メルト包有物

火山研究解説集：薩摩硫黄島 (産総研・地質調査総合センター作成)

• 斜長石および単斜輝石斑晶中のメルト包有物

メルト包有物とは

メルト包有物と火山岩の比較

マグマ中の揮発性成分の存在量は，マグマの密度や粘性といった物性を大きく変化させるため，マグマの上昇・噴火プロセスを理解する上で欠かせない情報です．マグマ中の揮発性成分のうち，水（H₂O）が最も存在量が多く，二酸化炭素（CO₂），硫黄（S），塩素（Cl）がそれに続きます．このマグマ中の揮発性成分がマグマからガスとして分離し地表に放出したものが火山ガス（マグマ性ガス）です．

メルト包有物はマグマの揮発性成分存在量（濃度）を知るために最適な試料です．火山岩をそのまま分析してもマグマ中の揮発性成分濃度は得られません．図（メルト包有物と火山岩の比較）のように，火山岩は，マグマとして地表に噴出した時点で脱ガスによりそのほとんどの揮発性成分を失ってしまうからです．一方，メルト包有物は，マグマ中で斑晶が晶出する際に, 斑晶中に周囲の珪酸塩メルトが捕獲されたものです（例えば，Roedder, 1979；Roedder, 1984）．この状態でマグマが地表に噴出し急冷されるとメルトはガラスになり，これをガラス包有物といいます．メルト包有物は鉱物に囲まれていることから，揮発性物質に関し，火山岩のような噴火時の脱ガスや外部からの二次的な汚染が少なく，地下のマグマの揮発性物質の濃度を保持しています．

この十数年でメルト包有物を用いた火山活動に関する研究が飛躍的に発展しています（Lowenstern, 2003）．特に，マグマ溜まりの状態・進化やマグマの上昇・噴火プロセスを考察する上で重要な情報である，マグマの脱ガス・分化過程や，マグマの圧力や密度，マグマ溜まりの気泡量，脱ガスマグマ量等をメルト包有物から知ることができます（斎藤, 2005）．

メルト包有物の大きさは，大きくても数100μm程度であり，それに含まれる揮発性物質は微少量（数wt%以下）なので，その分析には数10μm程度の微小領域を分析できる高感度の局所分析法が必要です．

この項では，薩摩硫黄島火山のマグマ活動について，メルト包有物からどのようなことがわかってきたかについて紹介します．

薩摩硫黄島火山岩斑晶中のメルト包有物

斜長石および単斜輝石斑晶中のメルト包有物

右の写真は，硫黄岳噴火による軽石の斜長石に含まれるメルト包有物（左），稲村岳噴火スコリア中の単斜輝石に含まれるメルト包有物（右）です．いずれも急冷されており，ガラス質です．

メルト包有物には，ガラスの他に，泡が存在するケースがあります．写真のメルト包有物内の泡の体積は，ほとんどがメルト包有物全体の3vol%以下で，非常に小さいです．これらはshrinkage bubbleと言われるもので，メルトが急冷されガラスになった時にわずかに収縮したために生じたと考えられています．

流紋岩メルト包有物の主成分元素組成

電子線マイクロアナライザー（Electronprobe micro-analyzer；EPMA）の外観とその測定原理

流紋岩メルト包有物の主成分元素組成

メルト包有物の主成分元素組成は，マグマ溜まりの進化過程のどの時点でメルト包有物が捕獲されたかを知るために重要な情報です．メルト包有物の主成分元素組成は，鉱物の化学分析と同じくEPMAで測定できます（→岩石学）．

右図（流紋岩メルト包有物の主成分元素組成）は，薩摩硫黄島火山のカルデラ噴火（約7300年前）および後カルデラ期噴火の流紋岩質メルト包有物と基質ガラスの主成分元素組成です． カルデラ噴火による竹島火砕流軽石，約500年前の硫黄岳軽石，1934-1935年噴火の昭和硫黄島溶岩のメルト包有物は，どれもSiO₂濃度が70wt.%以上の流紋岩組成で，一つの噴火内では，メルト包有物はほぼ同様な化学組成を持っています．しかし，3つの噴火を比べると，噴火時期が新しくなるにつれ，SiO₂，K₂O濃度が高くなり，Al₂O₃, CaO, FeO濃度は低下しています．

また，各噴火のメルト包有物の主成分元素組成は，そのメルト包有物が含まれている火山岩の基質ガラスの組成とほぼ範囲を示しています．基質ガラスは，マグマ溜まりの噴火直前のメルトが急冷・固化したものなので，これらのメルト包有物は，噴火直前のマグマだまりにおいて，メルトが斑晶に捕獲され形成されたと考えられます．

一方，これらのホストである流紋岩の全岩化学組成は同じ範囲にあります（→岩石学）．従って，上記のメルト包有物および基質ガラスの主成分元素組成の時間変化はマグマ溜まりの結晶化によって起きていると考えられています（Saito et al., 2001）．この推定は，実際の火山岩のモード組成の時間変化とも矛盾していません．

メルト包有物の揮発性成分濃度

顕微赤外分光光度計と測定原理

後カルデラ期メルト包有物のH₂O&CO₂濃度

メルト包有物の主要な揮発性成分は，H₂O, CO₂, SおよびClです．これらの分析は，微小領域分析機器である，EPMAや顕微赤外分光光度計（左図），二次イオン質量分析装置等で行われています（Ihinger et al., 1994）．

右図（後カルデラ期メルト包有物のH₂O&CO₂濃度）は，顕微赤外分光光度計で測定したカルデラ噴火（竹島火砕流軽石）および後カルデラ期噴火（稲村岳スコリア，硫黄岳軽石，昭和硫黄島溶岩）のメルト包有物のH₂OおよびCO₂濃度です．メルト包有物のH₂O, CO₂濃度は，噴火時期や噴火マグマの組成で大きく異なっていることがわかります．

流紋岩組成のメルト包有物のH₂O濃度は，竹島火砕流軽石（約7300年前）は3-5wt%，硫黄岳軽石（約500年前）は1.5-3wt%，昭和硫黄島溶岩（1934-1935年）は0.7-1.4wt%，と噴火時期が新しくなるとともに低下しています．一方，これらのメルト包有物のCO₂濃度は，竹島および硫黄岳は40ppm以下と少ないが，昭和硫黄島は70-140ppmと高くなっています． 玄武岩マグマ噴火である稲村岳（約3000年前）のメルト包有物のH₂O濃度は1.2-2.8wt%で硫黄岳と同程度ですが，CO₂濃度は90-290ppmで昭和硫黄島メルト包有物よりも高い値を持っています．

メルト包有物のH₂O&S&Cl濃度

この図にはH₂OとCO₂の混合ガスの溶解度もプロットしてあります．この溶解度を示す線とメルト包有物のH₂O, CO₂濃度から，マグマのガス飽和圧力が読み取れます．マグマのガス飽和圧力とは，マグマがガスに飽和している，即ち，気相（この場合，H₂OとCO₂）がマグマ中に存在している場合の圧力です．竹島火砕流噴火マグマのガス飽和圧力は80-180MPa，硫黄岳は70MPaと20MPa，稲村岳は70-130MPa，昭和硫黄島は20-50MPaとなります．この圧力は深さにすると，竹島火砕流噴火マグマで3-7km，硫黄岳は3kmと~1km，稲村岳は3-5km，昭和硫黄島は1-2kmに相当します．

SとClについては左図（メルト包有物のH₂O&S&Cl濃度）のような濃度分布を示します．

竹島火砕流軽石，硫黄岳軽石，昭和硫黄島溶岩の流紋岩メルト包有物は同様なS濃度を持っています．一方，稲村岳スコリアのメルト包有物のS濃度は紋岩メルト包有物よりも高く，1000-2000ppmです．

一方，Cl濃度は，流紋岩メルト包有物の方が，稲村岳スコリアのメルト包有物よりも高い値を示します．流紋岩メルト包有物のうち，竹島火砕流軽石，硫黄岳軽石，昭和硫黄島溶岩の順にCl濃度が高くなっているように見えます．この結果は，竹島火砕流噴火から昭和硫黄島噴火までマグマ溜まりが徐々に結晶化していると岩石学的に推定されていること（→岩石学）と整合的です．

マグマのH₂O&CO₂の分化プロセス

マグマプロセスとメルト包有物のH₂O&CO₂濃度

メルト包有物はマグマ溜まりの珪酸塩メルトを捕獲したものと考えられるので，メルト包有物のH₂O, CO₂濃度の変化はマグマ溜まりの珪酸塩メルトの濃度が変化していることを示しています． マグマ溜まりでの主要なマグマプロセスとそれに伴う珪酸塩メルトのH₂O, CO₂濃度の変動は図（マグマプロセスとメルト包有物のH₂O&CO₂濃度）のようにまとめられています（風早，1997；斎藤，2005）．すなわち，

（１）マグマの圧力低下に伴う脱ガス．メルトのCO₂濃度が急激に減少した後に，H₂O濃度が減少．

（２）マグマがガス飽和かつ等圧状態で結晶分化．等圧線上で，メルトのCO₂濃度が減少し，H₂O濃度が増加．

（３）マグマがガス不飽和状態で結晶分化．メルトのH₂O, CO₂濃度は比例的に増加（ただし，結晶にH₂OおよびCO₂が含まれないと仮定した場合）．

（４）マグマがガス飽和かつ等圧状態でCO₂ガスが付加．等圧線上で，メルトの H₂O濃度が減少し， CO₂濃度が増加．

（５）マグマがガス不飽和状態でガスが外部より付加．メルトのH₂O, CO₂濃度は付加されるガス量に応じて変化．

これらを元にして，観察されたメルト包有物のH₂O，CO₂濃度の変動パターンから，各噴火のマグマ溜まりでの脱ガスプロセス，圧力状態などが下記のように推定されています（Saito et al., 2001）．

竹島火砕流軽石のメルト包有物のH₂O濃度は，CO₂濃度が低い状態で，大きく変動しています．この変動パターンは，（１）の圧力低下による変化で説明できます．このメルト包有物のH₂O，CO₂濃度から得られるガス飽和圧力は80-180MPaなので，鬼界-アカホヤ噴火直前に，深さ3-7kmに発泡したマグマだまりが存在していたと考えられます．

稲村岳のメルト包有物の変動は，等圧線上に分布しているようにみえます．このため，（２）か（４）が予想でされています．ただし，（２）の場合，50wt%のメルトが晶出する必要があり，生じるメルトは流紋岩になるはずですが，そのようなメルト包有物は稲村岳噴出物には存在しないので，（４）が有力です．ガス飽和圧力は70-130MPaなので，深さ3-5kmに稲村岳噴火マグマのマグマ溜まりが位置していたと推定できます．

硫黄岳のうち，2つのメルト包有物は竹島火砕流軽石メルト包有物の範囲に含まれます．これらのメルト包有物の主成分元素組成も竹島火砕流軽石メルト包有物と同様で，カルデラ噴火マグマの出残りである可能性が高いです．ガス飽和圧力は70MPaで，深さ3kmと見積もられています.

昭和硫黄島メルト包有物のH₂O, CO₂濃度変動については（３）と（５）が考えられますが，昭和硫黄島メルト包有物の主成分元素組成に大きな変動はないので，（３）は考えにくく，（５）のガス不飽和状態でのガス付加が予想されています．後で述べるように，硫黄岳マグマが火道内マグマ対流によって脱ガスし，ガスに不飽和になっていた可能性があります．また，付加するガスは，CO₂に富んでいる必要があります．

マグマ混合プロセス

岩石学的研究により，後カルデラ期には，流紋岩マグマ溜まりの下部に稲村岳を形成した玄武岩マグマが存在していた可能性が高く（図：マグマ混合プロセス，→岩石学），さらに，稲村岳メルト包有物は流紋岩メルト包有物よりCO₂に富んでいます．これらのことを考え合わせると，火道内マグマ対流によって脱ガスしガス不飽和になった硫黄岳マグマに下部の玄武岩マグマからCO₂に富むガスが付加して昭和硫黄島メルト包有物のH₂O, CO₂濃度の変動が生じた可能性が高いと考えられています．

火道内マグマ対流モデル

さて，昭和硫黄島メルト包有物は，硫黄岳よりもさらにH₂O濃度が低く，1wt%程度です．昭和硫黄島メルト包有物と硫黄岳メルト包有物は同じマグマ溜まりを起源としていることが予想されているので（→岩石学），マグマ溜まりの珪酸塩メルトのH₂O濃度が〜3wt%から〜1wt%まで減少させるプロセスが働いているはずです． このプロセスとして（１）と（４）が考えられますが，Saito et al. (2001)ではいずれも否定的です．すなわち，（１）がマグマ溜まりで起きるとすると，マグマが10MPa以下の低圧状態，深さにして400m以下になる必要がありますが，このような浅部にマグマ溜まりがあるという観測結果はありません．また，（４）の場合，CO₂濃度は300ppmまで増加するはずですが，このような高いCO₂濃度を持つ昭和硫黄島メルト包有物は未だ見つかっていないことに加え，この高いCO₂濃度を達成するために硫黄岳メルトに対して30wt%ものCO₂ガスが供給される必要があり，非現実的です．

Saito et al. (2001)では，この問題を解く唯一のプロセスとして，火道内マグマ対流による脱ガスプロセスを提案しています（詳しくは→脱ガス過程）．これはマグマ溜まり内のマグマが火道を上昇し地表近くで脱ガスし再び火道内を降下しマグマ溜まりに戻るというプロセスです．この脱ガスプロセスが，硫黄岳噴火のマグマ溜まりに働き，珪酸塩メルトのH₂O濃度を〜3wt%から〜1wt%まで減少させた可能性があります．このようにして，ガスに不飽和状態になったマグマ溜まりに，すでに述べた（５）のプロセスが新たに働き，CO₂濃度の高い昭和硫黄島メルトが形成されたと考えられています．この推察は，硫黄岳山頂付近では最近約1000年間，活発な火山ガス放出活動が続いているというその地表現象とも整合的です（→熱水変質）．

マグマのガス飽和圧力

後カルデラ期マグマのガス飽和圧力

メルト包有物のH₂OおよびCO₂濃度から見積もられるマグマのガス飽和圧力を噴火時期とともにまとめると右図（後カルデラ期マグマのガス飽和圧力）のようになります．

竹島火砕流軽石メルト包有物から見積もられるカルデラ噴火マグマのガス飽和圧力は80-180MPaで，深さにして3-7kmに相当します．硫黄岳マグマは，70MPa（3km）と20MPa（~1km），稲村岳マグマは，70-130MPa（3-5km），昭和硫黄島マグマは，20-50MPa（1-2km）になります．

硫黄岳マグマのガス飽和圧力はカルデラ噴火マグマの最小値と同様であり，硫黄岳マグマがカルデラ噴火マグマ溜まりの”出残り”であるというモデルと調和的です． また，硫黄岳マグマのガス飽和圧力は稲村岳マグマの最小値とも同様であり，岩石学的に推定されている後カルデラ期マグマ溜まりの成層構造とも矛盾しません．

メルト包有物の揮発性成分と火山ガスの比較

図：マグマプロセスとメルト包有物のH₂O&CO₂濃度には，現在硫黄岳山頂火口から放出されている火山ガスのH₂OおよびCO₂の濃度比を示してあります．昭和硫黄島メルト包有物のH₂OおよびCO₂濃度の最大値の比は，この火山ガスと同様な値です．

現在の火山ガスが昭和硫黄島マグマが脱ガスして放出されていると仮定すると，H₂OはCO₂よりも珪酸塩メルトに対する溶解度が非常に高いため，H₂Oがほとんど全てガスになるような非常に低圧下で昭和硫黄島マグマが脱ガスしないと，これらの比は一致しません．このことは，火道内対流によって昭和硫黄島マグマが低圧下で脱ガスし火山ガスを放出していることを強く示唆しています．

次に，CO₂/H₂Oと同様に，昭和硫黄島メルト包有物のS/H₂O比, Cl/H₂O比について，火山ガスの値と比較してみます（図：メルト包有物のH₂O&S&Cl濃度）．

昭和硫黄島メルト包有物のS/H₂O比は，火山ガスと同様な値です．H₂OとCO₂と同様に， H₂OとSがほとんど脱ガスすれば，これらの比は一致するので，低圧下の脱ガスを示唆しています．

一方，Clは低圧で脱ガスが起きても，H₂OやSに比べて珪酸塩メルトへの溶解度が高いので，全てのClがガスになるということはありません．実際，竹島火砕流軽石，硫黄岳軽石，昭和硫黄島溶岩の基質ガラスは約1200ppmのCl濃度を持つことが火山岩分析からわかっています．図中のLine Aは，マグマの脱ガスで現在放出されている火山ガスと同じ組成のガスが放出され，H₂Oが完全に脱ガス，Clがメルトに1200ppm残ったと仮定した場合の，元々のメルトのClおよびH₂O濃度のとりうる値です．昭和硫黄島メルト包有物はLine Aより少し上に位置するが，昭和硫黄島メルトが火山ガスの起源であるという仮説と大きな矛盾はありません．

引用文献

Ihinger, P. D., Hervig, R. L. and McMillan, P. F. (1994) Analytical methods for volatiles in glasses. In Volatiles in magmas, Reviews in Mineralogy, vol.30 (Carroll, M. R. and Holloway, J. R. eds.), Mineralogical Society of America, p.67-122.

風早康平（1997）揮発性成分とマグマ過程ー噴火予知に向けてー．火山，vol.42, p.119-124.

Lowenstern, J. B. (2003) Melt inclusions come of age: volatiles, volcanoes, and Sorby's legacy. In Melt inclusions in volcanic systems, methods, applications and problems (De Vivo, B. and Bodnar, R. J. eds), Elsevier, p.1-22.

Roedder, E. (1979) Origin and significance of magmatic inclusions. Bull. Mineral., vol.102, p.487-510.

Roedder, E. (1984) Extrusive rock and volcanic environments. In Fluid inclusions, Reviews in Mineralogy, Mineralogical Society of America, vol.12, p.473-501.

斎藤元治（2005）マグマ中の揮発性物質の挙動とマグマ上昇・噴火プロセスーメルト包有物からのアプローチー．火山，vol.50，p.S177-S192.

Saito, G., Kazahaya, K., Shinohara, H., Stimac, J. A. and Kawanabe, Y. (2001) Variation of volatile concentration in a magma system of Satsuma-Iwojima volcano deduced from melt inclusion analyses. J. Volcanol. Geotherm. Res., vol.108, p.11-31.

参考文献

田隅三生（1986）FT-IRの基礎と実際．東京化学同人，179p.

（斎藤元治）