地球の地殻を構成する主要な岩石グループの一つに、カルシアルカリ系列（calc-alkaline series）があります。これは、マグネシウムや鉄に富む苦味質なマグマが、冷却に伴い結晶を分離させる「分晶作用」を経て、シリカに富む酸性マグマへと進化する過程を示す化学組成の系列です。サブアルカリ系列という大きな分類の中に位置づけられ、もう一方の主要な系列であるソレアイト系列とは異なる進化経路を辿ります。

この系列の岩石は、カルシウムやマグネシウムなどのアルカリ土類元素、およびアルカリ金属を豊富に含んでいるのが特徴です。主に玄武岩から始まり、安山岩、デイサイト、そして流紋岩に至るまで、多様な火山岩およびそれらに対応する深成岩（斑れい岩、閃緑岩、花崗閃緑岩、花崗岩）を形成します。なお、シリカに不飽和な岩石や、アルカリ岩、ペラルカリ岩はこの系列には含まれません。

TAS diagram showing chemical composition range of sub-alkaline volcanic rocks including calc-alkaline rocks (yellow area) and alkaline volcanic rocks (blue area)

Key Facts

  • 化学的特徴：アルカリ土類元素とアルカリ金属に富み、大陸地殻の大部分を構成する。
  • 酸化状態：ソレアイト系列に比べて酸化が進んでおり、酸素分圧が高い。
  • 主要な鉱物：分化の過程でマグネタイト（磁鉄鉱）が早期に析出するのが特徴。
  • 発生場所：主に沈み込み帯の上方に位置する島弧や大陸弧の火山帯で見られる。
  • 水分含有量：一般的に含水マグマである傾向が強い。

化学的特性と分化のメカニズム

カルシアルカリ系列とソレアイト系列を分ける決定的な要因は、マグマの酸化還元状態にあります。ソレアイトマグマが還元的な環境にあるのに対し、カルシアルカリマグマは酸化的な環境にあります。

マグマが冷却し、カンラン石や輝石などのケイ酸塩鉱物が結晶化する際、通常はマグネシウムに富む成分が先に取り除かれます。還元的なソレアイトマグマでは、鉄が液相に残りやすいため、分化が進むにつれてマグマ中の鉄濃度が上昇します。しかし、酸化的なカルシアルカリマグマでは、鉄酸化物であるマグネタイトが同時に大量に析出するため、鉄の濃度が急激に上昇せず、比較的安定した状態で推移します。

AFM図による組成変化の可視化

この組成変化の違いは、アルカリ（A）、鉄（F）、マグネシウム（M）の比率を示す「AFM図」で明確に分かります。ソレアイト系列では、まずマグネシウムが激減し、その後鉄が減少してアルカリ端へと向かうため、軌跡が大きく湾曲します。一方でカルシアルカリ系列では、マグネタイトの析出によって鉄とマグネシウムの比率が一定に保たれるため、図上でほぼ直線的にアルカリ端へと向かう挙動を示します。

AFM diagram showing the difference between tholeiitic and calc-alkaline magma series

地質学的背景と生成プロセス

カルシアルカリ系列の岩石は、プレートの沈み込み帯に伴う火山弧（島弧や大陸弧）に集中して分布しています。これらのマグマは、地球のマントルで生成された玄武岩質マグマを起源としていると考えられています。

生成のメカニズムとしては、まず沈み込むプレートから放出された水や、水によって変質したマントルペリドタイト（カンラン石や輝石からなる岩石）の部分溶融が始まります。その後、以下のようなプロセスを経て、最終的な組成へと進化します。

  • 分晶作用：特定の鉱物が結晶化して分離し、残液の組成が変化すること。
  • 同化作用：上昇過程で周囲の大陸地殻の物質を取り込み、混ざり合うこと。
  • 混合作用：異なる組成のマグマ同士が混ざり合うこと。

カルシアルカリ系列のまとめ

カルシアルカリ系列とソレアイト系列の比較
比較項目 カルシアルカリ系列 ソレアイト系列
酸化状態 酸化的（高酸素分圧） 還元的
鉄の挙動 マグネタイト析出により安定 分化初期に液相中で濃集
AFM図の軌跡 アルカリ端へ直線的に移行 湾曲してアルカリ端へ移行
主な分布域 沈み込み帯（火山弧） 中央海嶺など
水分含有量 一般に多い（含水） 相対的に少ない

Frequently Asked Questions

カルシアルカリ系列の岩石にはどのような種類がありますか？

火山岩では玄武岩、安山岩、デイサイト、流紋岩が含まれます。また、それらに対応する深成岩として、斑れい岩、閃緑岩、花崗閃緑岩、花崗岩が挙げられます。

なぜこの系列のマグマは直線的に進化するのですか？

マグマが酸化的な状態にあるため、鉄酸化物であるマグネタイトが早期に、かつ継続的に結晶として析出します。これにより、鉄とマグネシウムの比率が維持されるため、AFM図上で直線的な組成変化を示します。

どのような地質環境でよく見られますか？

主にプレートの沈み込み帯にある火山弧で見られます。特に島弧や、大陸の縁辺に形成される大陸弧において顕著に分布しています。

ソレアイト系列との決定的な違いは何ですか？

最大の違いはマグマの酸化還元状態です。これにより、分化過程における鉄の挙動（濃集するか、マグネタイトとして取り除かれるか）が変わり、結果として生成される岩石の化学組成に差が出ます。

この系列のマグマはどのようにして作られますか？

沈み込むプレートから供給された水がマントルの部分溶融を促し、玄武岩質マグマが生成されます。その後、分晶作用や地殻物質の同化、マグマ同士の混合を経て、多様な組成へと進化します。