白亜紀に形成された超巨大海台 オントン・ジャワ・ヌイ仮説を支持する新発見

東京工業大学 理学院 地球惑星科学系の石川晃准教授は、国立研究開発法人海洋研究開発機構（JAMSTEC）海域地震火山部門火山・地球内部研究センターのテハダ研究員ら、国立科学博物館、千葉大学、米国オレゴン州立大学の研究者と共同で、現在太平洋上に独立して存在するオントン・ジャワ海台、マニヒキ海台、ヒクランギ海台がかつては一つの超巨大海台だったとする「オントン・ジャワ・ヌイ仮説」を裏付ける証拠を発見しました。

白亜紀は巨大海台を形成するような大規模火成活動^[用語3]が活発だった時期です。その中でも約1億2,000万年前に誕生したオントン・ジャワ海台は地球上最大の海台として知られていますが、現在は数千km離れた位置にあるマニヒキ海台とヒクランギ海台とかつては一体で、超巨大海台オントン・ジャワ・ヌイを形成していたとする仮説が2006年に提唱されていました。この仮説は主にプレート運動の復元に基づいて立てられましたが、三海台の間に年代値と化学組成のギャップがあることが問題となっていました。この仮説を検証するために、三海台の接合部と考えられるオントン・ジャワ海台の東端付近で、2016年に深海調査研究船「かいれい」による調査が行われました。採取された火山岩の年代測定と化学分析を行った結果、三海台の間にあった年代値と化学組成のギャップを埋めるような火山岩が初めて見つかりました。このことは、三海台のマグマの起源や噴出時期が共通することを意味し、超巨大海台オントン・ジャワ・ヌイの存在を示す証拠となります。また、オントン・ジャワ・ヌイにおける火山岩の化学組成の分布に基づき、マントル最下層から上昇したマントルプルームの活動により、この超巨大海台が形成されたとするモデルを提唱しました。

白亜紀の大規模火成活動は当時の地球温暖化の主な原因とされ、海洋無酸素事変による生物大量絶滅の引き金になったとも考えられています。本研究は、地球規模で起きた大規模火成活動の実態を明らかにしたことに加えて、地球内部に起因する地球表層環境の変動を解明するためにも、重要な成果と言えます。

本研究は、科学研究費補助金（26302010及び18H03746）を用いて行われました。

本成果は、「Scientific Reports」に5月25日付（日本時間）で掲載されました。

太平洋には巨大海台と呼ばれる地形が複数存在していますが、その多くは白亜紀に起きた大規模火成活動により形成されたと考えられています（図2）。その中でも西太平洋赤道付近に位置するオントン・ジャワ海台は現存する地球上最大の海台であり、その面積は約200万km²と広大です。火成活動でできた地殻も厚いところでは約40 kmと普通の海洋地殻の厚さ（約7 km）をはるかに上回り、きわめて大規模な火成活動が海底下で起こったことが分かってきました。（2021年6月1日 東工大ニュース参照：「地球上最大の巨大海台はなぜできたか？」 ）

このオントン・ジャワ海台については、その誕生時には今知られている以上に巨大であったとする仮説が2006年にTaylorにより提唱され、その後2012年にChandlerらによりオントン・ジャワ・ヌイ仮説と名付けられてその検証が進められました（「ヌイ（Nui）」とはポリネシア諸語で「大きい」という意味）。彼らは、主として海底地形の特徴やプレート運動の復元に基づき、現在は数千km離れているマニヒキ海台やヒクランギ海台もオントン・ジャワ海台とかつては一体であったと考えました。すなわち、超巨大海台であるオントン・ジャワ・ヌイが南太平洋で形成された後、プレート境界の形成とその後の拡大によって三海台は引き離されて現在の位置まで移動したとするものです。

しかし、この仮説にはいくつかの問題点が指摘されていました。その一つは、ヒクランギ海台が他の二つの海台に比べて数百万年以上若い形成年代を示すことです。また、マニヒキ海台では異なる化学組成を持つ2種類のタイプの火山岩が確認されていますが、そのうちの片方のタイプがオントン・ジャワ海台やヒクランギ海台では見られないことも、オントン・ジャワ・ヌイ仮説とつじつまが合わない問題となっていました。

オントン・ジャワ海台は大部分が海底にあり、しかも厚く堆積物に覆われているため、必ずしも調査が進んでいません。この海台が初めて調査されたのは、ソロモン諸島等で海台の南端が一部陸上に露出しているところでした。その後、High Plateauと呼ばれるオントン・ジャワ海台の中心部で海洋掘削による調査が行われ、JAMSTECでも海台西側の海底崖や海台中心部に位置する小海山など堆積物の被覆が薄く火山岩が露出している箇所を探して調査してきました。そのような場所の一つとして、オントン・ジャワ海台の東寄りにあるEastern Salientにある海山群を調査する目的で、2016年に深海調査研究船「かいれい」による調査航海が実施されました（図3）。この場所は、オントン・ジャワ・ヌイ仮説が正しいとすると三海台の接合部にあたります（図2）。Eastern Salientはこれまでほとんど調査がされてなく、High Plateauなどオントン・ジャワ海台主要部からは位置的に離れているため、それらとは異なる火山岩が見つかる可能性が期待されました。

本航海で実施された地形と構造の調査から、Eastern Salientの海山群は火山活動によってできた線状に伸びた火山体の上に、それよりも若い火山活動によって作られた海山が乗ってできた地形であることが推定されました（図3）。航海後に、採取された試料の⁴⁰Ar/³⁹Ar年代測定^[用語4]を行ったところ、線状の火山体の部分は1億1,600万年前以降に形成されたものであることが分かりました（図4）。特に、1億1,600万年という年代値は、いままで知られていたオントン・ジャワ海台やマニヒキ海台の主要部の年代より数百万年若く、ヒクランギ海台の主要部やマニヒキ海台の一部に見られるやや若い年代を示す火山岩と活動時期が重なることが分かりました。

また、Eastern Salientから採取された火山岩の大部分は、High Plateauなどオントン・ジャワ海台主要部の火山岩とは異なる化学組成を示していました（図5）。マニヒキ海台に見られる2種類のタイプの火山岩のうち、これまでオントン・ジャワ海台では片方のタイプしか見つかっていませんでしたが、今回見つかった火山岩は、もう一つのタイプと同じ化学組成のものでした。従って、オントン・ジャワ海台、マニヒキ海台、ヒクランギ海台は、共通するマグマから一連の噴火活動により形成されたと言えます。

以上のように火山岩の分析から、オントン・ジャワ・ヌイ仮説の弱点とされていた年代と化学組成のギャップが埋まり、仮説の正しさを示す証拠が得られました。これまで、オントン・ジャワ海台ではその体積が約5,700万km³と推定されていましたが、オントン・ジャワ・ヌイだと約9,000万km³となり、きわめて大規模な火成活動が起きたことになります。また、ルイビル海山列はオントン・ジャワ海台を生み出したマントルプルームがその後継続的に活動して形成した火山列であるとする説がありましたが、Eastern Salientとルイビル海山列の火山岩の組成が類似していることからこの説を支持する証拠が得られたことになり、マントルプルームの活動が小規模ながら長期間続いていたことが示されました。

また、三海台を合わせてその化学組成を解析すると、オントン・ジャワ・ヌイを形成したマグマはマントルを構成する複数の異なる物質が混合してできたことが分かりました（図5）。具体的には、地球が形成した頃から存在するマントル物質（始原的なマントル物質）に加えて、かつては地球表層にあった地殻物質がプレートの沈み込みによってマントル深部に運搬された物質が含まれていました。更には、マントルの最下部には、地震波トモグラフィーによって発見された地震波低速度領域^[用語5]が存在することから、この領域の外にはもう一つの異なるマントル物質（平均的なマントル物質）があると考えられていますが、この物質も含まれていました（図6）。このようにオントン・ジャワ・ヌイのマグマに深部起原を含む複数の物質が含まれていることは、マントル最下部から上昇した巨大なマントルプルームにより超巨大海台が形成されたことを示唆するものです。

白亜紀には巨大海台を形成するような大規模火成活動が繰り返し起きたことが、太平洋に分布する巨大海台の研究から分かってきました。地球内部から地球表層環境へ供給された二酸化炭素等の火山ガスは、当時の地球温暖化の要因ともされ、海洋無酸素事変による生物大量絶滅の引き金になったとも考えられています。特に、海底で起きる火山活動は火山ガスの成分を直接海水に供給するため、海洋酸性化など環境への影響が大きかったと考えられます。

実際に地球内部から地球表層環境へ供給された火山ガス成分の影響を評価するためには、マグマの総量に加えて噴出レートが重要になってきます。本研究から、オントン・ジャワ・ヌイが形成された約1億2,000万年前後には、これまで想定されていたよりも大量のマグマが噴出していたことが示されました。しかし、噴出レート（単位時間あたりの噴出量）を推定するためには、噴出年代についてより詳しく調べる必要があります。この問題にアプローチするため、本論文の研究者を含む研究チームではEastern Salient周辺における将来的な海洋掘削を提案しています。本研究の成果はこの掘削提案を推進するための大きな動機付けとなり、現在みられる噴火とは桁違いに大きかった火山活動の全貌や、そのような活動が地球表層環境に与えた影響を解明することにつながっていくと期待されます。