拡散クロノメトリー
地質学的技術
拡散年代測定法は、マグマ溜まり内またはマグマの上昇中に起こるマグマのプロセスを予測するのに役立ちます。
拡散クロノメトリーを適用できる化学ゾーニングを備えた結晶の簡略化されたスケッチ。

拡散年代測定法は、鉱物結晶内の化学勾配を調べることで、マグマ系における事象（マグマの混合、マグマの減圧、マグマの脱ガスなど）の持続時間とそれに伴う噴火の継続時間を推定する地質学的手法です。簡単に言えば、鉱物の斑晶は「水晶時計」のように機能し、マグマの作用に要した時間を決定します。[1]拡散年代測定法は、火山斑晶に共通する化学的不平衡を利用し、その運動学的窓を調べることで時間スケールの情報を取得します。[2] [3]拡散年代測定法は、地速度測定法と混同しないでください。どちらも化学拡散理論を利用しています。しかし、後者は変成作用の速度を分析するためにより一般的に使用され、前者は噴火作用の特徴を分析するために使用されます。

噴火イベントは数日または数ヶ月単位のタイムスケールで発生する可能性があり、地質学的に言えば、従来の放射年代測定法を用いた分析は困難です。過去の噴火に拡散年代測定法を用いることで、マグマプロセスのタイムスケールをより深く理解し、噴火予測に役立てることができます。また、噴火イベント発生時の火山警戒レベルのタイムスケールを決定する際にも役立ちます。 [4]

運動学

鉱物結晶中の化学勾配は、マグマ過程の独特な記録を提供します。これらの勾配は、結晶化、分化、あるいはマグマの混合によって生じます。その後、分子や元素は、系が平衡状態に戻ろうとする高温でのマグマ貯蔵中に拡散します。元素の拡散係数が既知であれば、勾配を形成したマグマ過程の時間スケールは、フィックの拡散の第二法則を用いて計算できます。[3] [5] [6]フィックの拡散の第二法則は以下のとおりです。

∂ C ∂ t ＝ D ⋅ ∂ 2 C ∂ × 2 {\displaystyle {\frac {\partial C}{\partial t}}=D\cdot {\frac {\partial ^{2}C}{\partial x^{2}}}} 、

ここで、Cは対象元素の濃度、tは時間、Dは拡散係数、xは長さスケールである。拡散クロノメトリーで用いられるフィックの第二法則の一般的な解析解は以下の通りである：[6] [7]

C = C 2 + ( C 1 − C 2 ) 2 ⋅ E r f c ( x 2 D t ) {\displaystyle C=C_{2}+{\frac {(C_{1}-C_{2})}{2}}\cdot Erfc({\frac {x}{2{\sqrt {Dt}}}})} 、

ここで、Cは現在点における濃度、C 1は枯渇領域の濃度、C 2は濃縮領域の濃度、Erfcは相補誤差関数、Dは拡散係数、tは時間である。フィックの第二法則の一般的な差分数値解は以下である：[5]

C 2 n e w = C 2 o l d + ( D Δ t / Δ x 2 ) ⋅ ( C 3 o l d − 2 C 2 o l d + C 1 o l d ) {\displaystyle C_{2}new=C_{2}old+(D\Delta t/\Delta x^{2})\cdot (C_{3}old-2C_{2}old+C_{1}old)}

ここで、C 2newは現在のタイムステップにおける2番目の点の濃度、C 2oldは前のタイムステップにおける2番目の点の濃度、C 3oldは前のタイムステップにおける次の点の濃度、C 1oldは前のタイムステップにおける前の点の濃度、Δt は秒単位のタイムステップサイズ、Δx はステップ距離、D は拡散係数です。(DΔt/Δx 2 ) 項が0.5より大きい場合、この差分モデルは不安定であり、使用可能な結果を​​生成しません。

実験方法

拡散クロノメトリーの主要な要件は、ケイ酸塩システム（鉱物溶融物）における拡散係数の可用性と信頼性です。鉱物中の元素の拡散率を決定するために実験が行われます。[8]最も一般的な3種類の実験は、拡散カップル実験、薄膜実験、および粉末源（一定表面）実験です。[8]拡散カップル実験では、意図する拡散元素の濃度が異なる2つの同じ鉱物が一緒に溶融され、高温炉に入れられ、鉱物境界を越えた拡散が誘発されます。薄膜実験は、拡散元素をドープした薄膜（厚さnmからμm）が鉱物の表面に溶融され、高温炉に入れられて、薄膜から鉱物への拡散が誘発されるよう設​​定されます。粉末源実験は、アルミナまたは石英ガラスるつぼ内に拡散元素を添加した粉末源を充填し、鉱物をその周囲に収めた状態でセットアップされます。この粉末源から鉱物への拡散を誘発するため、高温炉にセットされます。実験は通常、温度（および圧力と酸素フガシティは、それよりは少ないものの、変化させます）を変化させながら実施されます。この実験の目的は、アルレニウスプロットを作成することです。アルレニウスプロットから、特定の鉱物-元素ペアの頻度係数（D 0）と活性化エネルギー（E a）を決定できます。これらの項は、拡散方程式を適用して、系のマグマ条件における鉱物中の元素の拡散率を決定する際に使用されます。

新しい技術、そしてそれに伴う新しい実験方法や分析方法の発展に伴い、利用可能な元素-鉱物拡散係数の数は急速に増加しています。[9]

拡散プロファイルの測定

試料は通常、薄片または結晶片として作製されます。薄片とは、岩石を薄くスライスしたもの（通常30μmの厚さ）で、原位置での鉱物分析を可能にします。結晶片は、岩石を破砕するか、火山灰層をサンプリングして鉱物粒子を採取し、その後エポキシ樹脂で固定して分析に供されます。

主要元素、微量元素、または同位体組成は、高精度（> 10%）および高空間分解能（約 5 μm）で測定する必要がある。[2]対象元素の相対的存在比によって、使用する分析法が決まる。[10]数重量パーセント程度の濃度で存在する主要元素（例えば、オリビン、単斜輝石、および斜方輝石中の Fe-Mg 、斜長石中の Ca-Na ）は、一般的に電子プローブで分析される。百万分率程度の濃度で存在する微量元素（例えば、斜長石中の Mg 、オリビン中の H+ ）は、通常、レーザーアブレーション誘導結合プラズマ質量分析法（LA-ICP-MS）またはフーリエ変換赤外分光法（FTIR ）で測定される。同位体拡散は、一般的に二次イオン質量分析法（ SIMS ）またはマルチコレクター LA-ICP-MSで調査される。拡散プロファイルの分析点を選択する場合、拡散長とスポットサイズの比に基づいて間隔を決定する必要があり、畳み込み効果を避けるために2を超える必要があります。[11]

最近の開発には、サブμmスケールでの元素濃度を制限するためのナノスケール二次イオン質量分析法（NanoSIMS）、LA-ICP-MSによる2次元元素マッピング、フェムト秒レーザー、アトムプローブ、コンピュータ断層撮影法の使用が含まれます。[2]

応用

拡散年代測定法を適用するには、拡散係数が十分に制約された適切な鉱物-元素ペアを選択する必要があります。異なる鉱物-元素ペアはそれぞれ大きく異なる拡散係数を示し、それらは様々な時間スケール（数秒から数千年）に対応し、異なるマグマプロセスを記録します。温度は、地質温度気圧測定法で算出される重要なパラメータであり、拡散係数、ひいては時間スケールの不確実性を決定します。実験的に得られたD 0​​ とE aを用いて、温度を拡散方程式に代入することで、対象とする系における鉱物-元素ペアの拡散係数が得られます。

D = D 0 exp ⁡ ( − E a / R T ) {\displaystyle D=D_{0}\exp(-E_{a}/RT)} 、

ここで、Dは拡散係数、D 0は鉱物元素ペアに固有の頻度係数、E aは活性化エネルギー（ジュール）、Rは気体定数、Tは温度（ケルビン）です。この拡散係数（D）は、フィックの第二法則の適切な解析解または数値解に用いられ、時間スケールを計算します。拡散クロノメトリーの時間スケールは、通常、大きな不確実性や時間スケールの範囲を持ちますが、この情報は噴火予測において非常に重要です。[2]

最近のアプリケーション

単一の噴火における結晶の拡散プロファイルは、様々な系におけるマグマプロセスの時間を制限するのに用いられてきました。本セクションでは、拡散年代測定法が効果的に適用されたいくつかの研究を簡単に紹介します。ただし、このリストは網羅的なものではないことにご注意ください。

拡散年代測定法は1999年のシシャルディン火山の噴火に適用され、噴火物中のカンラン石中のFe-Mg相互拡散から得られる拡散時間スケールと火山監視信号との関連性を示した。 [12]拡散時間スケールは、噴火の9ヶ月前から噴火の助走が始まり、より直近の助走は噴火の50日前と10日前に発生したことを示した。9ヶ月の拡散時間スケールは、噴火の典型的な前兆である深発地震の開始とよく相関し、約50日間の時間スケールは温度異常（すなわちマグマの侵入）、水蒸気、そしてマグニチュード5.2の地震とよく相関し、約10日間の時間スケールは、最終的に地表に上昇するマグマの急速な再移動と一致する。ラスムッセンらが2018年に発表したこの研究[12]は、拡散年代測定法が火山噴火の予測にどのように役立つかを示す好例である。

シャムルーとティル（2019）[13]は、イエローストーンカルデラのラバクリークタフに、サニディン中のバリウムとストロンチウム、および石英中のチタンの拡散年代測定法を適用し、超噴火の噴火誘発時期を解明した。彼らは、超噴火はマグマの若返りが起こり、ラバクリークタフの超噴火が誘発されてから数年から最大10年後に発生したと結論付けた。

拡散年代測定プロファイルは、1991年から1993年にかけてエトナ山地下のマグマ供給システムのダイナミクスを再構築するのに役立ちました。 [14]この研究では、カンラン石中のFe-Mg相互拡散を用いて、いくつかの結晶集団が経験したマグマプロセスのタイムスケールを特定し、3つの重要なタイムスケールを特定しました。最初のタイムスケールは、異なるマグマ間のマグマ移動を追跡したもので、噴火の3～6か月前に発生しました。2番目のタイムスケールは、最終的な混合プロセスと考えられる1か月未満の短い滞留時間です。3番目で最も長いタイムスケールは、最大1年で、噴火前に異なるマグマ環境を通じてリサイクルされた結晶を表しています。

参考文献

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