物理的地質学

火山や火山源の種類は数多くあり、よく見られるものを表4.1にまとめている。

表 4.1 火山活動の重要なタイプの要約

典型的な盾状火山、複合火山、噴石火山のサイズと形は図 4.9 で比較していますが、公平に言って、マウナロアは地球上で最大の盾状火山で、他のすべては小さいのです。 マウナロアは周囲の平坦な海底から隆起しており、その直径は200km程度である。 標高は4,169m。 セントヘレンズ山は複合火山で、カスケード山脈の丘の上にそびえています。 直径は約6kmで、標高は2,550mです。 噴火口はもっと小さい。

BC州北部のイブコーン（図4.10）のような噴石丘は、通常直径数百メートルで、200メートル以上の高さはほとんどない。 多くは、マグマが地表に近づいたときに沸騰して火山噴火を起こし、排出された小球状の苦鉄質岩（スコリア）の破片でできている。 これらは、後にガスが枯渇すると噴出物（溶岩流）となるケースが多い。 ほとんどの噴石丘は単成噴火で、数週間から数カ月にわたる1回の噴火で形成されたものである。 噴石丘は、ほとんど緩い破片でできているため、強度はほとんどありません。

Composite Volcanoes

ワシントン州のセントヘレンズ山のような複合火山（図4.11）は、ほとんどすべて収束プレート境界-海洋-大陸または海洋-海洋境界での沈降に関連しています（図4.4b）。 これらは、周囲の地形から数千メートルまで広がり、傾斜は最大30˚で、通常、10kmの大きさになります。 多くの火山では、マグマは地殻上部のマグマ溜まりに貯蔵されています。 例えば、セントヘレンズ山では、幅約1km、地表下約6kmから14kmに及ぶマグマ溜まりが確認されている（図4.12）。 セントヘレンズ山の過去数千年にわたる火山活動の組成の系統的な変化は、マグマ溜まりが、上部でよりフェルシアン、下部でよりマフィックというように、ゾーン化されていることを示唆しています

一方、マフィック噴火（およびいくつかの中間噴火）は、溶岩流を生み出します。図4.13bに示したものは、十分に厚く（合計約10m）、柱状節理のパターンで冷却されました（図4.14）。 溶岩流は火山の輪郭を平坦にし（溶岩は通常、火砕屑物の落下よりも遠くまで流れるため）、断片的な堆積物を侵食から保護する。 それでも、複合火山は侵食が早い傾向にある。 ワシントン州天然資源局の火山学者パトリック・プリングル氏は、セントヘレンズ山を “ガラクタの山 “と表現しています。 セントヘレンズ山を構成する岩石は、流紋岩（図4.13a）から玄武岩（図4.13b）までの幅広い組成を持ち、このことは、過去の噴火の種類が大きく変化してきたことを意味しています。 すでに述べたように、フェルシックマグマは流れにくく、ガスも抜けにくい。 そのため、圧力がかかって導管が開き、図 4.13a のようにガスが豊富なマグマ溜り上部から火砕物が発生する爆発的噴火が起こる。 このような噴火は、火山の氷や雪を急速に溶かし、ラハール（図 4.13a）と呼ばれる大規模な土石流を発生させることもある。 高温で高速の火砕流とラハールは、火山噴火における犠牲者の2大原因である。 1902年にカリブ海のマルティニーク島にあるペレー山が噴火した際、火砕流によって約3万人が死亡した。 そのほとんどは、家の中で焼却された。 1985年、ネバド・デル・ルイスの噴火によって引き起こされた大規模なラハールは、火山から約50km離れたコロンビアの町アルメロで23,000人の死者を出した。

地質学的な観点から見ると、複合火山は比較的早く形成され、あまり長くは持たない傾向がある。 たとえば、セントヘレンズ山は、すべて4万年よりも若い岩石で構成されており、そのほとんどは、3千年よりも若いのです。 もし火山活動が停止すれば、数万年以内に侵食されるかもしれません。 これは、強度のない火砕噴出物があることが大きな理由である。

シールド火山

ほとんどのシールド火山はマントル噴出物と関連しているが、陸上または海底の分岐境界で形成されるものもある。 非粘性のマフィックマグマのため、比較的緩やかな傾斜（2～10˚）を持つことが多く、大きいものでは直径100km以上になることもある。 最もよく知られているのはハワイ諸島の楯状火山で、そのうち活動中のものはハワイ島のみである。 世界最大の火山であり、世界最大の山（体積）であるマウナロアが最後に噴火したのは1984年のことです。 世界で最も活発な火山といわれるキラウエア火山は、1983年以来、ほとんど中断することなく噴火を続けている。 ロイヒは、ハワイ南東部にある海底火山です。 ハワイの火山はすべて、マウナロア、キラウエア、ロイヒの下にあるマントルプルームに関連している（図4.15）。 この地域では、太平洋プレートが年7cm程度の割合で北西に移動している。 これは、先に形成され、現在は死火山となっている火山が、マントルプルームからかなり離れたところに移動していることを意味します。 図4.15に示すように、ハワイの3つの活火山の下には、地殻のマグマ溜まりがあることがわかる。

キラウエア火山は目立つ山ではないが（図4-9）、山頂付近には大きなカルデラを持っている（図4-16）。 カルデラとは、直径2km以上の火山の噴火口のことで、この火山は長さ4km、幅3kmもあります。 ハレマウマウ火口と呼ばれる小さな地形を含み、その深さは周囲より200m以上深い。 火山のクレーターやカルデラの多くはマグマ溜りの上に形成されており、クレーターの底の高さはマグマ体による圧力の大きさに影響される。 キラウエアカルデラもハレマウマウ火口も、歴史的にはマグマ溜まりが膨張するときに床が上がり、膨張が収縮するときに床が下がるという現象がありました。 カルデラの大きさは約4kmで、深さは最大120mです。

キラウエア・カルデラの特徴として、水蒸気（図4.16の白い雲）の上昇と強い硫黄臭（図4.17）があげられる。 マグマ地帯によく見られるように、揮発成分は主に水であり、次いで二酸化炭素と二酸化硫黄である。 これらのガスや微量ガスは、深部のマグマ溜りから発生し、上部の岩盤の割れ目から上がってくる。 このマグマの脱ガスは、過去30年間のほとんどの間、爆発的噴火ではなく、噴出的噴火であるキラウエアの噴火様式にとって重要である。

1983年に始まったキラウエア火山の噴火は、カルデラの東約15kmにあるプウ・オオで噴石丘が形成されたことから始まりました（図4.18）。 この噴火をもたらしたマグマは、カルデラから南東、そして東へと約20kmにわたって延びるイースト・リフトと呼ばれる主要なコンジットシステムに沿って流れた。 溶岩の噴出とプウ・オオ噴石丘（図 4.19a）の建設は 1986 年まで続き、その後、溶岩流は噴出型に変化した。 1986年から2014年まで、プウ・オオの南側山麓の隙間から溶岩が溶岩チューブ（図4.19d）を通ってキラウエアの斜面を流れ、海またはその近くに出ていた。 2014年6月以降、溶岩は北東に流れている（演習4.4参照）

噴出性海底噴火でできる地層には、主にパホエホとアアの2種類があります。 パホホは非粘性溶岩として形成されるローピーな溶岩で、穏やかに流れ、表面下で溶岩が継続的に流れるためにゲル化し、その後シワになる皮膚を形成する（図4.19b、および「溶岩流ビデオ」）。 Aa（ブロック状溶岩）は、マグマがその能力よりも速く流れることを余儀なくされた場合（例えば、斜面を下る場合）に形成される（図 4.19c）。 テフラ（溶岩片）は爆発的噴火の際に生成され、噴石丘の周辺に蓄積されます。 赤い光は、プウ・オオ噴火口から8kmにわたって地下を流れてきた非常に熱い溶岩（約1200℃）の流れによるものです。 楯状火山と複合火山の両方で溶岩洞が自然かつ容易に形成されるのは、流れたマフィック溶岩がその縁辺付近で優先的に冷却され、固い溶岩堤を形成して最終的に流れの頂上を覆うからです。 溶岩チューブ内のマグマは空気に触れていないため、高温で流動的な状態を保ち、何十キロメートルにもわたって流れ続けることができる。 ハワイの火山には何千本もの古い溶岩洞があり、中には50kmにも及ぶものもあります。

キラウエアの年齢は約300Kaで、隣のマウナロアは700Ka以上、マウナケアは1Ma以上である。 もし、ハワイのマントルプルームの上で、過去85Maと同じように火山活動が続けば、キラウエアは少なくともあと50万年は噴火を続けると思われます。 その頃には、隣のロイヒは海底から顔を出し、他の隣のマウナロアやマウナケアは、北西にあるいとこの島々のように、かなり浸食されているでしょう（図4.15）

Large Igneous Provinces

ハワイのマントルプルームが比較的少量のマグマを非常に長い時間（～85 Ma）生成しているのに対して、他のマントルプルームはあまり一貫せず、中には比較的短期間に大量のマグマを生成しているものもある。 その起源についてはまだ議論があるが、大規模火成岩地域（LIP）に至る火山活動は、マントルプルームから大量かつ比較的短時間に噴出するマグマに関連していると考えられている。 LIPの一例として、ワシントン州、オレゴン州、アイダホ州にまたがるコロンビア川玄武岩群（CRGB）がある（図4.20）。 この火山は約16万km2の面積に厚さ数百mの玄武岩で覆われており、17〜14Maの間に起こった。

他のLIP噴火のほとんどはもっと大きいです。 ペルム紀末の250Maに噴出したシベリアのトラップ（これも玄武岩）は、CRBGの約40倍の溶岩を出したと推定されている。

CRBGの原因とされるマントルプルームは、現在イエローストーン地域の下に位置しており、そこでフェルシック火山が起こることになる。 過去2Maの間にイエローストーンで起こった3つの非常に大きな爆発的噴火によって、約900km3のフェルシックマグマが得られたが、これは1980年のセントヘレンズ山の噴火の約900倍であり、CRBGのマフィックマグマの体積の5％にすぎない。

海底火山

いくつかのLIP噴火は海底で起こり、最大のものは西太平洋で122Ma前後にオントンジャワ台地を形成したものであった。 しかし、海底火山の多くは分岐境界で発生し、比較的低容量の噴火を伴う。 このような条件下では、冷たい海水中ににじみ出た高温の溶岩は、外側が急速に冷えて、まるで歯磨き粉のような状態になる。 このような溶岩の塊はピローと呼ばれ、海底の溶岩噴出孔の周囲に山積みとなる傾向がある（図4.21）。

キンバーライト

これまで述べてきた火山活動は、すべて上部マントルか地殻内の部分溶融に由来すると考えられていますが、キンバーライトという特殊なクラスの火山があり、その起源はもっと深いマントル、150kmから450kmの深さにあるのだそうです。 キンバーライト噴火では、この深さの物質が、周囲の岩石とほとんど相互作用することなく、数時間から数日のうちに地表に到達する。

深さ200km以上の古い厚い地殻（シールド）の下の領域で発生したキンバーライト噴火は、マントル内のダイヤモンドの安定領域を横断し、いくつかのケースではダイヤモンドを含む物質を地表にもたらす。 地球上のダイヤモンド鉱床はすべてこのようにして形成されたと考えられており、その一例としてノースウエスト準州の豊かなエカティ鉱山（図4.22）が挙げられる。22 Ekati diamond mine, Northwest Territories, part of the Lac de Gras kimberlite field

Ekati のキンバーライトは45～60 Maの間に噴出したものであった。 多くのキンバーライトはもっと古く、中にはもっと古いものもある。 歴史的な時代にはキンバーライトの噴火はない。 最も若いキンバーライトはタンザニアのイグジヒルズにあり、約1万年前のものです。 次に知られている若いものは約30Ma前である。