Subduction zone is believed to be an important tectonic environment where surface materials return to the mantle, and plays an important role in martial recycling in the earth. Subduction zone magmatism is more complicated and diverse as compared to those of mid-ocean ridges and hot spots mostly because of the contribution of H2O-rich fluid which is thought to be expelled from the subducting, and the complexity of thermal and flow structures of the wedge mantle. In order to understand such complex subduction zone magmatism, quantitative estimation of melting conditions and clarification of its tectonic controls must be done. In this thesis, melting conditions including, degree of melting, melting temperature, melting pressure, and H2O content in mantle were determined by more rigorous approach. This thesis is motivated from petrologic study of Aogashima Volcano, which is a extremity of tholeiite magmatisms, providing a key data set to enhance systematics observed among world arcs.

Basalt and basaltic andesite from Aogashima Volcano in the Izu arc are characterized by extreme FeO-enrichment, which is less extreme but the common feature of frontal volcanoes in the Izu arc. By looking at aphyric basalts and groundmass of plagioclase phyric basalts, which clearly represent melt, the series of the composition is identified as the differentiation trend for Aogashima Volcano. The fractionation trend and composition of plagioclase in the marginal part constrain the crystallization conditions of plagioclase: pressure of ~0.1GPa and water content of ~1wt%. Saturation water content at 0.1GPa is much higher than1~wt%, indicating that degassing cannot explain the low water content. The MgO content in plagioclase for a given An content shows a negative correlation with the FeOt/MgO of its groundmass, which shows a genetic relationship between plagioclase and the host groundmass. It is concluded that the primary magma of Aogashima Volcano is low in H2O when it formed in the mantle, and fractionated significant amount of plagioclase, giving rise to the extreme Fe-enrichment.

A rigorous least-squares approach to estimate melting conditions in the upper mantle from major element composition of a single volcanic rocks, in which crystallization and melting parameters are simultaneously and consistently optimized, is developed in this thesis. The optimized parameters are (1) degree of partial melting, (2) melting pressures, and (3) H2O content in primary melt as melting parameters, and (4) pressure of fractional crystallization and (5) temperature of erupted magma as crystallization parameters. Melting temperature is also estimated from the relationship among melting degree, melting pressure, and H2O content in the mantle.

Melting conditions were estimated for frontal volcanoes of world arcs. The estimated degree of partial melting ranges from 0.04 to 0.28. Volcanoes from the same arc show consistent degree of melting except for those from Central American arc. The melting pressure ranges from 1.2 to 2.3 GPa. The range of pressure in each arc is up to 1.0 GPa, but is mostly less than 0.5 GPa. There is a positive correlations between degree of melting and melting pressure, which can be regarded as the global trend. The H2O contents in the mantle show a weak positive correlation with degree of partial melting for the lower range of degree of partial melting (<0.18). At higher degree of partial melting, the H2O contents in source mantle vary widely. These estimations are roughly consistent with other studies, such as Plank and Langmuir (1988) or Sakuyama (1983). There is a good overall linear positive correlation between degree of melting and melting temperature as well as melting pressure and melting temperature. The abundance of high field strength elements (HFSEs) in the source mantle are also determined from the concentration in volcanic. The HFSE abundance in source mantle for world arcs is roughly overlapping with the depleted MORB source mantle and mostly less than the primitive mantle.

From a clear positive correlation between melting pressure and temperature, melting is inferred to be primary controlled by the decompressional melting of mantle with various potential temperatures as in the case of global correlation for MORB, and the most critical factor that controls arc magmatism is thought to be temperature of the wedge mantle, which is strongly controlled by the return flow induced by slab subduction. From the comparison with the estimated melting conditions and tectonic parameters, a controlling tectonic parameter is specified, which is the difference between absolute velocity of subducting slab and convergence velocity (Vabs-Vc). The Vabs-Vc show a positive correlation with melting temperature with a few exceptions. At the same time, the existence of back arc volcanism and extensional tectonics are associated with arcs with high Vabs-Vc. The across arc variation of melting conditions are estimated in the Izu arc, which shows two-dimensional distribution of melting temperature and H2O content in the mantle. The source mantle of frontal volcano is estimated to be depleted than that of backarc volcanoes, by extraction of a few % of batch melt. The two-dimensional structure of melting conditions provide robust constraint on melting mechanisms, thermal structure, and material transportation in the arc mantle wedge above the subducting slab.

本論文は一つの火山岩の主成分化学組成から、上部マントルでのマグマ生成条件全てを明らかにする手法を提案し、それを世界の島弧火山岩に適用し、島弧上部マントルにおけるマグマ生成メカニズムを明らかにしたものである。これまでマグマの生成条件は、いくつかの手法で推定されてきたが、一つの火山岩から主要な融解条件である、温度、圧力、融解度、ソースマントル中の含水量と微量元素濃度を全て決定する手法は、非常にオリジナリティーの高いものである。また、近年の研究では、沈み込みスラブからの水の供給が沈み込み帯での主要なマグマ生成メカニズムであると考えられるようになってきていたが、本論文では、この「常識」を覆し、沈み込みスラブや島弧プレートの運動によって誘発されるマントル上昇が融解の主要因であることを明らかにした。本論文は、従って沈み込み帯でのマグマ活動の理解を大きく前進させるインパクトを持つ非常に重要な成果であると言える。

本論文は、8章より構成され、第1章は、本論文全体のイントロダクションであり、島弧マグマ活動を駆動する主要因と考えられるマントルウェッジへのスラブ流体の流入とマントルの上昇の二つが、それぞれどの程度マグマ生成に寄与しているのか不明であるという事を指摘し、この問題を解決すべく設定した、全てのマントル融解条件の決定という研究目的を述べている。第2章では、島弧でのマグマ生成条件の推定、ソースマントル中の含水量の推定、島弧マグマ活動を支配するテクトニクスに関する徹底的な先行研究のレビューを行い、先行研究の問題点を浮き彫りにしている。

第3章では、世界の島弧火山の中でも最も極端な鉄の濃集を示している伊豆弧青ヶ島火山の岩石学研究をまとめ、第4章以降で推定する融解条件の一つである、ソースマントル中の含水量を火山岩の主成分組成から推定する方法の基本原理を確立している。すなわち、伊豆弧火山を特徴づける鉄の濃集が斜長石の早期晶出によっていること、斜長石の結晶化温度がマグマ中の水の量によって大きく変化することを示した上で、鉄の濃集程度が水量計として使えることを示している。また、青ヶ島火山の無斑晶質玄武岩の低含水量が脱ガスによって形成されたものではなく、上部マントルの融解条件を反映していることを、斜長石中のCa/(Ca+Na)とMgO含有量の負の相関関係に基づいて示している。

第4章は、本論文の最も中心となる章であり、一つの火山岩の主成分化学組成から、マントルにおける全融解条件を求める方法を述べている。この方法のオリジナリティーは、マントルで形成された始源的マグマを介して結晶分化作用とマントルの融解がカップリングしているという考え方である。すなわち、火山岩から始源的マグマ組成を決め、マントルでの融解条件を特定するためには、結晶分化作用(結晶化圧力と温度)と融解条件(融解圧力、温度、ソースマントル中の含水量)を同時にかつ整合的に推定しなければならないという事である。この考えに基づいて、最小二乗法を用い結晶化と融解のパラメータを最適化する方法を提示している。

第5章では、この方法を世界の島弧火山岩に適用する際の様々な問題点を指摘し、それらをどう解決したのか、また解決出来ていない場合には、予測される条件推定への効果と、問題解決への方向性について述べている。

第6章は、第4章と5章において提案した手法を世界の島弧に適用し、マントルの融解条件を決定した上で、それらの相関関係を検討し、融解圧力と融解度、融解圧力と融解温度の正相関、および融解度と含水量の関係が高融解度でばらつく事から、温度の異なるマントルの減圧融解が島弧マグマ活動の本質である事を指摘している。さらに、最適化した融解と結晶化のパラメータに基づいて、ソースマントル中の微量元素濃度を決定し、高結晶場強度元素が主として枯渇中央海嶺玄武岩ソースマントル組成の範囲に来ることを示している。

第7章は、融解条件と沈み込み帯のテクトニクスの支配要因である事を見いだした沈み込みの絶対速度と収束速度の差との相関関係を検討し、プレート運動がより深部からのマントル上昇を引き起こしやすい状況の時により高温・高融解度のマグマが生成されることを示している。最後に、島弧縦断、横断方向の融解条件の変化も検討し、島弧内部の温度構造、水の分布を明らかにできることも示している。第8章は結論である。

以上のように、論文提出者は、島弧火山岩の上部マントルでの全生成条件を明らかにし、沈み込みスラブと島弧プレートの運動によって引き起こされるより深部からのマントル誘発対流が島弧マグマ活動の本質であることを明らかにし、火山岩岩石学の発展に寄与する重要な成果をあげている。

したがって、博士(理学)の学位を授与できると認める。