高校地学 マグマが生まれる条件—温度と圧力と水の役割を別々に考える｜武蔵野個別指導塾

減圧・水・熱供給とソリダスの関係を比べ、岩石が融け始める条件を追う主題は部分融解です。

よくあるのは、岩石が融ける理由を尋ねられ、高校生が「温度が上がったから」と書いて手を止める場面です。熱が加わる場合は確かにありますが、地下の岩石が融け始める条件は温度だけでは決まりません。圧力が下がる場合や水が加わる場合にも、岩石の状態と融け始める境界との位置関係が変わります。同じ「融ける」という結果に至る道筋を、図の動きに直して区別しましょう。

問いの形と先にそろえる視点

問題の出方には、まず温度と圧力の図で岩石のたどる道筋と境界を比べ、どこで融け始めるかを読む型があります。次に、海嶺の下や沈み込み帯の断面から、減圧や水の供給と融解の場所を説明する型があります。さらに、熱を受けた岩石について、温度変化と融点の変化のどちらが原因かを記述する型もあります。

いずれも、岩石の温度そのものと、融け始める温度を分けることが出発点です。ある圧力で岩石が固体のままでいられるかどうかは、その圧力に対応する融け始めの温度と比べます。「高温だから液体」と決めることはできません。マントルは高温ですが、大部分は固体です。固体の岩石が長い時間をかけてゆっくり変形し、上昇することと、岩石が液体であることも別です。

図を読む前に、横軸の温度が右へ増えるか、縦軸の圧力が上へ増えるかを見ます。深さを縦軸にした図では深い方が高圧ですが、圧力の軸が上向きに増えるとは限りません。矢印の始点と終点、比較する岩石の組成と水の条件も確かめます。

融け始めの線を動きと分ける

複数の鉱物からなる岩石は、決まった一つの温度で一斉に液体になるとは限りません。ある圧力のもとで温度を上げると、最初の液体が現れる境界をソリダスと呼びます。融け始めた後も固体が残る状態が部分融解です。液体と残った固体の割合や組成は、元の岩石の組成、圧力、温度、水の量などに左右されます。

ソリダスは、圧力と温度の組ごとに「融け始め」の位置を結んだ線です。線の低温側は、その線に対応する組成と水の条件では固体の領域です。線を高温側へ越えると、部分融解が始まります。線より高温だからといって、直ちに岩石全体が液体になるわけではありません。融けた部分が集まり移動してできるマグマと、元の岩石全体を同一視しないことも大切です。

図1のように、同じ圧力で比べると、水を含む条件のソリダスは乾いた条件より低温側にあります。図の2本は同じ岩石組成を想定した模式的な境界で、数値や曲線の形を実測値として示したものではありません。水の量や岩石の組成が変われば、境界の位置も変わります。線の上の点は融け始めの境界であり、線を越えた後の液体の割合まではこの図だけで読めません。

減圧融解では、固体の岩石が上昇し、周囲から受ける圧力が下がります。上昇中に温度が少し下がる場合でも、融け始めの温度がそれ以上に下がればソリダスを越えます。したがって、減圧という語は「温度が絶対に変わらない」という意味ではありません。海嶺の下では、広がるプレートの下でマントル物質が上昇し、減圧によって部分融解することができます。摩擦による加熱を唯一の原因として描く必要はありません。

水による融点低下は、岩石の温度を必ず上げる作用ではありません。同じ圧力と温度を保っても、水が岩石に加わることで、その岩石の融け始めの条件が低温側へ変わり、融解が可能になることがあります。沈み込み帯では、沈む海洋プレートに含まれた水が脱水によって放出され、上側のマントルへ供給されます。水を出す場所と、それを受けた上側のマントルが部分融解する場所は区別します。沈む板がそのまま全部融けて火山になる、という図にはしません。

熱の供給では、圧力や組成などを一定とみなせる範囲で、岩石の温度が上昇し、ソリダスに達します。例えば高温のマグマが周囲に熱を渡すと、周囲の岩石が部分融解する場合があります。熱を受けた岩石と熱を運ぶマグマは別の物質として描きます。実際には熱の移動に時間がかかり、水や圧力も変化し得るので、一つの原因だけであらゆる場所を説明することはできません。

境界を使うときの条件

ソリダスの線は、ある岩石と水の条件について作られた比較の道具です。別の組成の岩石に同じ線をそのまま当てはめると、融け始めの位置を取り違えることがあります。乾いた条件と水を含む条件を比べる場合も、どちらの線が何を表すかを凡例で確かめます。水を含む線の低温側にある点なら、水があってもその条件では融け始めていません。水があるという事実だけで、必ず液体が生じるとはいえないのです。

部分融解が始まることと、できた液体が集まって地表へ出ることの間にも隔たりがあります。液体が残る固体のすき間から移動できるか、周囲に冷やされるか、途中で別の物質と混じるかなどは、この境界図には示されていません。融解を示す交点は出発点であり、噴火までの経路の証拠ではありません。逆に、地表でマグマに由来する物質が見つかったという事実だけから、加熱、減圧、加水のうちどれが働いたかを一意に決めることもできません。

圧力と温度の図では、線の左右に意味があります。図1のように同じ圧力で横に比べ、点が対応する境界の低温側か高温側かを読むのが基本です。2本のソリダスの間にある点は、乾いた条件では固体側でも、水を含む条件では部分融解側になり得ます。一方、両方の線より低温側の点では、図の水を含む条件へ切り替えても融解しません。どの線を使うかが決まらない状態で「線の右だから融ける」と書いても、説明として不足します。

基本例題：境界と道筋の交点を読む

次の条件は説明用に作ったモデルです。横軸を温度、縦軸を圧力とし、右へ高温、上へ高圧とします。乾いた岩石のソリダスは、圧力が下がるにつれて低温側へ移るものとします。岩石は点Aから、温度を一定に保って圧力を下げ、点Bを通って点Cに至ります。Bはソリダス上、Aは固体側、Cは高温側です。どこで融け始め、AからCへの変化を何と呼ぶか、理由とともに答えてください。

図2のように、まず矢印をAからCへたどります。上が高圧なので、下向きは減圧です。縦に移動しているため、このモデルの温度は変わりません。Aでは点がソリダスの低温側にあるので固体です。Bで線に達し、そこで融け始めます。Cでは線を越えて部分融解の領域にあります。

結論は「圧力低下に伴ってソリダスに達するBで融け始める。これは減圧融解である」です。Cで初めて融けるのではありません。Bが境界、Cが境界を越えた後の点という違いを答えに反映します。また、Cで全体が液体になったかは与えられていません。

この読み方は、各圧力での温度差に着目しても導けます。岩石の温度をT、その圧力での融け始めの温度をSとします。TがSより低ければ固体側、等しければ境界、高ければ融け始めた側です。AからCへ温度Tは一定ですが、圧力が下がるにつれてSが低下します。したがってTとSの差は大きくなり、Bで差が0になります。図の線を機械的に追う代わりに、同じ圧力で左右の位置を比べる方法です。

条件を元に戻して点検すると、AからB、BからCのいずれも温度一定、圧力低下という指定に合います。もし温度が下がる道筋を描く問題なら、線の移動との相対関係が必要です。温度が下がったという事実だけで融解を否定することもできません。

標準・発展例題：水と熱を区別する

同じ組成の岩石を考えます。ある圧力で、乾いた岩石のソリダスの温度をD、水を含む岩石のソリダスの温度をWとし、WはDより低いとします。岩石の温度TはWより高くDより低いものとします。これは比較のための条件であり、現実の温度や圧力の値を与えるものではありません。

乾いた状態の岩石に、圧力と温度を変えずに水が加わったとします。加わる前後の状態を答え、温度上昇がなくても状態が変わる理由を説明してください。さらに、水を加えない別の同じ岩石に熱を与える場合、融け始めるには何が必要か答えてください。

乾いた岩石ではTがDより低いので固体側です。水を含む条件ではTがWより高く、部分融解の側です。水を加えたことで、岩石の温度ではなく、その条件での融け始めの温度がDからWへ低下したためです。水を加えない岩石は、圧力などを一定に保つなら温度がDに達したときに融け始めます。Dを越えてから融け始めると書くと、境界そのものを見落とします。

別解として、同じ圧力で温度の並びを左からW、T、Dと描きます。乾いた境界Dは点Tの右にありますから、Tは乾いた条件の固体側です。水を含む境界WはTの左にありますから、Tはその条件の融け始めた側です。この並びに戻せば、水が温度を上げたのではなく、比較する境界を変えたことを確認できます。熱を与える場合は、乾いた境界Dを固定し、岩石を表す点Tを右へ動かします。

発展として、実際の上昇では圧力と温度が同時に変わることを考えます。時刻ごとに圧力と温度を組にして図に点を打ち、点を順につなげば岩石の道筋になります。各点と同じ圧力でのソリダスを比べ、初めて線に達した場所を探します。道筋の傾きが変われば交点も変わります。横軸に温度、縦軸に圧力を置いたとき、傾きは圧力の変化を温度の変化で割ったものです。縦の道筋では温度変化が0なので、この比で傾きを表せません。

上昇する物質が実際にどの程度冷えるか、どれだけ水を受け取るか、液体がどのように分離するかは、この単純な図からは決まりません。圧力だけを変える基本例題は因果関係を見やすくしたモデルです。複数の要因を考える際は、それぞれを固定した比較で働きを押さえてから、変化を重ねます。

資料の差から原因を絞る

原因を確かめるには、比較する試料の条件をそろえます。例えば、同じ組成の岩石について圧力と温度をそろえ、一方に水を含ませて他方を乾いた条件に保ちます。水を含む試料に融解の痕跡があり、乾いた試料にないなら、その条件では水が融解を助けたと考えられます。ただし、それだけで地下の岩石が常に同じ量だけ融けるとはいえません。実際の岩石の水の量、温度や圧力の履歴、液体の移動はモデルと異なることがあります。

逆に、試料の温度と水の量を同時に変え、片方に融解の痕跡が出た場合は、どちらの変化が結果に効いたかをその比較だけで分けられません。温度をそろえた加水の比較と、水の条件をそろえた加熱の比較を別に用意すると、それぞれの働きを調べられます。温度計の読み、圧力のばらつき、微量の液体を見落とす可能性も結果の解釈に影響します。境界近くで複数の試料を調べ、結果がばらつく範囲を示せば、精度を超えた断定を避けられます。

グラフを作る際は、横軸と縦軸の物理量と単位を先に記します。測定した圧力ごとに、融解の痕跡がない温度とある温度の間を絞り、その範囲を点や幅で表します。これらをつないだ線は、測定範囲と試料条件に支えられた近似です。測定範囲の外へ線を延ばして得た交点や、別の組成の岩石へ移した結論は、追加の根拠なしには確定しません。模式図で滑らかな線が描かれていても、自然の境界を誤差なく測ったことにはならないと考えます。

誤答から描き直す

誤答の例は「温度が上がらないので、減圧しても岩石は融けない」です。図3のように、温度を表す点だけを見ると変化がないため、融け始めの温度も変わらないと考えてしまいます。しかし圧力が下がると、その圧力に対応する乾いた岩石のソリダスの温度が変わります。

図3は、同じ岩石温度を縦の線で示し、高圧と低圧それぞれの融け始めの温度を左右に置いた模式図です。高圧では岩石温度が境界より低く、低圧では境界より高くなっています。直すときは「温度一定でも、減圧によって融け始めの温度が岩石の温度より低くなると部分融解する」と書きます。高圧と低圧を同時に混ぜず、それぞれの圧力で温度を比較することが根拠です。

別の誤答は「沈み込むプレートが脱水して融ける」です。脱水する物質と水を受けて融ける物質の主語が一つにまとめられています。板から放出された水が上側のマントルに入り、融け始めの温度を下げると書き直します。水の移動方向を矢印で示すと、場所の取り違えを見分けやすくなります。

「部分融解した液体は元の岩石と同じ組成」という答えにも注意が必要です。構成鉱物が同じ割合で一斉に融けるとは限らないため、液体と残った固体の組成は一般に異なります。ただし、具体的な割合や液体の組成は条件なしに決められません。何が融けやすいかという詳細が必要なら、問題に与えられた資料を使います。

手を動かして確かめる5問

次の資料と数値は、考え方を調べるために作った条件です。実際の観測値ではありません。数値を用いる問は、指定された単位と形で答えてください。

1. 同じ組成の乾いた岩石が、温度を一定に保ったまま上昇します。上昇前は固体側、上昇後はソリダスより高温側でした。融解が始まる条件と原因を文章で答えてください。
2. ある圧力で乾いた岩石が固体です。圧力と温度は一定のまま、水が加わると融け始めました。変化した境界と、岩石の温度が上昇したかどうかを答えてください。
3. 沈み込み帯の断面に、沈む板、上側のマントル、火山があります。脱水と部分融解の主な場所をそれぞれ答え、水の役割を一文で説明してください。
4. 実験を模した資料で、ある圧力のもと、岩石の試料を4個用意しました。水の条件と組成は同じで、各試料の温度を低い順にア、イ、ウ、エとします。冷却後の観察ではアとイは液体ができた形跡がなく、ウとエには形跡がありました。融け始めの温度がどの区間にあるか、境界を含めて答えてください。観察には誤りがなく、温度の順序の途中で融解の有無が逆転しないと仮定します。
5. ある自作モデルで、岩石の初めの質量は80 gです。部分融解後、液体が分離し、液体と残った固体の質量は合わせて初めと等しいものとします。液体が20 gのとき、固体の質量と、初めの質量に対する液体の割合を整数のgと百分率で求めてください。質量の測定は正確とします。

解答と考え方

1. 上昇による減圧で、その温度に対応する道筋がソリダスに達したときに融け始めます。上昇前後を結ぶ道筋が境界を越えたという条件に戻せば、途中に融け始めの位置があります。温度上昇を理由にする必要はありません。
2. 水を含む条件のソリダスが、乾いた条件より低温側になります。岩石の温度は条件から変わっていません。加水前は乾いた境界の固体側、加水後は水を含む境界の融け始めた側にあると比較します。
3. 沈む板の脱水で水が放出され、上側のマントルで部分融解が起こります。水が加わると上側の岩石の融け始めの温度が下がります。板が水の供給源であることと、上側が融解の場であることを分けます。
4. イの温度より高く、ウの温度以下です。イでは形跡がなく、ウでは形跡があるので、境界はその間にあります。ウがちょうど境界であっても条件と矛盾しません。アとエもこの範囲と整合しますが、境界の正確な温度までは決まりません。
5. 初めの質量から液体の質量を引くので、固体は80 − 20 = 60 gです。割合は(20)/(80) = 0.25で、25%です。60 gと20 gを合わせると80 gになり、初めの量に戻ります。25%の80 gも20 gなので、割合の分母が初めの質量であることを確認できます。

問4のような比較を設計するときは、組成と水の条件、圧力、加熱と冷却の扱いをそろえ、温度だけを変えます。各試料について同じ基準で融解の痕跡を調べることが、差を温度に結び付けるために必要です。温度の測定には誤差があり、融けた量がわずかなら痕跡を見逃す可能性もあります。温度間隔を狭めて繰り返せば境界を絞れますが、誤差が残る限り単一の値を無条件に断定できません。高温や高圧を扱う実験は、設備の整った場所で学校の指導の下に行います。

押さえておくこと

• ソリダスは、与えられた岩石と水の条件で融け始める境界です。
• 減圧では、温度上昇がなくても境界を越えることがあります。
• 水は融け始めの温度を下げ、熱の供給は岩石の温度を上げます。
• 沈む板の脱水と上側マントルの部分融解は場所を分けます。
• 部分融解後も固体が残り、液体の量や組成は条件によります。

答案のどこでつまずいたか

図に正しい矢印を描けない場合は、先に各軸の増える向きを口にしてから、圧力が下がる方向を指でたどります。水の説明で「温度が下がる」と書いた場合は、岩石の温度と融け始めの温度のどちらかを明示し、同じ圧力で両者を比べ直します。記述では、脱水する板と融ける上側の岩石にそれぞれ下線を引くと、主語の入れ替わりに気づけます。

個別指導で確かめるなら、まず温度一定の道筋を描いてもらい、次に水を含む境界を描き足して、どの量を変えたのかを説明してもらいます。質量の問題では、求めた液体と固体を合わせて元の量に戻せるかを見ます。境界と岩石の状態を同じ圧力で比べることが、マグマ生成の原因を切り分ける手掛かりです。