【地学基礎】火山とマグマを図解で総まとめ—噴火の様式・粘性・火山の形｜武蔵野個別指導塾

マグマはなぜ海嶺・ホットスポット・沈み込み帯で生まれ、富士山はなぜ玄武岩質なのに成層火山なのか。4 つの火山の断面図と火山灰の体積計算の例題で、山の輪郭から地下を読む力をつけましょう。

よくあるのは、連休に泊まった祖父母の家の客間で座卓にプリントを広げ、鴨居の上に掛かった富士山の写真を見上げて手が止まる場面です。「粘性が低いマグマはなだらかな山をつくる」と書いたすぐ下に、「富士山をつくるマグマは玄武岩質」とあります。玄武岩質なら粘性は低いはずなのに、写真の山はあんなに高くそびえている。覚えた行どうしがつながらないのは、途中の「なぜ」が抜けているからです。

この単元を追うと、マグマが地下のどこでなぜ生まれるのか、SiO₂ の量と温度が粘性をどう変えるのかを説明できるようになります。さらに、粘性がガスの抜け方を通じて噴火の激しさと山の形を決めるところまで、ひと続きの理由としてつながります。写真の中の山から地下の出来事を逆算できる単元です。

この単元で押さえること

• マグマのでき方: 固体のマントルの一部が、融点が下がることでとけてできます。とけるのはごく一部で、部分溶融といいます。
• できる場所: 海嶺とホットスポットでは圧力の低下、沈み込み帯では水の供給が、融点を下げるおもな原因です。
• 粘性を決めるもの: SiO₂ が多いほど、また温度が低いほど粘性は高くなります。
• 噴火の様子: 粘性が低いとガスが抜けて溶岩が静かに流れ、粘性が高いとガスが閉じ込められて爆発的になりやすくなります。
• 火山の形: 粘性の低い順に、溶岩台地と楯状火山、成層火山、溶岩ドームと並びます。
• 火山噴出物: 火山ガス、溶岩、火山砕屑物の 3 つに分け、火山砕屑物は粒の大きさと見た目で呼び分けます。

プレートの単元で学んだ海嶺や海溝がここではマグマの生まれる場所として再び登場し、次の火成岩の単元では、このマグマが冷えて固まった岩石を分類します。

基本の考え方

マグマは融点が下がった場所で生まれる

火山の下にはとけた岩の海が広がっている、と思い込んでいる人がいますが、地下の岩石はほとんどが固体です。マントルをつくるかんらん岩は高温であるものの、上から大きな圧力を受けているため、とけ始める温度である融点も高く、ふだんはとけていません。マグマとは地下の岩石がとけてできた高温の液体で、結晶やガスを含んでいます。岩石をとかすには温度を融点より高くすればよいのですが、地下で多く起きているのは、熱が加わることではなく融点が下がることです。

融点を下げるはたらきは 2 つあります。1 つ目は圧力の低下です。高温の岩石が地下深くから上昇すると、温度はあまり下がらないまま圧力だけが小さくなり、融点が下がって、ある深さでとけ始めます。2 つ目は水の供給です。岩石に水が加わると融点は大きく下がります。道路にまいた塩が氷をとけやすくするのと、結果だけ見れば似ています。

図1のように、この 2 つのはたらきは地球上の 3 つの場所で見られます。

• 海嶺: 2 枚のプレートが離れていくすきまをうめるようにマントルが上昇し、圧力の低下でとけます。アイスランドは海嶺が海面の上に現れた島です。
• ホットスポット: プレートの動きとは関係なく、地下深くから高温のマントルが柱のように上昇し、やはり圧力の低下でとけます。ハワイの火山が代表です。
• 沈み込み帯: 海洋プレートは水を含む鉱物を地下へ運びます。深くなって水がしぼり出されると、その上のマントルの融点が下がってとけます。日本列島やアンデス山脈の火山はこの型です。

図1の赤い輪郭で囲んだ三角や楕円の部分では、岩石のごく一部だけがとけています。これが部分溶融です。ホットスポットの柱の部分はまだ固体のまま上昇している高温のマントルで、浅くなってはじめてとけます。生まれたばかりのマグマは SiO₂ の少ない玄武岩質で、周囲の岩石より密度が小さいので上昇し、地下数 km から 10 km ほどの深さにたまってマグマだまりをつくります。上昇の途中で結晶が分かれたり、地殻の岩石をとかし込んだりすると SiO₂ の割合が増え、安山岩質や流紋岩質のマグマに変わっていきます。日本列島のような沈み込み帯で安山岩質のマグマを噴き出す火山が多く見られるのは、海嶺やホットスポットとの大きな違いです。

粘性が噴火の様子と火山の形を決める

粘性とは流れにくさ、つまりねばりけのことです。湯のみのお茶を傾けるとすぐに流れますが、はちみつの瓶を傾けてもゆっくりとしか動きません。このとき、はちみつのほうが粘性が高いといいます。マグマの粘性を決めるのは、おもに SiO₂ の量と温度の 2 つです。SiO₂ が多いほど、マグマの中で SiO₄ 四面体のつながりが発達して流れにくくなります。温度が低いほど流れにくいのは、冬の台所ではちみつが固くなるのと同じです。しかも SiO₂ の多いマグマは温度も低いため、2 つの効果が同じ向きに重なり、粘性の差はとても大きくなります。

粘性が噴火を左右するのは、ガスの抜け方を変えるからです。マグマには水などの成分が溶けており、上昇して圧力が下がると溶けきれなくなって気泡になります。炭酸飲料のふたを開けると泡が出てくるのと同じ現象です。粘性が低ければ気泡は次々に抜けていき、溶岩は静かに流れ出します。粘性が高いと気泡は閉じ込められたまま圧力を高め、やがてマグマを粉々にして吹き飛ばします。これが爆発的な噴火です。3 つの型を並べると次のようになります。

数値は目安で、実際の火山には幅があります。昭和新山や雲仙普賢岳のマグマは、流紋岩質に近いデイサイト質と呼ばれるものです。

火山の形も同じ理由で説明できます。粘性の低い溶岩は遠くまで薄く流れるので、大量の溶岩が割れ目からあふれて積もると平らな溶岩台地に、同じ火口のまわりから何度も流れ出すと傾斜のゆるい楯状火山になります。粘性が中くらいのマグマは溶岩流と爆発的な噴火をくり返すことが多く、溶岩と火山砕屑物が交互に重なった成層火山をつくります。粘性が高いと溶岩はほとんど流れず、火口の上に盛り上がって溶岩ドームになります。また、大規模な噴火で大量のマグマが一度に抜けると、地下の空所に向かって地表が陥没し、直径 約 2 km 以上のカルデラという大きなくぼ地ができます。阿蘇山が代表です。4 つの形は、次の節の図3に並べて描いています。

火山噴出物は 3 つに分けて整理する

噴火で地表に出てくるものは、火山ガス、溶岩、火山砕屑物の 3 つです。火山ガスの大部分は水蒸気で、二酸化炭素や二酸化硫黄なども含みます。溶岩は地表に流れ出たマグマのことで、冷えて固まったあとの岩石も溶岩と呼びます。火山砕屑物は噴火で放出された固体のかけらで、粒の大きさによって火山灰、火山礫、火山岩塊に分けます。

見た目や形による呼び名もあります。軽石は白っぽく穴の多い石で SiO₂ の多いマグマから、スコリアは黒っぽく穴の多い石で SiO₂ の少ないマグマからできます。穴はどちらも、抜けそこねた気泡の跡です。火山弾は、飛んでいる間に冷えて紡錘形などの形になったものです。

「灰」という字にだまされないでください。火山灰は物が燃えたあとの灰ではなく、マグマが砕けてできたガラスのかけらや鉱物の細かい粒で、硬く角ばっています。さらに、高温のガスと火山砕屑物が一体になって斜面を流れ下る現象を火砕流といいます。温度は数百℃、速さは時速 100 km を超えることがあり、走って逃げることはできません。雲仙普賢岳では 1991 年に、溶岩ドームの一部がくずれて火砕流が発生し、大きな被害が出ました。

例題で解き方を確かめる

用語の見分けから論述まで、4 問で確かめます。単位をそろえる、形から粘性を読む、原因から結果へ順に書く、という手順を意識してください。

例題1

噴火のあと、火山のふもとで 3 つの火山砕屑物を調べました。直径は a が 0.5 mm、b が 1.5 cm、c が 30 cm です。それぞれの呼び名を答えなさい。

1. 3 つの直径を mm にそろえます。a は 0.5 mm、b は 15 mm、c は 300 mm です。境目の数値が mm で決められているので、単位がばらばらのまま比べると読み違えるからです。
2. 図2の数直線に置きます。赤で示した境目は 2 mm と 64 mm の 2 か所です。図2は 1 目盛りごとに直径が 2 倍になるように描いてあり、小さな粒と大きな塊を 1 本の線で比べられます。
3. 範囲に当てはめて名前を決めます。a は 2 mm 以下、b は 2 mm と 64 mm の間、c は 64 mm 以上です。この 3 つの呼び名は大きさだけで決まり、色や穴の有無は関係しないからです。

図2に添えたように、軽い火山灰は風に運ばれて遠くまで届き、重い火山岩塊は火口の近くに落ちます。災害の範囲を考えるときにも、この違いが効いてきます。

答え: a 火山灰、b 火山礫、c 火山岩塊

例題2

図3は 4 種類の火山の断面を、高さを強調して描いた模式図です。（1）溶岩の粘性が最も高いと考えられるものを A〜D から選びなさい。（2）A と B をつくるマグマの SiO₂ の量は、D のマグマと比べて多いですか、少ないですか。（3）C が交互の層をもつことから、この火山の噴火について何がわかりますか。

1. 傾斜と広がりを比べます。図3の A と B は低く広がり、D は狭い範囲に急に盛り上がっています。粘性は流れにくさのことなので、溶岩がどこまで流れたかが形に表れるからです。
2. 粘性の順から SiO₂ の量を決めます。流れにくい D のマグマは SiO₂ が多く、よく流れる A と B のマグマは少ないと判断できます。粘性と SiO₂ の量は同じ向きに変わるからです。
3. C の層を読みます。溶岩の層と火山砕屑物の層が交互に重なっています。層の 1 枚 1 枚が過去の噴火の記録なので、層の並びは噴火の種類の移り変わりを示しているからです。

なお、図3は形を比べるためのもので、大きさの比は実際と異なります。実際の楯状火山は裾野が数十 km 以上に広がることがあり、溶岩ドームの多くは数 km 以下です。

答え: （1）D　（2）少ない　（3）溶岩を流す噴火と火山砕屑物を放出する噴火をくり返してきたこと

例題3

ある噴火で、東西 40 km、南北 10 km の範囲に、平均 5 cm の厚さで火山灰が積もりました。積もった火山灰の体積は何 km³ ですか。また、何 m³ ですか。

1. 面積を求めます。40 km × 10 km = 400 km² です。積もった火山灰は薄い板のようなものなので、体積は面積と厚さの積で求められるからです。
2. 厚さの単位を km にそろえます。5 cm = 0.05 m = 0.00005 km です。km² に km をかけて、はじめて km³ になるからです。
3. 体積を計算します。400 × 0.00005 = 0.02 で、0.02 km³ です。単位をそろえたので、数字どうしをそのままかけてよいからです。
4. m³ に直します。1 km は 1000 m なので、1 km³ は 1000 m × 1000 m × 1000 m で 10⁹ m³ です。0.02 × 10⁹ = 2 × 10⁷ m³ となります。最初から m で計算した 4 × 10⁸ m² × 0.05 m = 2 × 10⁷ m³ と一致するので、桁の誤りがないと確かめられます。

たった 5 cm の厚さでも、2000 万 m³ という量になります。

答え: 0.02 km³（2 × 10⁷ m³）

例題4

粘性の高いマグマほど噴火が爆発的になりやすい理由を、「圧力」「気泡」の 2 語を使って 60 字程度で説明しなさい。

1. どのマグマにも起きることから書き始めます。上昇すると圧力が下がり、溶けていた成分が気泡になります。論述は、前提となる現象を飛ばすと因果がつながらないからです。
2. 粘性の違いが効く場面を書きます。粘性が高いと気泡が抜けにくくなります。問われているのは粘性の高低による差なので、ここが答えの中心だからです。
3. 結果を書きます。閉じ込められた気泡によって内部の圧力が高まり、一気に破裂します。原因、途中、結果の順に並べると、読み手が筋道をたどれるからです。

答え: マグマの上昇で圧力が下がると気泡が生じるが、粘性が高いと抜けにくいため、内部の圧力が高まって爆発するから。

まちがえやすいところと直し方

マントルがとけた液体だと思っている

誤った書き方: 「マントルはどろどろにとけた液体で、それが地表に噴き出して火山になる。」

どこが違うか: マントルは固体です。地震の S 波は液体を伝わりませんが、マントルは S 波を伝えます。図4は、深さごとに地下の温度とかんらん岩の融点を比べた模式的なグラフで、縦軸は下へ行くほど深く、横軸は右へ行くほど高温です。灰色の「地下の温度」の線は赤い「融点（水なし）」の線より左にあり、温度が融点に届いていないので固体のままです。赤い矢印のように高温の岩石が上昇すると、温度をほぼ保ったまま浅くなり、融点の線を横切ってとけ始めます。紺の矢印は、水が加わると融点の線そのものが左へ移ることを表しています。どちらも、岩石を外から熱したわけではありません。

正しい書き方: 「固体のマントルの一部が、圧力の低下や水の供給によって融点が下がるととけ、マグマになる。」

熱いマグマほどねばって激しいと思っている

誤った書き方: 「温度が高いマグマほど粘性が高く、爆発的な噴火を起こす。」

どこが違うか: 向きが逆です。「熱いものほど激しい」という連想に引きずられやすいところですが、最も高温の玄武岩質マグマ（約 1100〜1200℃）は粘性が低く、静かに流れることが多いマグマです。低温の流紋岩質マグマ（約 800〜900℃）のほうが粘性が高く、爆発的になりやすいのです。激しさを決めるのは熱さそのものではなく、ガスが抜けられるかどうかです。お茶とはちみつのたとえに戻り、冷えるほど流れにくくなることを確かめてください。

正しい書き方: 「SiO₂ が多く温度が低いマグマほど粘性が高く、ガスが抜けにくいので爆発的な噴火を起こしやすい。」

火山の形とマグマの種類を 1 対 1 で結ぶ

誤った書き方: 「成層火山は安山岩質のマグマでできるから、富士山も安山岩質である。」

どこが違うか: 富士山は玄武岩質のマグマがつくった成層火山です。表の「多い火山の形」は傾向であり、決まりではありません。成層火山という名前は、溶岩と火山砕屑物が層をなしているという内部のつくりから来ています。富士山は玄武岩質でありながら、溶岩を流す噴火だけでなく、スコリアや火山灰を噴き出す噴火もくり返してきました。1707 年の宝永噴火は爆発的で、江戸にも火山灰が降っています。同じ場所で両方の噴火を重ねれば、玄武岩質でも層をなした高い山になります。導入の写真の山で止まった疑問は、ここで解けます。

正しい書き方: 「安山岩質のマグマは成層火山をつくることが多いが、富士山のように玄武岩質の成層火山もある。」

用語のまとめ

練習問題

練習1　次の文の（ア）〜（ウ）に入る語を答えなさい。「マントルをつくるおもな岩石は（ア）である。海嶺の下では岩石の上昇にともなう（イ）の低下で融点が下がり、沈み込み帯では（ウ）が加わることで融点が下がる。」

練習2　次の①〜④のうち、正しいものを 1 つ選びなさい。

• ① SiO₂ の多いマグマほど粘性は低い。
• ② 溶岩ドームは玄武岩質のマグマがつくることが多い。
• ③ 火山灰は直径 2 mm 以下の火山砕屑物である。
• ④ スコリアは白っぽく、軽石は黒っぽい。

練習3　厚さ 10 cm の火山灰が、面積 50 m² の屋根に一様に積もりました。火山灰の密度を 1.2 g/cm³ とすると、屋根にかかる火山灰の質量は何 t ですか。

練習4　ハワイのキラウエアは傾斜のゆるい楯状火山で、昭和新山は切り立った溶岩ドームです。形が違う理由を、マグマの性質から 60〜80 字で説明しなさい。

答えと解説

練習1の答えは、ア かんらん岩、イ 圧力、ウ 水です。融点を下げるはたらきが 2 種類あること、どちらも岩石を熱するのではないことを、場所と結びつけて覚えてください。

練習2の答えは③です。①は SiO₂ が多いほど粘性が高いので逆、②は溶岩ドームをつくるのは SiO₂ の多いマグマなので誤り、④は色が逆です。白いものが軽石、黒いものがスコリアです。

練習3の答えは 6 t です。体積は 50 m² × 0.1 m = 5 m³ で、1.2 g/cm³ は 1 m³ あたり 1.2 t にあたるので、5 × 1.2 = 6 t となります。1 g/cm³ と 1 t/m³ が同じであることを使うと、桁を間違えません。火山灰が屋根を押しつぶす災害が起きるのは、これだけの重さになるからです。

練習4の答えの例は「キラウエアのマグマは SiO₂ が少なく高温で粘性が低いため遠くまで流れるが、昭和新山のマグマは SiO₂ が多く低温で粘性が高く、流れずに盛り上がるから。」です。SiO₂、温度、粘性、流れ方の 4 点が、2 つの火山それぞれについて対になって書けていれば十分です。

次の単元へのつながりと確かめ方

ここで生まれたマグマが冷えて固まると、次の単元の火成岩になります。玄武岩質、安山岩質、流紋岩質という呼び名は、そのまま岩石の分類表につながります。沈み込み帯でのマグマの発生は日本列島の成り立ちで、火砕流や火山灰は自然災害と防災の単元で、もう一度使います。

5 分あれば、家で次の 2 つを確かめられます。1 つ目は、白紙に 3 つのマグマの列を書き、SiO₂、温度、粘性、噴火の様子、火山の形を何も見ずに埋めることです。2 つ目は、図1を見ずに 3 つの場所の断面を描き、それぞれでマグマができる理由を 1 文ずつ声に出して言うことです。

個別指導では、粘性で止まっている場合でもプレート境界の断面まで戻り、マグマの生まれる場所から順に話してもらって、どの「なぜ」で言葉が切れるかを確かめます。

まとめ

鴨居の上の富士山を、もう一度見上げてみてください。あの裾野の線には、溶岩が流れ、火山灰が降り、また溶岩が流れた噴火の順番が刻まれています。粘性という一語を起点にすれば、SiO₂ も温度もガスも噴火の激しさも 1 本の理由でつながり、形を見ただけで地下の出来事を言えるようになります。火山の輪郭は、地下で泡が逃げ切れたかどうかを書き残した答案です。