Protolith of metamorphic sole in the Oman ophiolite inferred from whole rock trace element abundances and Sr-Nd isotope ratios

オマーン・オフィオライトは、約9,500万年前に中央海嶺付近で海洋内スラスト運動（intra-oceanic thrusting）によって定置した、かつての海洋リソスフェアであると解釈されている。このテクトニック過程により、若く高温のリソスフェアが接触変成を受け、沈み込む海洋プレート上面に変成ソール（metamorphic sole）が形成され、角閃岩相から緑色片岩相の岩石が生じた。オマーン・オフィオライト北部のマントルセクションには、変成ソール由来の流体に助けられたフラックス融解（flux melting）に起因するとされる強い枯渇を示すかんらん岩（peridotite）が含まれるため、流体—マントル相互作用を制約するうえで、変成ソールの地球化学的特徴を理解することが重要である。そこで本研究は、全岩トレース元素の系統とSr–Nd同位体組成を用いて、変成ソールの原岩（protolith）を同定することに焦点を当てた。試料は、オマーン・オフィオライト北部のSumayni Windowに露出する変成ソールから採取し、その後の変成作用および脱水（dehydration）にもかかわらず、角閃岩および緑色片岩の元来の火成岩起源を明らかにすることを明確な目的とした。

Sumayni Windowの調査ルート全体にわたり、変成ソールはマントル境界から離れる方向に、Gar-Cpx amphibolite、Cpx amphibolite、Ep amphibolite、greenschist（またはquartzite）、chertへと岩相が推移し、marbleは局所的にブロックとして産する。地球化学的判別図は、角閃岩が複数のマグマタイプにまたがることを示す。Ta–Hf–Th図では、角閃岩はN-MORB、E-MORB、およびoceanic island basalt（OIB）からalkali basaltに相当する領域に入り、マントル境界に最も近い角閃岩はN-MORB的親和性を示す傾向がある。Nb–Zr–Y図でも、角閃岩はN-MORBおよびE-MORBの領域に分布し、さらにwithin-plate tholeiiteおよびvolcanic arc basaltの領域へも広がる。希土類元素（REE）パターン（CI-chondrite-normalized）は3タイプを定義する。Ash Shiyahの角閃岩はN-MORB様またはE-MORB様のパターンを示し、複数地点（Ash ShiyahおよびWadi Sumayniを含む）では、マントル境界近傍の岩石はN-MORB様となり、境界からの距離が増すにつれてE-MORB様が強まる傾向がある。緑色片岩はLREEが強く濃集しており、OIBのシグネチャに類似する。Sr–Nd同位体も原岩の多様性を示唆する。角閃岩と緑色片岩1試料はオマーン・オフィオライト地殻岩と異なり、96 MaにおけるεSrが+10〜+30で海水に汚染された海洋地殻と整合し、εNdは+1〜+8で、典型的なオマーン・オフィオライトの値より低い。εNdの変動は、混合した原岩起源（N-MORB、E-MORB、OIB）を反映すると解釈され、εNdとLa/Ybの負の相関によって支持される。

著者らは、Sumayni Windowの3つのルートに沿って採取した変成ソール試料に対し、全岩の地球化学分析および同位体分析を行った。試料の岩相には、鉱物組合せの異なる角閃岩（例：Gar-Cpx amphibolite、Cpx amphibolite、Ep amphibolite）および緑色片岩が含まれ、野外観察により、マントルセクションとの境界からの距離に応じた系統的な岩相変化が記録された。原岩タイプの成因的判別のため、確立されたトレース元素判別図、具体的にはTa–Hf–ThおよびNb–Zr–Yプロットを用い、角閃岩の組成をN-MORB、E-MORB、within-plate tholeiite、volcanic arc basalt、OIB/alkali basaltなどの典型的玄武岩領域と比較した。加えて、CI-chondrite-normalizedのREEパターンを用いて組成グループを分類し、マントル境界に対する空間的傾向を追跡した。さらに、起源特性と重複改変過程（overprinting processes）をより厳密に制約するため、SrおよびNdの同位体比を測定し、εSr（96 Maで計算）およびεNdとして表現した。これらの同位体データは、オマーン・オフィオライト地殻の値と比較され、海水変質および原岩の不均質性との関連で解釈された。著者らはまた、同位体指標とトレース元素比（とくにLa/Yb）との関係を検討し、同位体変動が異なる原岩親和性と整合するかを評価した。

本研究は、変成ソール形成に伴う接触変成および脱水があっても、高電荷密度（HFS）元素とREEが原岩情報を概ね保持していると結論づける。これに基づき、Sumayni Windowの変成ソールの原岩は不均質であり、N-MORB、E-MORB、OIBの要素を含むと推定される。全体としてはE-MORBシグネチャが卓越し、N-MORBはマントルセクションとの境界近傍に一部出現すると記述される。Wadi Sumayniでは、原岩タイプの見かけの鉛直方向変化が推定され、最下部の層準の緑色片岩と角閃岩は元来OIBであったと解釈される一方、上位の層準はマントル境界に近づくにつれてE-MORBからN-MORBへと移行する傾向を示す。Sr同位体組成（96 MaにおけるεSr = +10〜+30）は、変質した海洋地殻に典型的な海水の影響を示すものとされ、オマーン・オフィオライト地殻に比べて低いεNd値（+1〜+8）は、MORB–OIB原岩の寄与が変化することと整合的な、異なる起源および／または混合史を支持する。これらの結果は、オブダクション（obduction）に関連する過程の間に上位マントルへ流体を供給した可能性のある岩石の性質について地球化学的制約を与え、オマーン・オフィオライト北部におけるマントル枯渇機構の解釈に情報を提供する点で重要である。

オマーン・オフィオライト(海のプレートの一部が大陸側にのし上がって陸上に露出した岩石の集まりです。海洋地殻や上部マントルの岩石が地上で観察できるため、海の下の構造を知る重要な手がかりになります。)は、約9,500万年前に海の中央海嶺(海の真ん中にある長い山脈状の場所で、新しい海洋プレートが作られる所です。ここで生まれた玄武岩質の地殻が海底を広げます。)の近くで、海の中で起きた押し合い（海洋内スラスト運動(海の中で海洋プレート同士が押し合い、一方がもう一方の上に乗り上げるような運動です。オフィオライトが陸にのるきっかけになることがあります。)）によって陸側にのし上がる形でできた、「昔の海のプレート（海洋リソスフェア(海洋プレートのうち、地殻とその下の硬いマントル上部を合わせた「かたい外側の層」です。プレート運動の主体で、海嶺で作られ沈み込み帯で消費されます。)）」だと考えられています。
このとき、まだ新しくて高温だった海洋リソスフェアが強い熱の影響を受ける（接触変成(高温の岩体や高温の環境に近づいたことで、周囲の岩石が熱の影響を強く受けて別の岩石に変わる現象です。変成ソール形成の主要な要因の一つです。)）ことで、沈み込む海洋プレートの上面に「変成ソール(オフィオライトのマントル部分のすぐ下にできる、薄い変成岩の帯です。押し合いのときの熱と圧力で作られ、流体の供給源にもなり得ます。)」と呼ばれる変成岩の層ができ、角閃岩(高温高圧寄りの変成条件でできやすい変成岩で、角閃石などを多く含みます。変成ソールの中でも比較的高い変成度を示します。)相から緑色片岩(角閃岩より低温側の変成条件でできやすい変成岩で、緑色の鉱物（緑泥石など）が特徴です。原岩の化学的特徴を残していることがあります。)相までの岩石が作られました。

オマーン・オフィオライト北部のマントル部分には、とても成分が抜けた（枯渇(岩石が部分的に溶けた結果、溶けやすい成分がマグマ側へ移動し、残った岩石が特定の成分に乏しくなることです。マントルの履歴を示す重要な性質です。)した）かんらん岩(上部マントルを代表する岩石で、かんらん石などを多く含みます。成分の抜け方（枯渇度）から、過去の融解や流体の影響を読み取れます。)が見られます。これは、変成ソールから出た水などの流体が関わり、マントルが溶けやすくなる「フラックス融解(水などの流体が加わることで、岩石の融点が下がり、溶けやすくなる融解の仕組みです。マントルが部分的に溶ける原因として重要です。)」が起きた結果だと考えられています。だから、流体とマントルがどう反応したのかを理解するために、変成ソールの化学的な特徴を調べることが重要です。
そこでこの研究では、岩石に含まれる微量成分（トレース元素(岩石中にごく少量しか含まれない元素の総称です。少量でもマグマの起源や変化の情報をよく表すため、原岩推定に役立ちます。)）や、SrとNdの同位体(同じ元素でも中性子数が違う原子の種類です。SrやNdなどの同位体比は、マグマの起源や海水の影響などを見分ける指標になります。)の情報を使って、変成ソールがもともとどんな火成岩だったのか（原岩(変成作用を受ける前の元の岩石のことです。変成岩を調べるとき、原岩が何だったかを知ることが成因理解の中心になります。)）を明らかにすることを目的にしました。

Sumayni Windowという場所で、変成ソール(オフィオライトのマントル部分のすぐ下にできる、薄い変成岩の帯です。押し合いのときの熱と圧力で作られ、流体の供給源にもなり得ます。)の岩石はマントルとの境界から離れるにつれて、Gar Cpx角閃岩(高温高圧寄りの変成条件でできやすい変成岩で、角閃石などを多く含みます。変成ソールの中でも比較的高い変成度を示します。)、Cpx角閃岩、Ep角閃岩、緑色片岩(角閃岩より低温側の変成条件でできやすい変成岩で、緑色の鉱物（緑泥石など）が特徴です。原岩の化学的特徴を残していることがあります。)（または石英岩）、チャートへと順番に岩相が変化しました。大理石は一部でブロック状に見つかりました。

地球化学的な判別図(元素の組み合わせをグラフにして、岩石やマグマがどのような環境でできたかを推定する方法です。N MORBやOIBなどとの比較に使います。)の結果から、角閃岩のもとのマグマのタイプは1つではなく、複数あることが分かりました。角閃岩はN MORB(海嶺でできる玄武岩のうち、比較的「普通の」組成をもつタイプです。マントルの標準的な成分を反映しやすいとされます。)、E MORB(海嶺玄武岩のうち、微量元素が多めで「豊かな」特徴をもつタイプです。N MORBよりも別の成分が加わった可能性を示します。)、OIB(海洋島で噴出する玄武岩タイプで、海嶺とは異なるマントル成分を反映することが多いです。緑色片岩の特徴がOIBに似る点が重要です。)からアルカリ玄武岩に近い範囲まで広く分布し、とくにマントル境界に近い角閃岩ほどN MORBに近い傾向がありました。別の判別図でも、N MORBやE MORBだけでなく、プレート内部の玄武岩や火山弧の玄武岩に近い領域にも広がりました。

希土類元素(周期表で近い性質をもつ元素のグループで、マグマの起源や融解の程度を調べるのに特に有効です。パターン比較で原岩推定に使われます。)のパターンは3タイプに分けられ、いくつかの地点では、マントル境界の近くはN MORBっぽく、境界から離れるほどE MORBっぽさが強くなる傾向が見られました。緑色片岩は軽い希土類元素が特に多く、OIBに似た特徴を示しました。

Sr Nd同位体(同じ元素でも中性子数が違う原子の種類です。SrやNdなどの同位体比は、マグマの起源や海水の影響などを見分ける指標になります。)の結果も、原岩(変成作用を受ける前の元の岩石のことです。変成岩を調べるとき、原岩が何だったかを知ることが成因理解の中心になります。)が多様であることを示しました。角閃岩と緑色片岩の一部は、オマーン・オフィオライト(海のプレートの一部が大陸側にのし上がって陸上に露出した岩石の集まりです。海洋地殻や上部マントルの岩石が地上で観察できるため、海の下の構造を知る重要な手がかりになります。)の地殻岩とは違う値を示し、約9600万年前のεSr(Sr同位体比が基準に対してどれだけずれているかを表す値です。海水の影響を受けた海洋地殻では特徴的な値になりやすいです。)が+10〜+30で、海水の影響を受けた海洋地殻と合う特徴でした。またεNd(Nd同位体比のずれを表す値で、マントル由来の成分か、別の起源の混合があるかを判断するのに役立ちます。)は+1〜+8で、典型的なオマーン・オフィオライトより低めでした。εNdのばらつきは、N MORB E MORB OIBが混ざったような原岩の違いを反映していると解釈され、εNdとLa Yb比(ランタンとイッテルビウムの比で、希土類元素の偏りを表します。原岩の違いや混合の影響を見分ける指標になります。)の関係からも支持されました。

研究者たちは、Sumayni Windowの3つのルートに沿って変成ソール(オフィオライトのマントル部分のすぐ下にできる、薄い変成岩の帯です。押し合いのときの熱と圧力で作られ、流体の供給源にもなり得ます。)の試料を採取し、岩石全体のトレース元素(岩石中にごく少量しか含まれない元素の総称です。少量でもマグマの起源や変化の情報をよく表すため、原岩推定に役立ちます。)分析とSr Nd同位体(同じ元素でも中性子数が違う原子の種類です。SrやNdなどの同位体比は、マグマの起源や海水の影響などを見分ける指標になります。)分析を行いました。試料には鉱物の組み合わせが異なる複数タイプの角閃岩(高温高圧寄りの変成条件でできやすい変成岩で、角閃石などを多く含みます。変成ソールの中でも比較的高い変成度を示します。)や緑色片岩(角閃岩より低温側の変成条件でできやすい変成岩で、緑色の鉱物（緑泥石など）が特徴です。原岩の化学的特徴を残していることがあります。)が含まれ、野外観察によってマントル境界からの距離に応じた岩相の変化も記録しました。

原岩(変成作用を受ける前の元の岩石のことです。変成岩を調べるとき、原岩が何だったかを知ることが成因理解の中心になります。)のタイプを推定するために、Ta Hf Th図やNb Zr Y図といった判別図(元素の組み合わせをグラフにして、岩石やマグマがどのような環境でできたかを推定する方法です。N MORBやOIBなどとの比較に使います。)を使い、角閃岩の組成をN MORB(海嶺でできる玄武岩のうち、比較的「普通の」組成をもつタイプです。マントルの標準的な成分を反映しやすいとされます。) E MORB(海嶺玄武岩のうち、微量元素が多めで「豊かな」特徴をもつタイプです。N MORBよりも別の成分が加わった可能性を示します。) OIB(海洋島で噴出する玄武岩タイプで、海嶺とは異なるマントル成分を反映することが多いです。緑色片岩の特徴がOIBに似る点が重要です。)などの代表的な玄武岩タイプと比べました。さらに、希土類元素(周期表で近い性質をもつ元素のグループで、マグマの起源や融解の程度を調べるのに特に有効です。パターン比較で原岩推定に使われます。)パターンを標準化して比較し、場所による変化も調べました。加えて、変成作用などで後から変わった影響を考えながら、Sr Nd同位体比(ストロンチウムとネオジムの同位体の比のことで、岩石がどんな物質から来たか、外部（海水など）の影響を受けたかを調べるのに使います。)を測定し、εSr(Sr同位体比が基準に対してどれだけずれているかを表す値です。海水の影響を受けた海洋地殻では特徴的な値になりやすいです。)とεNd(Nd同位体比のずれを表す値で、マントル由来の成分か、別の起源の混合があるかを判断するのに役立ちます。)として整理し、トレース元素比（特にLa Yb）との関係も検討しました。

この研究は、変成ソール(オフィオライトのマントル部分のすぐ下にできる、薄い変成岩の帯です。押し合いのときの熱と圧力で作られ、流体の供給源にもなり得ます。)が作られるときに強い熱の影響や脱水(変成作用の進行中に、鉱物から水が抜けて流体として放出される現象です。この流体が周囲の岩石の反応や融解に影響します。)があっても、HFS元素(電荷が大きくイオン半径が小さいタイプの元素で、変成作用で動きにくい性質があります。そのため原岩の情報を残しやすい重要な指標です。)や希土類元素(周期表で近い性質をもつ元素のグループで、マグマの起源や融解の程度を調べるのに特に有効です。パターン比較で原岩推定に使われます。)は、もともとの岩石の情報をかなり保っていると結論づけました。その結果、Sumayni Windowの変成ソールの原岩(変成作用を受ける前の元の岩石のことです。変成岩を調べるとき、原岩が何だったかを知ることが成因理解の中心になります。)は一様ではなく、N MORB(海嶺でできる玄武岩のうち、比較的「普通の」組成をもつタイプです。マントルの標準的な成分を反映しやすいとされます。) E MORB(海嶺玄武岩のうち、微量元素が多めで「豊かな」特徴をもつタイプです。N MORBよりも別の成分が加わった可能性を示します。) OIB(海洋島で噴出する玄武岩タイプで、海嶺とは異なるマントル成分を反映することが多いです。緑色片岩の特徴がOIBに似る点が重要です。)の要素が混ざる不均質なものだと推定されました。全体としてはE MORBが多く、N MORBはマントル境界の近くに一部見られる、という特徴があります。

Wadi Sumayniでは、見かけ上、下の層ほどOIB起源、上に行きマントル境界に近づくほどE MORBからN MORBへ移るような変化が推定されました。Sr同位体(同じ元素でも中性子数が違う原子の種類です。SrやNdなどの同位体比は、マグマの起源や海水の影響などを見分ける指標になります。)が海水の影響を示し、Nd同位体がMORBやOIBの混合の違いを示すことから、原岩の起源や混合の歴史が場所によって異なることが支持されます。
これらの結果は、オフィオライト(海のプレートの一部が大陸側にのし上がって陸上に露出した岩石の集まりです。海洋地殻や上部マントルの岩石が地上で観察できるため、海の下の構造を知る重要な手がかりになります。)がのし上がる過程（オブダクション(海洋プレートが沈み込むのではなく、逆に大陸側へ乗り上げて陸上に出る過程です。オフィオライトが陸上に残る重要な仕組みです。)）で、どんな岩石がマントルへ流体を供給しえたのかを化学的にしぼりこむ手がかりになり、北部オマーンでマントルが強く枯渇(岩石が部分的に溶けた結果、溶けやすい成分がマグマ側へ移動し、残った岩石が特定の成分に乏しくなることです。マントルの履歴を示す重要な性質です。)した理由の理解にも役立ちます。