Petrological study of the Salahi mantle section in the Oman ophiolite

本論文は、北部オマーン・オフィオライト（northern Oman ophiolite）に位置するSalahi mantle sectionを対象とする。このmantle sequenceは、harzburgiteとduniteが卓越し、少量のlherzohteとpyroxeneを伴う。より広域での先行研究では、mantle sectionの一部がmid-ocean ridgeの特徴（signature）を保持する一方、別の部分はテクトニックなプロセスに関連する流体（fluid）による改変を記録している可能性が示されてきた。こうした背景のもと、著者らは、Salahi mantle sectionの中央部からMono areaに向かって、全岩（whole-rock）の化学組成と部分溶融（partial melting）の程度が空間的にどのように変化するかを記載することを目的とする。重要な動機として、対象域には地球化学・岩石学データが限られてきた「blank」ゾーンが含まれる点が挙げられる。本研究は、全岩化学および鉱物化学（mineral chemistry）によってこの欠落を補い、とくにSalahi mantle section上部における流体の影響が、マントル岩相（mantle lithologies）と推定される溶融史にどのような影響を与えた可能性があるかを、より厳密に制約することを目指す。

主要な結果として、spinelのCr#（Cr/[Cr+Al] atomic ratio）によって区別される2種類のduniteが同定された。すなわち、spinel Cr#が0.7を超えるduniteと、spinel Cr#が0.7未満のduniteである。これらのタイプは系統的な空間分布を示す。高Cr#のduniteは、mantle sectionの下部から中部にかけて卓越する。これに対しMono側では、duniteとharzburgiteのいずれにおいてもspinel Cr#が一貫して低く、0.55–0.60である。低Cr#のduniteとharzburgiteは、Takazawa et al. (2012)の解釈に従い、mid-ocean ridge起源と解釈される。一方、Salahi mantle sectionの下部〜中部に見られる高Cr#のduniteは、harzburgiteと浸透してきた流体（infiltrating fluid）との反応によるものとされる。この流体の起源は、intra-oceanic detachment時のbasal thrustに求められ、テクトニクスに駆動された流体流動がマントル岩を改変し、区間の一部で先行する組成や溶融指標（melting indicators）を上書き（overprint）したことを示唆する。

本研究は、Salahi mantle section中央部からMonoに向かうtransectに沿って、岩石学的・地球化学的性質の空間変化を特徴づけることに基づく。著者らは、全岩化学組成と鉱物組成を分析し、とくにCr#（Cr/[Cr+Al] atomic ratio）で定量化されるspinel化学に重点を置く。この鉱物化学指標を用いて、duniteを高Cr#（>0.7）群と低Cr#（<0.7）群に分類し、duniteとそれに伴うharzburgiteを比較する。組成パターンのマッピングに加えて、本研究は「部分溶融の程度の変化（changes in the degree of partial melting）」を明示的に対象とし、mantle sectionにわたって測定された全岩・鉱物化学の変動からそれを推定する。したがって本アプローチは比較的であり、かつ空間分解能をもつ。すなわち、組成データセットによりmantle section内の領域（domains）を区分し、それらを対照的な成因解釈（mid-ocean ridge起源 vs intra-oceanic detachment時の流体関連反応）に結びつける。

著者らは、Salahi mantle sectionが、spinel Cr#によって識別可能な少なくとも2つの異なる岩石成因（petrogenetic）レジームを記録していると結論づける。1つ目のレジームは、Mono側においてspinel Cr#が0.55–0.60のduniteおよびharzburgiteによって代表され、先行研究で論じられたとおりmid-ocean ridge起源と整合的である。2つ目のレジームは、mantle sectionの下部から中部に卓越する高Cr#のdunite（>0.7）で特徴づけられ、流体—岩石反応（fluid–rock reaction）、具体的にはintra-oceanic detachment時のbasal thrustから浸透した流体とharzburgiteとの相互作用の産物と解釈される。本研究の意義は、Salahi mantle sectionにおけるサンプリングが少なかった区間を扱い、全岩化学と鉱物化学を組み合わせることで、流体浸透がマントル岩相と見かけの部分溶融度（apparent degree of partial melting）に与えうる影響を明確化した点にある。さらに、組成領域をテクトニックな流体経路（tectonic fluid pathways）と関連づけることで、オマーン・オフィオライトにおけるmantle sectionの不均質性（heterogeneity）の解釈に寄与する。

この研究は、オマーン北部にある「オマーン・オフィオライト(海の地殻とその下のマントルの一部が、陸上に持ち上がって露出した巨大な岩体です。海のプレートがどう作られ、どう動くかを陸で調べられる重要な手がかりになります。)」の中の、Salahi mantle sectionという場所のマントルの岩石を調べたものです。ここには主にharzburgite(マントルを代表するかんらん岩の一種で、主にかんらん石などからできています。部分溶融を経験したマントルの性質を知る手がかりになります。)とdunite(ほとんどがかんらん石でできた岩石です。マントル内の反応や、マグマが通った痕跡と関係することがあり、成り立ちの違いを読み取るのに使われます。)が多く、少しだけlherzolite(かんらん石に加えて輝石などを比較的多く含むかんらん岩です。harzburgiteより「溶け残りが少ない」状態を示すことがあり、部分溶融の程度を考える材料になります。)やpyroxene(輝石と呼ばれる鉱物のグループです。マントル岩石に含まれ、化学組成の情報から岩石の履歴を推定するのに役立ちます。)もあります。
これまでの研究から、この地域のマントル岩石には「海の真ん中の海嶺でできた特徴」が残っている部分もあれば、あとからテクトニクスに関係する流体(岩石のすき間を通って移動できる水などを含む成分です。流体が入ると岩石と反応して、鉱物や化学組成が変わることがあります。)の影響で化学組成が変えられた部分もあるかもしれないと考えられてきました。
そこで本研究は、Salahi mantle sectionの中央部からMono地域へ向かう範囲で、岩石全体の化学組成や部分溶融(岩石が全部ではなく一部だけ溶けることです。溶けた分がマグマになり、残った岩石の性質が変わるため、マントルの進化を考えるうえで重要です。)の程度が場所によってどう変わるのかを明らかにすることを目的としています。特に、これまでデータが少なかった空白の区間を調べ、流体の影響がマントルの岩石の種類や溶けた履歴の見積もりにどんな影響を与えるのかを、よりはっきりさせようとしました。

重要な結果として、spinel(マントルのかんらん岩によく含まれる鉱物の一つです。含まれる元素の比から、溶融の程度や反応の影響を読み取るのに使われます。)のCr#(spinelに含まれるクロムとアルミニウムの比を使った指標です。マントルがどれくらい溶けたか、または反応で組成が変わったかを考える材料になります。)の値によって2種類のdunite(ほとんどがかんらん石でできた岩石です。マントル内の反応や、マグマが通った痕跡と関係することがあり、成り立ちの違いを読み取るのに使われます。)が見つかりました。1つはCr#が0.7より大きいdunite、もう1つはCr#が0.7より小さいduniteです。しかも、この2種類は場所によって分布がはっきり分かれていました。
Cr#が高いduniteは、mantle sectionの下部から中部に多く見られました。一方、Mono側ではduniteもharzburgite(マントルを代表するかんらん岩の一種で、主にかんらん石などからできています。部分溶融を経験したマントルの性質を知る手がかりになります。)もCr#が低く、0.55から0.60の範囲にそろっていました。
Cr#が低いduniteとharzburgiteは、先行研究と同じくmid-ocean ridge(海のプレートが新しく作られる、海の真ん中の山脈状の場所です。ここでできた岩石は特有の化学的特徴を持つことがあります。)でできたものだと考えられます。反対に、下部〜中部に多いCr#が高いduniteは、harzburgiteが外から入ってきた流体(岩石のすき間を通って移動できる水などを含む成分です。流体が入ると岩石と反応して、鉱物や化学組成が変わることがあります。)と反応してできた可能性が高いと結論づけています。その流体は、intra-oceanic detachment(海のプレート内部で、大きなずれ動きによって岩石が引きはがされるように動く現象です。岩石が壊れたり割れ目ができたりして、流体が入りやすくなります。)にともなうbasal thrust(大きな岩体の底の部分で起きる押し込み型のずれ動きのことです。このような構造は流体の通り道になり、周囲の岩石を変えるきっかけになります。)の場面で入ってきたと考えられ、流体の流れによって岩石のもともとの化学的特徴や溶融の手がかりが一部書き換えられた可能性が示されました。

研究チームは、Salahi mantle section中央部からMonoへ向かう調査ルートに沿って、岩石の性質が場所によってどう変化するかを調べました。
具体的には、岩石全体の化学組成と、岩石をつくる鉱物の化学組成を測定し、とくにspinel(マントルのかんらん岩によく含まれる鉱物の一つです。含まれる元素の比から、溶融の程度や反応の影響を読み取るのに使われます。)のCr#(spinelに含まれるクロムとアルミニウムの比を使った指標です。マントルがどれくらい溶けたか、または反応で組成が変わったかを考える材料になります。)に注目しました。そしてCr#を使ってdunite(ほとんどがかんらん石でできた岩石です。マントル内の反応や、マグマが通った痕跡と関係することがあり、成り立ちの違いを読み取るのに使われます。)を高Cr#群と低Cr#群に分け、duniteと周りのharzburgite(マントルを代表するかんらん岩の一種で、主にかんらん石などからできています。部分溶融を経験したマントルの性質を知る手がかりになります。)を比較しました。
また、化学組成の違いから、部分溶融(岩石が全部ではなく一部だけ溶けることです。溶けた分がマグマになり、残った岩石の性質が変わるため、マントルの進化を考えるうえで重要です。)の程度が場所によってどう変わるかも推定しました。つまり、この研究は「どこでどんな組成が出るか」を地図のように整理し、その違いを「海嶺でできたのか」「流体(岩石のすき間を通って移動できる水などを含む成分です。流体が入ると岩石と反応して、鉱物や化学組成が変わることがあります。)が入り込んで反応したのか」といった成り立ちの違いに結びつけて考えました。

本研究は、Salahi mantle sectionには少なくとも2つの異なる成り立ちが記録されていると結論づけました。
1つ目はMono側に見られるCr#(spinelに含まれるクロムとアルミニウムの比を使った指標です。マントルがどれくらい溶けたか、または反応で組成が変わったかを考える材料になります。)が0.55から0.60のdunite(ほとんどがかんらん石でできた岩石です。マントル内の反応や、マグマが通った痕跡と関係することがあり、成り立ちの違いを読み取るのに使われます。)とharzburgite(マントルを代表するかんらん岩の一種で、主にかんらん石などからできています。部分溶融を経験したマントルの性質を知る手がかりになります。)で、mid-ocean ridge(海のプレートが新しく作られる、海の真ん中の山脈状の場所です。ここでできた岩石は特有の化学的特徴を持つことがあります。)起源と合います。
2つ目は下部〜中部で多いCr#が0.7を超えるduniteで、basal thrust(大きな岩体の底の部分で起きる押し込み型のずれ動きのことです。このような構造は流体の通り道になり、周囲の岩石を変えるきっかけになります。)の場面で入り込んだ流体(岩石のすき間を通って移動できる水などを含む成分です。流体が入ると岩石と反応して、鉱物や化学組成が変わることがあります。)とharzburgiteの反応でできたものだと解釈されます。
この研究の意義は、データが少なかった区間を新たに調べ、全岩化学(岩石を丸ごと1つの材料として見て、その化学組成を測る方法です。鉱物の割合や全体の特徴をまとめて比較できます。)と鉱物化学(岩石を作る個々の鉱物の化学組成を測ることです。細かい反応の違いや、あとから受けた影響を見分けるのに重要です。)を組み合わせることで、流体の浸透が「岩石の種類」や「部分溶融(岩石が全部ではなく一部だけ溶けることです。溶けた分がマグマになり、残った岩石の性質が変わるため、マントルの進化を考えるうえで重要です。)の見かけの程度」に影響しうることをはっきり示した点にあります。また、組成の違いを流体が通った道筋と関連づけて考えることで、オマーン・オフィオライト(海の地殻とその下のマントルの一部が、陸上に持ち上がって露出した巨大な岩体です。海のプレートがどう作られ、どう動くかを陸で調べられる重要な手がかりになります。)のマントル部分が場所によって一様ではない理由の理解にも役立ちます。