メルトインクルージョン：マグマの記憶を封じ込めた微小なタイムカプセル

地球内部で激しく変動するマグマの正体を突き止めることは容易ではありません。しかし、火成岩の中には、結晶が成長する際に周囲の溶融したマグマを小さな滴として取り込んだメルトインクルージョン（溶融物包有物）という構造が存在します。これは、いわばマグマの組成をそのまま保存した「タイムカプセル」のような役割を果たしており、地中深くでの圧力や温度、成分を解析するための極めて重要な手がかりとなります。

Key Facts

• 正体： 結晶成長時に取り込まれた微小なマグマの滴。
• サイズ： 多くは10〜80マイクロメートル（µm）という顕微鏡レベルの大きさ。
• 含有物： 急冷されてガラス化したマグマ、微小結晶、および揮発成分による気泡が含まれる。
• 重要性： マグマの貯蔵深度や噴火に至る上昇速度、揮発性成分の量を推定できる。
• 主要なホスト結晶： カンラン石、石英、長石、輝石などが代表的。

メルトインクルージョンの構造と特徴

メルトインクルージョンは、火山岩や深成岩の両方に見られます。その内部は、急速な冷却によってガラス状になった物質や、小さな結晶、そしてガスが溜まった気泡などで構成されています。特に、互いに混ざり合わない複数のメルト相が共存している場合があり、これは取り込み時に複数のマグマが存在していた直接的な証拠となります。

一つの結晶の中に複数のインクルージョンが含まれることは一般的であり、それぞれの滴が異なるタイミングや環境で取り込まれた情報を保持している場合があります。

これらの微小な構造は、熱水系に見られる流体包有物と似た性質を持っており、分析することで当時の環境圧力を復元することが可能です。

高度な分析手法による成分解明

サイズは極めて小さいものの、現代の分析技術を用いることで膨大な情報を抽出できます。特に水（H2O）や二酸化炭素（CO2）などの揮発性成分の分析は、マグマの貯蔵深度や脱ガス過程、上昇速度を解明する鍵となります。

化学分析の主要アプローチ

• FTIR（フーリエ変換赤外分光法）： 赤外線レーザーを用いてガラス相中のH2OやCO2の濃度を測定します。
• ラマン分光法： ガラス相や気泡内の振動バンドを特定し、揮発成分の同定やCO2の密度測定に利用します。
• SIMS（二次イオン質量分析法）： イオンビームを照射し、揮発性元素や微量元素を高精度に定量します。
• EPMA（電子プローブマイクロ分析）： 主要元素や微量元素の濃度を測定し、親マグマのタイプや結晶化後の変化を調べます。
• LA-ICP-MS： レーザーアブレーションを用いた質量分析で、微量元素の組成を迅速に解析します。

また、可視光顕微鏡では捉えきれない内部構造を詳細に把握するため、X線マイクロトモグラフィーによる3次元イメージングも活用されています。

加熱実験（マイクロサーモメトリー）

顕微鏡に装着した高温ステージを用いてインクルージョンを加熱し、元の溶融温度まで戻す手法があります。これにより、相変化を直接観察したり、気泡を再溶解させて均質なガラス相に戻すことで、全体の揮発成分予算を正確に算出したりすることが可能です。

カンラン石ホストの重要性と水素拡散

特にカンラン石（(Mg, Fe)2SiO4）に取り込まれたメルトインクルージョンは、地質学的に非常に価値が高いとされています。カンラン石はボーエンの反応系列において早期に結晶化するため、分化や同化、脱ガスなどの後続プロセスで組成が大きく変わる前の、原始的なマグマの状態を記録している可能性が高いためです。

ただし、分析にあたっては水素拡散という現象に注意が必要です。研究により、800〜1000℃という比較的低温でも、水素（プロトン）がカンラン石の結晶格子を通じて拡散することが分かっています。この拡散は結晶軸によって速度が異なり、またシリカ（SiO2）が関与する化学反応を伴うため、インクルージョン内の水分量や主要元素組成が時間とともに変化（脱水または加水）することがあります。

地質学的解釈と歴史

メルトインクルージョンは、外部から遮断された「微小な圧力容器」として機能します。これにより、結晶化後の変化を受ける前のマグマの組成や、噴火を駆動する揮発性成分（H2O, CO2, S, Cl, Fなど）の量を推定でき、火山活動のメカニズム解明に寄与します。

この分野の歴史は古く、1858年にヘンリー・クリフトン・ソービーが初めて結晶中の微小なインクルージョンを記録しました。その後、第二次世界大戦後の旧ソ連の科学者たちが顕微鏡下での加熱手法を開発し、さらにハワイのキラウエア火山などの研究を通じて、深部マグマの揮発性成分分析へと発展してきました。

分析手法	主な測定対象	得られる情報
FTIR / ラマン分光	H2O, CO2	揮発性成分濃度、気泡密度
SIMS	揮発性元素、微量元素	高精度な元素定量（ppmレベル）
EPMA	主要元素、微量元素	親マグマの特定、結晶化後の変化
X線マイクロトモグラフィー	内部構造（3D）	各相の正確な体積・寸法
高温ステージ加熱	相転移、均質化	元の溶融温度、全揮発成分量

Frequently Asked Questions

メルトインクルージョンと流体包有物の違いは何ですか？

メルトインクルージョンは、マグマのような「溶融した岩石（メルト）」を取り込んだものです。一方、流体包有物は、熱水系などの「水やガスなどの流体」を取り込んだものを指します。どちらも結晶内に閉じ込められた微小な領域である点は共通しています。

なぜカンラン石の中のインクルージョンが重視されるのですか？

カンラン石はマグマから非常に早い段階で結晶化するため、その後の分化作用や脱ガスによって組成が変化する前の、より原始的なマグマの情報を保持している確率が高いためです。

気泡が含まれている場合、分析にどのような影響がありますか？

気泡には相当量のH2OやCO2が含まれている可能性があるため、ガラス相だけを分析すると全体の揮発成分量を過小評価することになります。そのため、ラマン分光法で気泡を分析するか、加熱して再均質化させる必要があります。

水素拡散によってデータが書き換えられることはありますか？

はい。特にカンラン石の場合、水素が結晶格子を通じて出入りするため、時間の経過とともにインクルージョン内の水分量が変化することがあります。この現象は、マグマの上昇速度を推定するクロノメーターとして利用される一方で、組成の正確性を損なう要因にもなります。

どのような岩石からメルトインクルージョンが見つかりますか？

火山岩（溶岩など）や深成岩（花崗岩など）の両方で見つかります。石英、長石、カンラン石、輝石、アパタイトなどの様々な造岩鉱物の中に存在します。