Outlining zircon growth in a granitic pluton using 3D cathodoluminescence patterns, U-Pb age, titanium concentration, and Th/U; Implications for the magma chamber process of Okueyama granite, Kyushu, Japan

3次元カソードルミネッセンスパターン,U-Pb年代,チタン濃度,Th/U比による花崗岩質プルトンのジルコン成長過程; 九州 大崩山花崗岩のマグマ溜り形成過程に関する考察

湯口 貴史*; 伊藤 大智*; 横山 立憲   ; 坂田 周平*; 鈴木 哲士*; 小北 康弘  ; 八木 公史*; 井村 匠*; 甕 聡子*; 大野 剛*

Yuguchi, Takashi*; Ito, Daichi*; Yokoyama, Tatsunori; Sakata, Shuhei*; Suzuki, Satoshi*; Ogita, Yasuhiro; Yagi, Koshi*; Imura, Takumi*; Motai, Satoko*; Ono, Takeshi*

本研究は、花崗岩質プルトンのジルコン成長過程を解明するために、3次元立体的なカソードルミネセンス(CL)パターン,U-Pb年代,チタン濃度,Th/U比の変動に基づく新しいアプローチ方法を提案するものである。また、本研究では、九州中央部に位置する大崩山花崗岩(OKG)のジルコン成長過程に着目し、この方法を用いて花崗岩質プルトンの形成に至るマグマ溜まりでの結晶化プロセスの解明を目的とした。大崩山花崗岩体は黒雲母花崗岩(BG),角閃石花崗岩(HG),角閃石花崗閃緑岩(HGD)の3つの岩相から構成されている。まず、ジルコン結晶の3次元内部構造と成長様式を明らかにするため、試料の多断面についてCL観察を行った。同時に、試料の中心部のジルコンのU-Pb年代とチタン濃度も測定した。CLパターンから確認できるオシラトリーゾーニングの3次元分布からは、結晶核を決定することができる。花崗岩試料のジルコンU-Pb年代とTi濃度の同時測定は、花崗岩マグマが固化するまでの時間-温度(t-T)履歴を示すものである。BG, HG, HGDの温度履歴はマグマ溜り内での類似した冷却挙動を示し、16Maから10Maの間にジルコン結晶化温度から黒雲母K-Ar系の閉鎖温度まで急速に冷却されたことがわかった。また、Th/U比の温度に対する変化も、約670Cの境界で異なる傾向を示した。マグマ溜まりでの分別結晶は670C以上で著しく進行し、670C以下では結晶化が緩やかになり、マグマ組成の変化が小さくなっていたことが示された。BG, HG, HGDの温度に対するTh/U比の変化は共通の傾向を示し、すなわち大崩山花崗岩体の3つの岩相の分別結晶化の進行は同じ挙動を示し、マグマ溜り全体で同じ挙動を示すことが示された。

We propose a new method for elucidating zircon growth in granitic plutons, based on variations in three-dimensional 3D cathodoluminescence (CL) patterns, U-Pb ages, titanium concentration, and Th/U ratios. We focused on the zircon growth processes in the Okueyama granite (OKG) in central Kyushu, Japan, to obtain interpretations of magma chamber processes that result in the formation of granitic plutons. The OKG consists of three lithofacies: biotite granite (BG), hornblende granite (HG), and hornblende granodiorite (HGD). To determine the 3D internal structure and growth pattern of a zircon crystal, we performed CL observations for multi-sections of the samples. Simultaneously, we also determined the zircon U-Pb age and titanium concentration of the center sections of the samples. The 3D distribution of the oscillatory zoning can be used to determine the crystal nucleus. The simultaneous determination of zircon U-Pb ages and Ti concentrations of the granite samples indicates the time-temperature (t-T) history of granitic magma before its solidification. The t-T histories of the BG, HG, and HGD represented similar cooling behaviors within the magma chamber: rapid cooling from the zircon crystallization temperature to the closure temperature of the biotite K-Ar system between 16 Ma and 10 Ma. The variations in the Th/U ratios against temperature also demonstrate a different trend at the boundary of approximately 670 C. Fractional crystallization in the magma chamber progressed significantly at temperatures above 670 C; below 670 C, crystallization progressed slowly, indicating only minimal changes in the magma composition. The variations in the Th/U ratio against temperature in the BG, HG, and HGD portrayed common tendencies, indicating the same behavior in the progression of fractional crystallization among the three lithofacies, which in turn, represented the same behavior within the entire magma chamber.