Geochemical relationships of basalts and andesites from the Kuan-Yin Mt. at NW Taiwan

台湾北部は、琉球弧（Ryukyu arc）と北ルソン弧（North Luzon arc）が交差するテクトニクス上の結節点である。これらの海洋弧の一般的な岩石成因（petrogenesis）については先行研究で議論されてきた一方で、著者らは、個々の火山を構成する溶岩どうしの詳細な地球化学的関係が十分に制約されていないと主張する。本研究は琉球弧の西端に位置する観音山（Kuan-Yin Mt.）に焦点を当て、同火山の玄武岩質から安山岩質に至る溶岩の間に、岩石成因上のつながり（あるいはつながりがないこと）があるのかを明らかにすることを目的とする。このため著者らは、比較的多数の試料について主要元素・微量元素および放射成因（radiogenic）同位体組成を分析する。中心的な目的は、観音山の異なる溶岩タイプが、分別結晶作用（fractional crystallization）やマグマ混合（magma mixing）といった単純な過程で説明できるのか、あるいは異なるマントル起源（mantle sources）に由来する複数の異なる親マグマ（parental magmas）を必要とするのかを判定することである。

観音山の火山噴出物は、含まれる鉱物に基づき、pyroxene andesites（PA）、two pyroxene andesites（TPA）、hyperthene-hornblende andesites（HHA）に区分され、それぞれ噴出年代は 0.53、0.43、0.34 Ma と若くなる。最も新しい olivine basalts（OB；0.2 Ma）は、観音山の南東部にある小規模なスコリア丘（cinder cone）を形成する。全試料で Nb、Ta、Ti の欠乏が見られ、弧（arc）溶岩に特徴的な地球化学的シグネチャと整合する。主要元素の系統性では、OB–PA–TPA–HHA の系列に沿って MgO が減少するにつれて CaO は減少し、Al2O3 は増加する。著者らはこれを、斜長石（plagioclase）の分別を伴わない単斜輝石（clinopyroxene）の分別結晶作用と整合的だと解釈する。しかし、同じ MgO における比較では、PA は TPA よりも全鉄、TiO2、P2O5 がわずかに高く、SiO2 が低いことから、単一の分別結晶作用トレンドだけでは説明しにくい差異が示される。微量元素の関係が重要な制約を与える。La–Nd 空間では、4群は互いにほぼ平行な正のトレンドを示し、Nd が同程度の条件で La は OB から PA、TPA、HHA へと増加する。同様のパターンは La–MREE および La–HREE のプロットでも見られる。同位体では、143Nd/144Nd と 176Hf/177Hf は群間で概ね重なる一方、PA は他の群より Sr/Sr が低い。これらの変動を総合して著者らは、4つの溶岩群が分別結晶作用によって（またマグマ混合によっても）導かれたという解釈に否定的であり、代わりに、異なるマントル起源に由来する別個の親マグマを支持すると論じている。

本研究では、岩石成因の制約を明確な目的として、観音山の溶岩試料 45 点について主要元素・微量元素組成および Sr、Nd、Hf の同位体比を分析する。試料分類は岩石記載／鉱物組合せ（petrography/mineral assemblages）に基づき、OB、PA、TPA、HHA の4群を得る。著者らはこれらの区分を、利用可能な噴出年代（PA、TPA、HHA、OB に対してそれぞれ 0.53、0.43、0.34、0.2 Ma）と統合し、時間変化および噴出中心間（南東部の OB スコリア丘を含む）での地球化学的差異を位置づける。解釈は、(i) 多元素挙動における弧に特徴的なシグネチャ（Nb–Ta–Ti 欠乏）、(ii) MgO に対する主要元素変動から分別相を推定すること（とくに単斜輝石、および報告されたトレンドにおいて斜長石分別の証拠がない点）、(iii) 微量元素の共変動（例：La と Nd、La と MREE および HREE）により、各群が共通の分化線（differentiation line）に沿うかどうかを検証すること、に依拠する。次いで放射成因同位体（Sr、Nd、Hf）を用い、組成差が単一の親マグマからの分化よりも、異なるマントル起源を反映する方が妥当かを評価する。

著者らは、観音山の玄武岩質および安山岩質溶岩は、単一の親マグマが分別結晶作用によって進化した産物としては説明できず、また関連するマグマ間のマグマ混合の結果としても説明できないと結論づける。代わりに、OB、PA、TPA、HHA は、異なるマントル起源に由来する異なる親マグマの産物であると推定する。この結論は主として、群間で見られる互いにほぼ平行な微量元素トレンド（とくに Nd が同程度での La の系統的なオフセット、および MREE・HREE を含む同様のオフセット）と、同位体の違い、すなわち 143Nd/144Nd と 176Hf/177Hf が概ね重なるにもかかわらず PA の Sr/Sr が他群より低いことによって支持される。本研究の意義は、台湾北部の重要な arc–arc 結節点において、火山体スケールの地球化学的制約を提示し、単一の火山体内であっても観測される組成多様性を説明するには、複数のマントル由来マグマバッチが必要となりうることを強調した点にある。

本論文は、結論の含意を超えて、今後の研究や明示的な研究展望について有意な議論を行っていない。

台湾北部は、琉球弧(沖縄などに沿って並ぶ火山や島の帯のことで、海のプレートが沈み込むことで火山活動が起こりやすい地域です。どんなマグマができるかを考える土台になります。)と北ルソン弧(フィリピン北部付近にある火山や島の帯で、琉球弧と同じく沈み込みに関係してできます。台湾北部ではこの弧と琉球弧が近くで関わります。)という2つの「火山島の並び（弧(海のプレートが沈み込む場所に沿って、火山や島が弓なりに並ぶ地域のことです。弧の溶岩には共通した化学的特徴が出やすいです。)）」が交わる、とても重要な場所です。これまで弧の火山岩がどうやってできるかは大まかに研究されてきましたが、1つの火山の中にあるいろいろな溶岩どうしが、細かく見て本当に同じつながりをもっているのかは、はっきりしていませんでした。
そこでこの研究では、琉球弧の西端にある観音山（Kuan-Yin Mt.）に注目し、玄武岩(比較的MgやFeが多く、SiO2が少ない火山岩で、マントル由来のマグマに近いことが多いです。安山岩との関係を調べることで成因が分かります。)から安山岩(玄武岩よりSiO2が多く、中間的な性質をもつ火山岩です。火山弧でよく見られ、分化の進み具合を考える材料になります。)までの溶岩が、同じマグマから連続的に変化してできたものなのか、それとも最初から別々のマグマが関わっているのかを調べました。そのために、多くの試料について主要元素(岩石の中に多く含まれる元素成分（Si、Al、Fe、Mg、Caなど）で、マグマの性質や結晶分化の流れを大まかに示します。)・微量元素(量は少ないが、マグマの起源や変化に敏感に反応する元素です。親マグマが同じか違うかを見分けるのに役立ちます。)・同位体の割合を測り、分別結晶作用(マグマが冷えて結晶ができ、それが分かれて取り除かれることで、残ったマグマの成分が変わっていく過程です。溶岩の成分変化を説明する代表的な仕組みです。)やマグマ混合(性質の違うマグマどうしが混ざることです。成分が中間的になったりばらついたりする原因として考えられます。)だけで説明できるか、または複数の「親マグマ(分別結晶作用などで変化する前の「出発点となるマグマ」のことです。親マグマが複数あるなら、溶岩の違いを1本の変化では説明できません。)」が必要かを判断しようとしました。

観音山の溶岩は、入っている鉱物の種類にもとづいて、PA、TPA、HHAの3タイプに分けられました。噴出した年代は古い順に0.53、0.43、0.34Maです。さらに最も新しいOB（0.2Ma）は、観音山の南東部で小さなスコリア丘(火山の噴火で飛び散った軽石状の岩片（スコリア）が積もってできる小さな丘です。新しい噴火の場所や活動の特徴を示します。)を作っています。
すべての試料でNb、Ta、Tiが少ない特徴が見られ、これは弧(海のプレートが沈み込む場所に沿って、火山や島が弓なりに並ぶ地域のことです。弧の溶岩には共通した化学的特徴が出やすいです。)の火山の溶岩によくある特徴と合っています。主要元素(岩石の中に多く含まれる元素成分（Si、Al、Fe、Mg、Caなど）で、マグマの性質や結晶分化の流れを大まかに示します。)の変化を見ると、OB→PA→TPA→HHAの順でMgO(マグネシウムを含む主要成分で、一般にMgOが高いほど「できたばかりで未分化なマグマ」に近いと考えられます。分化の進み具合を比べる基準になります。)が減るにつれてCaOが減り、Al2O3が増えました。研究者はこれを「斜長石(火山岩によく含まれる鉱物で、分別結晶作用で早い段階から晶出することがあります。分別したかどうかで主要元素の変化パターンが変わります。)はあまり分かれず、単斜輝石(マグマから結晶として分かれやすい鉱物の1つで、分別結晶作用の中心的な役割を担うことがあります。本研究ではこの鉱物の分別が重要だと考えられました。)が主に分かれる分別結晶作用(マグマが冷えて結晶ができ、それが分かれて取り除かれることで、残ったマグマの成分が変わっていく過程です。溶岩の成分変化を説明する代表的な仕組みです。)」と合う結果だと考えました。
しかし、同じMgO量で比べると、PAはTPAより鉄やTiO2、P2O5が少し多く、SiO2が少し少ないなど、単純に1本の分別結晶作用の流れだけでは説明しにくい違いもありました。
さらに微量元素(量は少ないが、マグマの起源や変化に敏感に反応する元素です。親マグマが同じか違うかを見分けるのに役立ちます。)では、LaとNdの関係などで、4つのグループが「ほぼ平行な増え方」を示し、Ndが同程度でもLaがOB→PA→TPA→HHAの順に増えるような、系統的なずれが見えました。同じようなずれはLaとMREE(希土類元素のうち中間的な重さのグループのことです。微量元素のパターンからマグマの起源や過程を考えるのに使います。)、LaとHREE(希土類元素のうち重いグループのことです。マントルの条件や鉱物の影響を受けやすく、起源の違いを見分ける助けになります。)の関係でも見られました。同位体では、NdとHfはグループ間でだいたい重なる一方、PAのSr同位体比(同じ元素でも重さが違う原子（同位体）の割合を数値で表したものです。材料の起源が同じかどうかを判断するのに使います。)は他より低い特徴がありました。これらをまとめて、研究者は「同じマグマが変化してできた」というより、「別々の親マグマ(分別結晶作用などで変化する前の「出発点となるマグマ」のことです。親マグマが複数あるなら、溶岩の違いを1本の変化では説明できません。)がある」と考える方が自然だと判断しました。

観音山の溶岩45試料について、主要元素(岩石の中に多く含まれる元素成分（Si、Al、Fe、Mg、Caなど）で、マグマの性質や結晶分化の流れを大まかに示します。)・微量元素(量は少ないが、マグマの起源や変化に敏感に反応する元素です。親マグマが同じか違うかを見分けるのに役立ちます。)の量と、Sr、Nd、Hfの同位体比(同じ元素でも重さが違う原子（同位体）の割合を数値で表したものです。材料の起源が同じかどうかを判断するのに使います。)を測定しました。試料は岩石の見た目や鉱物の組み合わせでOB、PA、TPA、HHAの4グループに分類し、それぞれの噴出年代（0.53、0.43、0.34、0.2Ma）も合わせて、時間変化や噴出場所の違いを考えました。
解釈では、弧(海のプレートが沈み込む場所に沿って、火山や島が弓なりに並ぶ地域のことです。弧の溶岩には共通した化学的特徴が出やすいです。)の溶岩に特徴的なNb、Ta、Tiの少なさ、MgO(マグネシウムを含む主要成分で、一般にMgOが高いほど「できたばかりで未分化なマグマ」に近いと考えられます。分化の進み具合を比べる基準になります。)に対する主要元素の変化からどの鉱物が分かれたかの推定、微量元素どうしの関係から同じ分化の流れに乗っているかの確認を行いました。さらに同位体を使って、1つの親マグマ(分別結晶作用などで変化する前の「出発点となるマグマ」のことです。親マグマが複数あるなら、溶岩の違いを1本の変化では説明できません。)からの変化で説明できるか、それともマントル(地球の地下で地殻の下にある厚い層で、マグマの主な材料が生まれる場所です。マントルの違いは親マグマの違いにつながります。)の起源が違うと考えるべきかを評価しました。

観音山の玄武岩(比較的MgやFeが多く、SiO2が少ない火山岩で、マントル由来のマグマに近いことが多いです。安山岩との関係を調べることで成因が分かります。)質溶岩と安山岩(玄武岩よりSiO2が多く、中間的な性質をもつ火山岩です。火山弧でよく見られ、分化の進み具合を考える材料になります。)質溶岩は、1つの親マグマ(分別結晶作用などで変化する前の「出発点となるマグマ」のことです。親マグマが複数あるなら、溶岩の違いを1本の変化では説明できません。)が分別結晶作用(マグマが冷えて結晶ができ、それが分かれて取り除かれることで、残ったマグマの成分が変わっていく過程です。溶岩の成分変化を説明する代表的な仕組みです。)で連続的に変化してできたものとしては説明できず、マグマ混合(性質の違うマグマどうしが混ざることです。成分が中間的になったりばらついたりする原因として考えられます。)だけでも説明しにくいと結論づけられました。その代わり、OB、PA、TPA、HHAは、それぞれ異なるマントル(地球の地下で地殻の下にある厚い層で、マグマの主な材料が生まれる場所です。マントルの違いは親マグマの違いにつながります。)起源をもつ別々の親マグマからできた可能性が高いとされました。
この結論は、微量元素(量は少ないが、マグマの起源や変化に敏感に反応する元素です。親マグマが同じか違うかを見分けるのに役立ちます。)で見られた平行なトレンドと系統的なずれ、そしてNdやHfが似ていてもPAだけSr同位体比(同じ元素でも重さが違う原子（同位体）の割合を数値で表したものです。材料の起源が同じかどうかを判断するのに使います。)が低いという違いによって支えられています。重要なのは、1つの火山の中でも溶岩の成分が多様になる理由として、マントルから来るマグマが複数回・複数種類入りうることを示した点です。これは、台湾北部のような弧(海のプレートが沈み込む場所に沿って、火山や島が弓なりに並ぶ地域のことです。弧の溶岩には共通した化学的特徴が出やすいです。)どうしが交わる地域を理解するうえで大切な手がかりになります。

この論文では、今後の研究計画や具体的な研究の進め方について、目立った議論は行われていません。