弧状帯の岩石に残る重い鉄同位体が示す、沈み込み帯での無酸素堆積物の再循環

古代の泥と現代の火山

沈み込み帯の上にある火山は、大洋プレートが地球内部へ潜り込み、海底の堆積物を一緒に引き込むことで駆動されます。本研究は、酸素の乏しい海で堆積した鉄に富む古代の泥が、現代の火山を供給する溶岩にどのような化学的指紋を残すかを探ります。その指紋を読み取ることで、地球が地表物質を深部へと再循環させる仕組みや、地球内部の化学が時間とともにどのように変化してきたかについて新たな手がかりが得られます。

テクトニックな交差点で生まれた岩石

研究者たちは、かつて古太平洋プレートがアジア大陸の下に沈み込んでいた中国東北部の扶東（Fudong）地域から採取されたジュラ紀前期の火成岩を調べました。これらの岩石は主に閃緑岩で、約1億7800万年前に火山弧環境で形成されました。こうした環境は今日でも噴火や多くの金属鉱床を伴います。化学解析は、これらの岩石が沈み込み由来のマグマに典型的な特徴を持つことを示しています：溶けやすい特定の元素が濃集し、逆に固体鉱物に閉じ込められやすい元素が不足しています。またストロンチウム、ネオジム、ハフニウム同位体は、沈み込むスラブによってもたらされた地殻物質がこれらの岩石の成因に重要な役割を果たしたことを示しています。

地質学では説明しにくい重い鉄

研究チームがこれらの弧状帯岩石の鉄同位体を測定したところ、通常のマントル起源溶岩よりわずかに重い鉄が多い、いわば「重い」値が得られました。世界の多くの弧状帯溶岩はむしろ軽い鉄を示すのが普通です。著者たちはこのような変動について一般的な説明を系統的に試しました。マグマが上昇・冷却する過程で起きる鉱物結晶化、陸塊地殻との混合、あるいは後の風化などの表層過程では、この重い鉄を説明できませんでした。弧の下のマントルがどれだけ溶けたかの差でも説明できませんでした：鉄とモリブデンの同位体データはいずれも、部分溶融だけでは観測された変化を説明するにはあまりにも小さい変化しか生じないことを示しています。

鉄とモリブデンで隠れた堆積物を追う

重い鉄の供給源を突き止めるために、研究者らは自身のデータを世界中の弧状帯溶岩の既存の測定値と比較しました。蛇紋岩による水和など既知の影響を受けた試料を除外した後、多くの斑れい岩質（マフィック）弧状岩石における鉄同位体と放射性ストロンチウムやネオジムとの相関が見られ、これらは再循環した堆積物を示すシグナルです。第二の手がかりはモリブデンから得られます。モリブデンも同位体が地表環境条件に敏感な元素です。扶東の岩石は比較的重いモリブデンと高いセリウム対モリブデン比を示しており、この組み合わせは、かつて酸素の乏しい（無酸素）条件で形成された堆積物、例えば古代の限定的な海域や湖で堆積した黒色頁岩や鉄鉱層からの投入によって最もよく説明されます。

無酸素の海底から変質したマントルへ

ここで代理として用いた中国の三峡地域の黒色頁岩は、重い鉄と非常に重いモリブデン同位体の両方を示します。モデル化によれば、こうした堆積物由来の溶融物が沈み込むスラブ上方のマントルウェッジに1〜10パーセント程度混入するだけで、扶東の弧状岩石に見られる鉄、モリブデン、ストロンチウム、ネオジムの組合せシグネチャーを再現できます。これらの堆積物由来の水分を多く含む溶融物がマントルを浸透する際、ペリドタイトと反応して斜長岩（輝石）に富む岩石へ変質させます。斜長岩は一般にオリビンよりも鉄同位体が重くなる傾向があるため、このように変質したマントル源は観測された重い鉄のシグナルを持つ溶岩を自然に生み出します。

地球の深部再循環にとっての意味

簡単に言えば、本研究は一部の火成岩が、後に深部へ引き込まれたかつての酸素乏しい海底の化学的記憶を運んでいることを示しています。これらの弧状溶岩に見られる異常な鉄とモリブデン同位体のパターンは、無酸素堆積物からの溶融物がマントルに浸透してその性質を変え、再度溶融して火山を供給するという過程で最もよく説明されます。本研究は、このような堆積物が沈み込み帯で再循環され、弧状マグマの化学に大きな影響を与えうることを示す直接的な地球化学的証拠を提供します。これらの微妙な同位体指紋を解読することで、科学者たちは過去の海や湖と今日の新しい地殻を作るマグマとの連鎖を明らかにし、地球が表層物質をどのように絶えず再構築しているかをより鮮明に描き出せます。

引用: Wang, Z., Dai, LQ., Zhao, ZF. et al. Heavy iron isotopes in arc rocks reveal anoxic sediment recycling in subduction zones. Commun Earth Environ 7, 297 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03315-3

キーワード: 沈み込み帯, 弧状火山活動, 無酸素堆積物, 鉄同位体, モリブデン同位体