Dating ductile deformation of the Earth’s crust: the critical role of fluids

地球の地殻は静止した殻ではなく、絶え間ない圧力の下で常に移動し、褶曲し、引き伸ばされているダイナミックな層である。地下深くの岩石が押しつぶされ加熱されるとき、それらは必ずしも脆いガラスのように割れるわけではない。代わりに、数百万年かけてゆっくりと流れることがあり、これは「延性変形」として知られるプロセスである。このゆっくりとした塑性的な動きは、山脈がいかに形成されるか、そして惑星がいかにストレスを放出するかを理解する上で極めて重要である。これらの出来事の正確なモデルを構築するために、地質学者は岩石がいつ動いていたのかを正確に知る必要がある。しかし、この緩やかな流れの年代を特定することは、長い間の謎であった。従来の定説では、岩石が変形するにつれて、その内部の化学的時計は自動的にリセットされ、出来事の明確なタイムスタンプを提供すると仮定されてきた。しかし、この仮定は、岩石が完全に混合され、化学的に均一であるという考えに基づいており、岩石の内部にある微視的な世界を極めて詳細に観察しない限り、検証が困難な概念である。

スイスとドイツの大学の研究チームは、スイス・アルプスにおける地殻の特定の断面を調査することで、この長年の仮定に異議を唱えた。彼らは、古代の花崗岩が「マイロナイト」と呼ばれる細粒の流動的な岩石へと押しつぶされた領域に焦点を当てた。高解像度の化学マップと精密な年代測定技術を組み合わせることで、彼らは、岩石を押しつ潰すという単純な行為だけでは、その内部の時計をリセットするには不十分であることを発見した。むしろ、水に富んだ流体の存在こそが、岩石の化学系をリセットし、変形の時間を記録することを可能にする決定的な要素であることを突き止めたのである。この発見は、山脈形成の歴史に対する科学者の解釈を変えるものであり、流体がない限り、岩石は押しつぶされ再形成されている最中であっても、過去の記憶を保持し続けることを示唆している。

研究者たちは、ヨーロッパプレートとアドリアティックプレートの衝突によって押し上げられたスイス・アルプスの巨大な岩塊であるゴタール・ナッペの一節を研究した。彼らは、わずかに引き伸ばされただけの岩石から、微細で極めて滑らかなマイロナイトへと摩耗した岩石まで、様々な程度に変形した花崗岩のサンプルを収集した。高度な顕微鏡と化学分析装置を用い、彼らはこれらの岩石内の鉱物、具体的には白雲母、黒雲母、および長石の詳細なマップを作成した。これらの鉱物は、既知の速度で崩壊する放射性元素を含んでいるため、天然の時計として機能し、科学者が鉱物の形成時期や最後に化学的にリセットされた時期を計算することを可能にする。チームは、ある鉱物の中に閉じ込められたアルゴンガスに基づく手法と、ストロンチウム同位体比に基づく手法という、2つの異なる年代測定法を用い、同一の岩石サンプルの異なる部分の年代を測定した。

彼らが発見したことは驚くべきものであった。中程度の変形を受けた岩石では、化学的時計は非常に古いものから若いものまで幅広い年代を示していた。最も激しく変形した剪断帯（シェアゾーン）に向かうにつれ、岩石が細かいペースト状に摩耗したため、彼らは押しつぶしの時間を表す単一で均一な年代が見つかることを期待していた。しかし、実際には、最も激しく変形した岩石の中にも、依然としてかなりの量のリセットされていない古い物質が含まれていることが判明した。これら古代の同位体「遺残物（レリクト）」の豊富さは、変形の強度とともに実際に増加していた。これは、変形と化学反応が完璧に連動して起こるという仮説に直接反するものである。もし岩石が山脈形成の物理的なストレスによって単に混合されているのであれば、古い化学的シグネチャーは消去されるはずであった。それが残っているという事実は、物理的な歪みだけでは岩石の内部の時計をリセットできないことを示唆している。

変形の真のタイミングを解き明かす鍵は、流体にあった。研究者たちは、3つの異なる世代の鉱物を特定した。最も古い鉱物は、山脈形成が始まる前に形成されたものであり、一部の結晶の核の部分に保存されていた。第2世代は山脈形成のピーク時に形成されたが、これらの鉱物が化学的時計を完全にリセットしたのは、流体が存在する領域のみであった。第3世代は、その後の冷却期に現れたものであり、鉱物の組成を変化させた新しい流体の到来と明確に関連していた。これらの異なる鉱物世代を化学的な指紋に基づいて注意深く分離することで、チームは特定の瞬間を特定することができた。彼らは、主要な山脈形成の段階とそれに伴う延性変形が、およそ1880万年前から1710万年前の間に起こったと判断した。その後、1330万年前頃に、冷却と流体の移動を伴う別のフェーズが発生した。

この研究は、岩石の物理的な押しつぶしや温度のみではなく、流体が化学的および同位体的な（再）平衡化の主要な推進力であったことを明らかにした。岩石は完全に閉じた系ではなかったものの、研究者たちは、マイロナイト化が外部から由来する流体へのアクセスが限られた半閉鎖的な系で行われたことを発見した。最も変形が激しい領域では、化学的シグネチャーは流体が乏しいことを示しており、そのため激しい歪みにもかかわらず古い同位体信号が存続したのである。流体が反応を促進した場所においてのみ、同位体の時計がリセットされ、変形の年代を記録した。研究者たちは、岩石の物理的な押しつぶしや温度だけでなく、流体の動きこそが、鉱物が平衡状態に戻り変形の年代を記録することを可能にする主要な駆動力を担っていたと結論付けた。これは、山脈が形成されていた時期を正確に日付付けるためには、地質学者はまず流体の役割を理解し、化学マッピングを用いて、変形中に形成された鉱物と単なる古い残りカスである鉱物を区別しなければならないことを意味している。

この研究は、地球の地殻が変形する速度をどのように計算するかについて、重要な示唆を与えている。変形中に流体によってリセットされた特定の鉱物を特定することにより、研究者たちは、岩石が引き伸ばされている速度を示す、およそ $8.68 \times 10^{-14}$ 秒あたりの歪み速度を算出した。彼らの推定値は、以前の研究で一般的であったエラーである「古い鉱物と新しい鉱物の混在」を避けているため、より正確である。この精密な速度は、地殻の深い部分でのゆっくりとした動きを、地表付近で起こるより速い脆性地震へと結びつける助けとなる。それは、地殻中間部におけるストレスの緩やかな蓄積が、上部地殻におけるエネルギーの突然の放出と直接つながっていることを示している。

また、この知見はアルプスの地質学的歴史についても、より明確な全体像を提供している。変形のタイミングは山脈帯の西方向への移動と一致しており、地殻の深い延性的な引き伸ばしと、ジュラ山脈を作り出した浅部の褶曲との間に直接的な関連があることを示唆している。研究によれば、岩石は約400万年をかけて、深さ約33kmから約16kmへと隆起（エキサメーション）し、温度は約摂氏537度から340度へと冷却された。この冷却と上昇は、100万年あたり約4.3kmの速度で行われた。

究究的に、この研究は、山脈形成の物語は岩石の化学的な詳細の中に書き込まれているが、それは私たちがそれを読み解く術を知っている場合に限られるということを証明している。流体の存在こそが、岩石の内部の時計をリセットし、変形の時間を記録させるための不可欠な鍵である。流体がない限り、岩石は形を変えられながらも、その古い歴史を保持し続ける。この洞察は、地質学者が地球の地殻を日付付ける際のアプローチに転換を迫るものである。単に岩石を砕いて年代を測定するだけでは不十分であり、科学者は今や、化学組成をマッピングして、流体によってリセットされた特定の部位を見つけ出さなければならない。このアプローチにより、得られる日付が、単なる新旧の出来事の混合物ではなく、実際に山脈が築かれていた瞬間を真に反映したものとなるのである。本研究は、熱や圧力だけでなく、流体が深部地球における化学変化の主要な駆動力であることを裏付けており、この関係を理解することが、惑星のダイナミックな歴史を再構築するために不可欠であることを示している。