柱状節理は低温の発泡膨張,板状節理は高温の流動剪断でできる


正会員 石渡 明

1.序論

  地学事典は,溶岩・岩脈・岩床等に見られる柱状節理(columnar joint)について,「岩体の冷却時の体積収縮によって形成され」,「柱状節理の間隔(spacing)は冷却速度に比例し,ゆっくり冷えれば間隔が大きくなると考えられている(Spry, 1962)」と記し,板状節理(platy joint)も「冷却時に形成される」と記している(平野・横田, 1996).米国の地質学辞典も柱状節理を「冷却中の収縮の結果できる」とするが,板状節理の語はない(Neuendorf et al. 2005).構造地質学の教科書は,柱状節理と板状節理を「岩体の収縮を解消するために形成される冷却節理(cooling joint)」としている(狩野・村田, 1998, p. 171; 金川, 2011, p. 118).火山学では,森本(1958, p. 92)の「柱状節理の六角の柱は,冷却面に直角に発達する.板状節理の板の方向は,溶岩の流理面を代表している」が至言であり,McPhie et al. (1993, p. 71) も図入りで同文を記す.地質学の藤本(1977, p. 121)も「柱状体は冷却面に直角」とし,日本の柱状節理の写真集(山本, 2009)を見ると,確かに柱状節理の方向は重力と無関係で,冷却面に直角に見える(垂直な岩脈では柱が水平方向,ドーム状の岩体では放射状).しかし,板状節理が流理面を代表するなら,それは溶岩の流動方向を表し,必ずしも冷却面と一致しないのではないか.また,同じ冷却節理なのに,どういう条件で一方は柱状節理,他方は板状節理になるのか,どの事典・教科書も説明していない.

  ところで,安山岩の火山の火口周辺にはしばしば「パン皮火山弾」(bread-crust bomb)が落ちていて,その表面にはフランスパンの皮(または揚げ煎餅や鬼あられ)のような割れ目が発達し,それは柱状節理に似ているが,この割れ目は「火山弾の表面が急冷されて固結した後も,内部は可塑性を保ち発泡が続いたために生じた構造」とされている(荒牧, 1996).つまり表面の急冷収縮ではなく,内部の発泡膨張によって表面が亀甲状に割れるのである.McPhie et al. (1993, p. 82, #3) は枕状溶岩の表面の割れ目が内部の膨張により海嶺のように拡大した様子を示しているが,これは発泡ではなく新しい溶岩の供給による膨張だろう.では,溶岩・岩脈・岩床等が冷却過程で発泡により膨張することはないのだろうか.
 

  一般論として,衝撃や摩擦,広域応力場など外的な原因がない条件で,物体の表面部分に張力割れ目が生じる場合,‘睇瑤梁寮僂亙儔修擦困防縮棉分の体積が減少(収縮)するか,表面部分の体積は変化せずに内部の体積が増加(膨張)するか,I縮棉分の収縮と内部の膨張が両方同時に起きるか,いずれかのはずである.小論では,柱状節理の成因説として地学事典や多くの教科書に記述されてきた(そして私も長年授業で学生に説明してきた),旅佑┐狼震笋任△蝓き△泙燭廊の考えが妥当と考えられること(つまり柱状節理はパン皮火山弾の割れ目と同じメカニズムでできること),溶岩・岩脈・岩床等が冷却する時は,温度が高くて時間当たりの体積収縮率が大きく,まだマグマに流動性がある冷却の初期には,まず板状節理が形成され,その後冷却がかなり進んでから発泡による岩体内部の膨張によって柱状節理が形成されることを述べる.そして発泡による膨張が生じない場合,規則的な柱状節理は形成されず,板状節理だけが発達することについても述べる.
 

2.柱状節理と板状節理の出現頻度

  例えば,箱根火山の溶岩において,柱状節理と板状節理の出現頻度は同程度である.神奈川県立生命の星・地球博物館(2008)の露頭写真と説明に基づいて数えると,柱状節理が発達するものが6つ((数字はページ数,Gはグループ)文庫山の屏風山溶岩 (27),箱根町湯本の山崎付近の早川右岸の米神溶岩G (78),真鶴町真鶴の本小松溶岩G (78-79),湯河原町吉浜の幕山溶岩ドーム (25),湯河原町の外輪山南東部 (75),熱海市の初島溶岩 (5, 19)),板状節理が発達するものが5つ(小田原市根府川の根府川溶岩G (78),真鶴町真鶴の白磯溶岩G (75),南足柄市苅野明神林道の苅野溶岩G (19),箱根町芦ノ湖畔の白糸川溶岩G (21),御殿場市東田中の長尾峠溶岩G (23))である.両者が1つの溶岩に同程度に発達する場合もあるが,柱状節理がほとんど見られず,板状節理のみが発達する溶岩もある.諏訪の鉄平石など,いわゆる洪水安山岩は板状節理のみのものが多い(図1)(永尾ほか, 1995).

 
図1.熊本県水俣市長崎なべ滝の肥薩火山岩類の「洪水安山岩」の板状節理.柱状節理はほとんど見られない.永尾ほか(1995)と佐藤・石渡(2015)参照.本図以下全ての写真は石渡撮影.
 
  図2.山口県下関市角島の中期中新世のかんらん石玄武岩の溶岩.流理構造と板状節理は頭が南向き(画面で右向き)の押し被せ褶曲をなし,柱状節理はその褶曲構造と無関係に,褶曲構造を切って鉛直方向に発達する(東山ほか, 2012; 佐藤・石渡, 2015).
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3.柱状節理と板状節理の前後関係

  ある1つの溶岩に柱状節理と板状節理の両方が見られる場合,どちらの節理が先にできたかは,切り合いの関係を見れば決定できる.この2種類の節理の切り合いの関係を最もよく示すのは,山口県下関市角島(つのしま)北部海岸の牧崎溶岩(中新世の大津玄武岩類の一部)の露頭である(東山ら, 2012; 佐藤・石渡, 2015, Fig.8).ここでは数cm間隔の板状節理が発達したかんらん石玄武岩の溶岩が,軸面がほぼ水平な押し被せ(おしかぶせ)褶曲(しゅうきょく)をなしており(流理構造とそれに平行な板状節理が頭を南向きにして褶曲),約1m間隔の柱状節理はその褶曲構造を切って(褶曲とは無関係に)鉛直方向に形成されている(図2).このことは,溶岩が流動中に既に板状節理が形成され,溶岩が何らかの障害物を乗り越える時に押し被せ褶曲が形成され,その後溶岩が褶曲構造を保ったまま冷却固結する過程で(褶曲構造とは無関係に)鉛直方向に柱状節理が形成されたことを示している.このことは,板状節理が柱状節理よりも早い時点で,溶岩がまだ流動できるような高温の状態で形成されることを示している.
 

 
図3.宮城県岩沼市上河原の安山岩溶岩の採石場に見られる,高温状態で形成された板状節理の割れ目を埋めたと考えられる10〜15cm間隔の4本の平行な分結脈をもつ転石.風化面で白っぽく見える,画面で上下に延びる幅5mm程度の脈が分結脈(木本・石渡, 2014).新鮮な面では見分けにくい.2013年6月10日撮影.     図4.チューブの中を重力によって下降するマヨネーズに形成される水平方向の平行な割れ目群(板状節理).冷蔵庫の中に出口を下にした逆立ち状態でしばらく立てておいた後で,チューブを横にして撮影.適度な粘性が条件であり,どのマヨネーズでもできるわけではない.
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4.板状節理の形成

  節理の割れ目の充填物も,割れ目ができた時期の判断に役立つ.木本・石渡 (2013, 2014) は宮城県岩沼市上河原の採石場に露出する中期中新世の厚さ110mのほぼ水平な安山岩溶岩を調査した.この溶岩には約1m間隔の鉛直方向の柱状節理が発達するが,一見すると板状節理は見られない.しかし,よく観察すると,溶岩の下部(下底から高さ6〜14m)・中部(45〜64m)・上部(80〜95m)の3層準に,柱状節理と直角の方向(ほぼ水平方向)に,幅1〜15mmの細粒の脈が5〜15cmの間隔で見られる(図3).これらは板状節理の割れ目を埋めた分結脈と考えられる.つまり,板状節理が形成された時点では,まだ結晶粒の間に融液がかなり残っていて,結晶分化作用が進行した融液(残液)が板状節理の割れ目に浸み出し(分結し),その割れ目を埋めたと考えられる.分結脈が雁行状になっていることがあり,溶岩の流動による剪断変形が原因と考えられる.一部の分結脈はピジョン輝石を含み,脈の全岩化学組成は溶岩全体の約70%が結晶化した後の残液であることを示す.柱状節理はこれらの分結脈をその固結後に切断しており,柱状節理は分結物を伴わない.  
  板状節理が溶岩流動中の剪断力によって流理面に沿って形成されるのなら,垂直な岩脈やパイプ中では板状節理も垂直のはずである.しかし,板状節理は重力方向の張力によっても形成され得る.例えば,適度な粘性をもつマヨネーズ(「サラリア」がよい)を,チューブの半分程度まで使用した後,出口を下にして(逆立ち状態で)冷蔵庫に立てておくと,マヨネーズが重力によって出口に向かって下降する過程で,ほぼ水平な割れ目群(板状節理)が形成される(図4).半固結のマグマ中で,熱収縮あるいは側方へのマグマの流出などの物理的原因によって重力方向の張力が働き,このような水平方向の割れ目が生じることはあり得る.しかし,重力説なら,垂直な岩脈中でも板状節理は水平のはずであるが,実際には重力方向とは無関係に,流理面と平行(または雁行状)に板状節理が発達する例の方が多い(森本, 1958; McPhie et al. 1993).つまり,板状節理は,主にマグマの流動による剪断が原因で形成され,単純な冷却節理ではないと考えられる.そして,柱状節理よりも時間的には早く,マグマがまだ流動性をもつ,より高温状態の時に形成されると考えられる.
 

5.柱状節理の形成

  角島の例から,溶岩がまだ流動中の高温状態で板状節理が形成された後,溶岩が停止してかなり冷却してから柱状節理が形成されたことが明らかである.そもそもそのような低温条件では,時間当たりの冷却収縮率は小さく,冷却割れ目はできにくいはずである.ただしその時点でも溶岩は100%固結していたわけではなく,気体成分に富んだ,分化した残液が結晶粒間にまだ残っていた可能性がある.木本・石渡(2013)は岩沼の安山岩溶岩について,約1m間隔の柱状節理に囲まれた溶岩柱(以下「柱」と呼ぶ)の断面において各部分のドリルサンプリングを行い,柱の中心部と周辺部で石基斜長石の粒径や岩石の帯磁率を調べた(図5).柱の中心部では周辺部よりも石基斜長石の粒径(長辺)が約30%大きく,帯磁率も15%ほど高かった(これは中心部の磁鉄鉱の粒径が大きいことを示唆する).柱状節理が形成されると,その割れ目を通じて空気や水が循環し冷却が促進されるので,柱の周辺部は中心部に比べてより速く冷却される.この違いが石基の斜長石や磁鉄鉱の結晶成長に影響したと考えられる.また,木本・石渡(2014)はこれらのドリル試料の密度を測定し,柱状節理の節理面に接する岩石は柱の内部の岩石よりも密度が低く,鏡下では発泡が見られることがわかった.これは,割れ目の形成に伴ってその直近のメルトが減圧発泡したことを示唆する.ただし,柱状節理の割れ目に末期の残液が分結している例は発見できなかった.
  なお,溶岩・岩脈・岩床等の中央部で柱状節理が不規則になる場合があるが(colonnadeからentablatureへ),これは冷却の進行と水の侵入(Jerram and Petford, 2011)による発泡の局所化を意味する可能性がある.また,柱状節理に六角形が多いのは,三角形や四角形より割れ目形成に要する力が小さいためと説明されている(藤本, 1977, p. 121脚注).

 
図5.宮城県岩沼市上河原の採石場の柱状節理に囲まれた幅約1mの「柱」の断面.多数の黒点はドリルサンプリングの跡(木本・石渡, 2013).実は,最初このドリルサンプルの薄片に分結脈を発見し,露頭を再調査して分結脈の普遍性を確認した.



 
   図6.新潟県佐渡市小木の沢崎鼻のピクライト岩床に発達する水平方向の気泡レーヤリングと鉛直方向の柱状節理(Toramaru et al. 1996).気泡が多い層が波浪によって深く侵食され,崖の面が段々になっている(似ているが板状節理ではない).海岸露頭では顕著だが,内陸露頭での気泡レーヤリングの確認は困難である.
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6.議論

  柱状節理の成因について,古くは対流セル説等の様々な考えがあったが,現在は溶岩・岩脈・岩床等の冷却収縮によってできるという説が広く受け入れられていて,私を含めてこれを疑う人はほとんどいなかった.これは水に溶いたデンプン粉を皿に入れて,上から白熱電球で照らして水を蒸発させ,デンプン粉の層の中に柱状節理によく似た蜂の巣パターンの鉛直方向の割れ目(乾裂)ができることを示すアナログ実験 (Müller, 1998) によって説得力を強めた.この場合,デンプン層の上部が収縮し,下部はあまり収縮しないために,上部に割れ目が生じて時間とともに割れ目が下方に伸長し幅が拡大していく.しかし,もし表面部分の冷却収縮によって柱状節理ができるのなら,どの溶岩にも同様に柱状節理が発達するはずであり,柱状節理がなく板状節理だけが発達する溶岩(図1)が多数存在することを説明できない.さらに,この実験は柱状節理が冷却のかなり遅い時期に形成することも説明できない.冷却早期の方が時間当たりの収縮率が大きく,節理ができやすいはずである.
  また,佐渡のピクライト岩床や羽越地域のドレライト岩床では,かなり結晶化が進んで残液中に気体成分が濃集した時,岩体の上面から内部に向かって周期的な発泡が進行し,「気泡レーヤリング」と呼ばれる縞状構造が形成されることが報告されている(図6)(Toramaru et al., 1996; 高橋・石渡, 2012, p. 123).これらの岩体にも柱状節理が発達しており,柱状節理が岩体内部の発泡膨張によって形成されたことを支持する1つの証拠になる.結晶化の進行とともに気体成分が残液に濃集し,周辺部から内部に向かって周期的に発泡・膨張するのであれば,柱状節理の遅い形成時期や分結物が見当たらないことも説明できる.

7.結論

  物事は相対的であり,溶岩の表面が収縮するのではなく,内部が膨張しても同じ効果(柱状節理)が生まれるはずである.柱状節理は,溶岩の冷却時の発泡によって,内部が膨張する時に形成されるのではないか.つまり,パン皮火山弾の表面の割れ目と同様のメカニズムで形成されるのではないか.気体成分が少ない,気泡の核が少ない,物理的な震動が少ない等の条件によって冷却中に気泡が成長しない場合は,内部の膨張が起こらないので柱状節理ができず,高温の流動時に形成された板状節理だけが見られるのではないか.このように考えると,上述の板状節理と柱状節理の時間的前後関係と充填物の有無,なぜ1つの火山の似たような化学組成の溶岩群に柱状節理の発達した溶岩と板状節理の発達した溶岩がほぼ同数あるのかが説明可能になる.柱状節理は低温の岩体内部の発泡膨張,板状節理は高温の流動剪断で形成され,どちらも単純な冷却節理ではない.これが小論の結論である.ここで述べた柱状節理の「膨張説」は,まだ例証が少なく,仮説の段階であり,今後の検証が必要である.検討項目として,柱状節理の有無や間隔と発泡度の関係,柱状節理面に分結した末期残液の発見と化学分析等がある.検討の際,溶岩は冷却によって収縮するとは限らず,発泡して膨張することもある(場合によっては爆発して火砕流になる)ことを念頭に置くべきである.
 

謝辞:調査を許可していただいた岩沼市上河原の有限会社平間砕石様に感謝する.箱根火山の調査にご協力いただいた神奈川県立生命の星・地球博物館の平田大二氏に感謝する.拙稿を読んでご意見をいただいた棚瀬充史,池田保夫,武田和久の各氏に感謝する.
 

文 献

  • 荒牧重雄 (1996) パン皮火山弾.平凡社 地学事典, p. 1051.
  • 藤本治義 (1977) 改訂増補 新地質学汎論.地人書館.310 p.
  • 東山陽次・永尾隆志・長嶌真理子 (2012) 山口県下関市角島に分布する中新世玄武岩類の地質と岩石.火山学会講演予稿集, p. 59.
  • 平野昌繁・横田修一郎 (1996) 柱状節理,板状節理.平凡社 地学事典, p. 829, 1055.
  • Jerram, D. and Petford, N. (2011) The Field Description of Igneous Rocks. Wiley-Blackwell. 238 p.
  • 金川久一 (2011) 構造地質学(現代地球科学入門シリーズ10 地球のテクトニクスII).共立出版.253 p.
  • 神奈川県立生命の星・地球博物館 (2008) 箱根火山 いま証される噴火の歴史(2008特別展図録).96 p.
  • 狩野謙一・村田明広 (1998) 構造地質学.朝倉書店.298 p.
  • 木本和希・石渡明 (2013) 宮城県岩沼地域に見られる安山岩溶岩の柱状節理と石基結晶の付随事実.日本地球惑星科学連合大会予稿集, SCG61-P11.
  • 木本和希・石渡明 (2014) 宮城県岩沼市に見られる玄武岩質安山岩複合溶岩流の内部分化過程--分結脈から柱状節理へ.日本地球惑星科学連合大会予稿集, SMP48-08.
  • 森本良平 (1958) 日本の火山.創元社(東京).218 p.
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  • 永尾隆志・長谷義隆・井川寿之・長峰智・坂口和之・山本正継・周藤賢治・林田賢一 (1995) 九州の平坦面を形成する安山岩の地質学的・岩石学的特徴:‟洪水安山岩”の提唱.地質学論集, 44, 155-164.
  • Neuendorf, K.K.E., Mehl, J.P.Jr. and Jackson, J.A. (2005) Glossary of Geology (5th Ed.) American Geological Institute. 779 p.
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  • 高橋正樹・石渡明 (2012) 火成作用(日本地質学会編フィールドジオロジー8).共立出版.
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  • 山本治之 (2009) 大地の鼓動 柱状節理の四季(写真集).光村推古書院.