイプは、プレートの成長境界で形成される海嶺火山です。プレートが膨張すると、中央海嶺で火山が噴火し、数千キロメートルに及ぶ海底山脈が形成されます。

2 番目のタイプは島弧火山と呼ばれ、プレートの死の境界で形成されます。プレートは下方に沈み込み、水、炭素を含む海洋堆積物、岩石を地球の深部へと運びます。温度と圧力が徐々に高まると、岩石は溶けてマグマが海底に噴出します。

ホットスポット火山と呼ばれる別のタイプの火山があり、これはプレートの境界ではなくプレートの内部で発生します。ホットスポットとは、家庭のガスコンロの火源のように、地球内部に高温物質が集中している場所のことです。地球内部に火源があり、地球の表面が固体のプレートであると仮定すると、火源はプレート全体が焼き尽くされるまで上部のプレートを焼き続け、プレート内部からマグマが噴出します。

海底火山はなぜ海水によって消滅しないのでしょうか？

誰もが見落としがちな最初の点は、火山噴火による高温高圧のマグマが海水の圧力を突き破って海底に噴出する可能性があるということです。

2点目は、高温高圧のマグマの源は地中深くにあり、海水が入り込めないということです。火山の源を消すことはできませんが、噴出したマグマを消すことしかできません。古いマグマは海水によって消滅し、新しいマグマが再び噴火するため、海水は海底火山を根本的に消滅させることはできません。

海底火山の噴火は私たちからどれくらい離れているのでしょうか?

多くの人々は、これほど多くの海底火山が我が国に与える影響について懸念しています。実際、我が国とその周辺地域の海底火山は、主に第一列島線、つまり日本から台湾、中国、そしてフィリピンにかけて分布しています。第一列島列島の火山はすべて島弧火山です。島弧火山が多く、その勢力は比較的強い。噴火の影響は比較的大きいのですが、幸いなことに我が国からは比較的遠いところにあります。

我が国にもう少し近いところ、我が国の大陸棚には海底火山が点在しています。例えば、我が国の海南島や雷州地域、そして近隣諸国のベトナムや韓国では、いずれも大陸棚に火山が点在しています。これらは基本的にホットスポット火山です。ホットスポット火山は多くなく、その影響は第1列島の火山に比べて比較的小さい。

私たちが住んでいる広東省・香港・マカオ大湾区に特に目を向けると、海底火山災害からは比較的安全であるため、私たちはさらに幸運です。

海底火山が人類にとってどれほど重要であるかの研究

火山の噴火は地球内部から地球表面に物質とエネルギーを輸送するプロセスであるため、さまざまな種類の火山を研究することは、プレート運動、マントル対流、地球全体の進化の歴史など、地球の内部の活動法則を理解するための重要な指針となります。

科学技術の急速な発展により、海底地震計、水中聴音器、海底光ファイバー、深海曳航測定装置、火山監視に役立つブイやアンカーなど、海底火山や関連する海洋環境の変化を監視するために使用できるハイテクツールが現在数多くあります。さらに、潜水艇「蒋龍」、「粉豆鉄」、「深海戦士」などの非常に詳細な現場測定も可能です。我が国も海底観測網を構築しており、海底から海面まで長期的、継続的、リアルタイム、その場の総合的な観測が可能な観測システムを我が国の海域に配備します。

体系的な観測ネットワークがあれば、火山の形成メカニズムや環境変化をより深く理解し、リスク評価を実施し、防災や減災のための優れた理論的根拠と技術的サポートを提供することができます。

張金昌 |タム火山の発見者の一人、中国科学院南シナ海海洋研究所の研究員

広東省自然科学財団優秀青少年プロジェクト受賞。近年、国家、省、省庁、国際レベルで10件以上の科学研究プロジェクトに携わり、西太平洋海底火山調査航海の共同主任科学者を務めた。 「地球上で最大の単一火山」であるタム山塊に関する研究成果は、ネイチャー誌の今年のトップ10科学ニュースに選ばれ、広東省の優れた基礎研究成果の集大成となった。