希ガスは地球内部のマグマ源の状態やマグマの生成・移動に関する過程の識別に有効なトレーサーである。希ガスは化学結合をつくらないので、その同位体比の変化は放射起源同位体の付加程度の差などによって生じた異なった成分やそれらの混合の履歴を反映する。特に³He/⁴Heは大気などの表層物質の影響を受けにくいため、これまでマグマ源の識別に利用されてきた。一方、より重い希ガスの同位体比、中でも⁴⁰Ar/³⁶Arは表層物質による混染の影響を非常に受け易い。この変動が生じている場を特定できれば、その噴出環境を反映する大気的な成分の混入を高感度に検出し、その過程についての情報が得られる可能性がある。しかし、マグマの生成から噴出にいたる数多くの過程においての影響が考えられるため、どの段階が主要なのかの特定が非常に難しく、これまではそのような試みはなされてこなかった。

　中央海嶺玄武岩(MORB)は海底拡大系においてマントル物質から生成されるマグマの地球化学的特徴をもっとも反映した物質であると考えられている。そのマグマ源は海嶺軸直下のペリドタイトであると推定され、海洋島玄武岩等に比べて非常に一様な組成を示すことから、異なるテクトニクスの場での火成活動を比較する基準に用いられることが多い。例えば、³He/⁴Heは8±1R_A(R_A:大気の³He/⁴He)で特徴づけられ、グローバルに非常に一様である。一方、MORBの⁴⁰Ar/³⁶Arは大きな変動を示すが、一般的には、30,000以上の⁴⁰Ar/³⁶Arを示す共通の源物質からマグマが生じ、噴出に至る様々な段階で大気的な希ガス(⁴⁰Ar/³⁶Ar〜300)の混入を被るためであると解釈されている。

　これまでMORBのマグマ源の情報を得るためには、急冷ガラス部分が専ら用いられてきた。しかしながら、最も揮発性成分に富んだMORBの一つである2D43に対して、段階破砕法やレーザー加熱法などを適用し、ガス抽出段階での大気成分の寄与を抑えてもなお、それぞれの同位体に対して大気成分の寄与がみられることが知られている。このような単一試料内でみられる希ガス組成の変動がマグマの生成・移動に関する過程の情報を覆いかくしていた可能性が高い。本研究では、マグマの噴出以降の影響を抑えてマグマ起源の希ガス組成情報を得る手法を確立し、インド洋地域のMORBに応用した。

　先ず噴出時以降の変化は試料状態に反映されていると考え、新鮮な単一の枕状溶岩のガラス質部分の内での希ガス組成の変化を詳細に調べた。これは、試料に由来する大気的な成分の寄与を抑えるための試料選別の基準を確立するためである。その結果、実体鏡や顕微鏡下で観察される組織の違い(これは急冷表面からの深さに関連して変化する)と希ガス組成との間に関連があることが判った。色調や透明度にむらがある外縁やクラック沿いと考えられる部分では、大気的な組成の希ガスが段階加熱の際の低温段階で多量に抽出された。また、急冷結晶の晶出があり、結晶質部分への漸移層に近いと考えられる部分ではマグマ起源の成分の減少がみられた。それらの中間にあたる均質な部分は噴出マグマ固有の情報をより保持していることが推定できた。

　従って、試料選別に際しては「可能な限り均質な急冷ガラス部分を選び出す」ことが非常に重要であることが明らかになった。この際、例えば実体鏡下の観察などで均質性が充分に示されればよい。従来の希ガス分析において試料の選別にこれほどの考慮が払われているとの報告はほとんど例がない。

　次に、実際のMORB試料を対象に上記の基準を適用して試料を選別し、その有効性を検証した。この際、ガス抽出は段階加熱法によったが、これは試料のvesicularityが非常に低いため、破砕法が有効ではなかったことによる。一個の枕状溶岩から分け取った試料では⁴⁰Ar/³⁶Arは測定誤差の範囲内で一致し非常に良い再現性を示した。例えば、DR25Alb#2で17500±5600、DR25Alc#2で16100±600であった。これと同じ地点で回収された異なった岩石の分析値も非常に近く、DR25A2は14400±500を示した。このことは、得られた⁴⁰Ar/³⁶Arがその場に噴出したマグマの値を反映しているとみなしてよく、また、試料の選別が有効であったことを示している。

　更に本研究で確立した試料選択基準に基づいて、インド洋のロドリゲス海嶺三重点周辺地域の試料から、マグマの生成・移動過程における環境に対する制約条件を得ることを試みた。ここでは拡大速度の異なる3つの海嶺が会合しており、典型的な海嶺三重点の特徴を示す。試料は、中程度の拡大速度を持つ中央インド洋海嶺(CIR:両側拡大速度48mm/y)と南東インド洋海嶺(SEIR:55mm/y)で海嶺軸に沿って100kmにわたり採取されたものを用いた。

　希ガスの存在度は典型的なMORBの特徴(Heに富み重い希ガスほど減少する)を示す。³He/⁴Heは8.36±0.33R_Aでほぼ一様であり、Ne同位体比、Xe同位体比とも大西洋・太平洋で知られている変動の範囲内に収まる。一方、⁴⁰Ar/³⁶Arは16,000以下で太平洋・大西洋に比べてやや低い範囲にとどまっている。大気的な成分の混合に影響されにくいHeを除けば、いずれも大気的な成分を一方の端成分とする2成分の混合でこれらの特徴は説明できる。さらにマグマ起源の希ガス成分の量はマグマ源の溶融やマグマの脱ガス等を反映していると考えても矛盾がない。

　また、海嶺軸沿いに地形に対応して希ガス組成の変動、とくに⁴⁰Ar/³⁶Arに反映されるマグマに対する大気的な成分の寄与が見いだされた。得られた⁴⁰Ar/³⁶Arは同じセグメント内では類似した値を示し、その値が各セグメントにおけるマグマの噴出環境を反映している可能性が指摘できる。例えば、SEIRの第1セグメントでは30kmの距離にわたる3点試料で⁴⁰Ar/³⁶Arは6000内外と非常に近く、その領域は水深の浅い地形的な高まりと対応しているようにみえる。また、地形の切れ目にあたる三重点では⁴⁰Ar/³⁶Arは際だって高くなっている。このような地形ないし噴出位置と希ガス同位体比との対応は上記のような試料選別基準を適用して、噴出時以降に生じた大気的な成分の影響を除去した試料において初めて明らかになったことである。

　⁴⁰Ar/³⁶Arと³⁶Ar量を用いたプロットを作成すると、類似した⁴⁰Ar/³⁶Arを示す試料の中で³⁶Arの最も多いものどうしが2成分混合を示唆する直線をつくる。このことは、⁴⁰Ar/³⁶Ar≧16000の共通の端成分と大気的成分の混合した結果として解釈できる。しかもセグメント単位のグループ内で非常に近い⁴⁰Ar/³⁶Arを示す。これは、1試料の中でさえ容易に変動し得る大気的な成分の混合の程度が、噴出前のマグマにおいては少なくともセグメント程度の空間的なひろがりで均一化されていることを示唆する。

　そのような大気的な成分の混合の仕組みとしては、以下の2つの可能性が考えられる。第1は生成したマグマがマグマ溜まりまで上昇する間に平均化すると考えるもので、第2はマグマ溜まりの中で混合がおこり平均化されると考えるものである。しかしこの地域ではそれぞれの海嶺の拡大速度が比較的遅く、マグマ溜まりの連続性が期待できないため、第2のモデルの可能性は低い。一方、第1のモデルでは海洋地殻深部までキャリアーが達しそれとマグマとの混合がセグメント単位で均質化される必要があり、熱水循環が寄与していると考えられる。またこのことは、熱水循環系がセグメントを単位として生じている可能性を示唆する。

　さらに、大気的な成分の寄与の程度については海嶺の火成活動ならびにそれに関連した熱水活動との関連が示唆される。例えば、三重点の試料でこの地域でもっとも高い⁴⁰Ar/³⁶Arが示され、一方、発達したセグメントで水深も浅いSEIRの第1セグメントで⁴⁰Ar/³⁶Arが低くなっている。この地域では現在活動的な熱水湧出は発見されていないが、希ガス組成の変動からは熱水活動が反映されている可能性は高い。このことは、本研究で対象とした地域でのより詳細な調査により明らかにされよう。さらにこのような観点からグローバルな希ガス組成変動を解釈することが可能である。例えば、SEIRと同程度の拡大速度を示す太平洋のJuan de Fuca海嶺では、これまで非常に低い⁴⁰Ar/³⁶Arのみ報告されているが、これを活発な熱水活動の反映と解釈することができる。

　本論文は、海嶺玄武岩ガラスの希ガス同位体比測定において試料の選釈基準の厳密な検討を行なう必要があること、その基準を満たす試料を用いてインド洋の海嶺下における環境推定を試みた結果、従来の方法では見いだせなかった新しい情報を得ることに成功したことを報告している。本論文は基礎実験を主体とした第一部と、その応用を主体とした第二部に大別され、全体は5章で構成されている。また、実験装置の改良や岩石試料の化学組成などの記載が付録としてつけられている。

　第1章では、マグマの生成から噴出までの過程での希ガス同位体比の変化を考察し、マグマ噴出時以降の影響を取り除くことで、希ガス同位体比からマグマ源ないし地下で生じている現象を推察できる可能性を指摘している。

　第2章では、海嶺玄武岩の希ガス同位体比測定の際に従来から用いられてきた枕状溶岩表面に生成した急冷ガラス部分について、その試料の状態と噴出時ないしそれ以降に受けた二次的な影響との関係を詳細に調べている。枕状溶岩の表面から内側に向かって深さ別の薄片状試料の希ガス同位体比を測定し、最表面では海水の影響が見られること、また微斑晶が生成し始めているようなある程度内側の部分でも二次的な影響が見られることを示した。さらに急冷ガラスの電子顕微鏡観察、屈折率、水含有量などと希ガス同位体比との関係を調べ、それらをもとに二次的な影響が最も少ないガラス試料を選ぶ基準としては、実体鏡下の観察でも全く均質的な性質をもっている新鮮なガラスであることが重要であることを明らかにした。

　第3章では、インド洋、ロドリゲス三重点周辺の海嶺にそって採取された枕状溶岩を試料として、第2章で設定した基準によって厳選したガラス試料について、段階加熱を用いて希ガスを抽出し同位体比測定を行い、その結果を検討している。破砕法による脱ガスも試みているが、顕微鏡下では発泡等がほとんどみられないことを反映して希ガスは非常に僅かしか脱ガスされないことを示し、当該試料に対しての段階加熱法による希ガス抽出の妥当性を実証した。希ガス同位体比測定の結果、³He/⁴Heは大西洋、太平洋などの海嶺玄武岩と同様の値を示し、Ne,Xe同位体比は他の大洋地域で推定されている海嶺玄武岩のマグマ源と大気成分の混合により説明できることを示した。しかし、⁴⁰Ar/³⁶Arは3,000〜17,000程度で従来海嶺玄武岩に対して報告されている範囲ではあるが、今回の試料の場合、各セグメント内では類似の値を示すが、異なったセグメントでは異なる値を示すことを見いだした。大気成分などの影響を非常に受けやすいAr同位体比がセグメント毎に値が集中することは、その変動の原因が地表で生じたものではなく、マグマが地下にある間の環境を反映していることを強く示唆している。その値がマグマの噴出活動度が低いほど値が高くなる傾向のあることは、海嶺下での二次的な影響の度合がマグマの活動度にも関係している可能性を示唆している。

　第4章では、第3章で得られた結果もとに、ロドリゲス三重点周辺における海嶺下の環境を推定している。Ar同位体比のシステマテクスの解析から、海嶺玄武岩のマグマ源の値としては他の大洋地域と同様の値をもつと見なすことができ、その値の変動は海嶺下などにしみこんだ熱水などの影響によるとして説明できることを示した。さらにAr同位体比が数十Kmに及ぶセグメント毎に異なることから、熱水系がセグメント毎に異なった特徴をもって発達している可能性を示唆した。対象地域において熱水系の存在はまだ直接観察されてはいないが、他の地域における例から見ても今後の調査で発見される可能性がある。第5章は4章までの結果のまとめである。

　上述したように、本論文は従来地表噴出後の影響が大きくその値に関しての詳細な評価は困難とされてきた海嶺玄武岩ガラス中のAr同位体比について、綿密な試料選択基準を設定し、厳密な同位体比測定を行うことにより、マグマ噴出前の値を特定し、従来の方法では見いだせなかった海嶺下における大規模な熱水循環系の存在を示すことに成功した。このことは新しい方法論の確立と新しい現象の発見という意味で、地球科学の分野にとって非常に大きな意義を有している。

　なお本研究の一部は兼岡一郎氏との共同研究であるが、論文提出者が主体となって分析及び結果の検討を行ったもので、論文提出者の寄与が十分であると判断する。

　したがって、本審査委員会は全員一致で博士(理学)の学位を授与できると認める。