sakuraba – Solid Earth Science Group

7 月 10 日（水）@ Room 710

16:00 – 17:00 佐藤侑人（地球惑星科学専攻博士課程）
Structure and Dynamic Processes of Lithosphere-Asthenosphere Boundary Zone Decoded by Geothermobarometry of Spinel Peridotite Xenoliths
17:00 – 18:00 水野尚人（地球惑星科学専攻博士課程）
Analysis of slip evolution of tectonic tremor using similarity search

6 月 26 日（水）@ Room 710

16:00 – 17:00 鈴木裕輝（地球惑星科学専攻博士課程）
3D anisotropic structure in D″ beneath the Northern Pacific inferred by waveform inversion: Constraints on mineralogy and flow in the lowermost mantle
17:00 – 18:00 本馬佳賢（地球惑星科学専攻博士課程）
Thermal state of the upper mantle and the origin of the Cambrian-Ordovician ophiolite pulse: constraints from the Hayachine-Miyamori Ophiolite

6月12日（水） @ Room 710

16:00 – 17:00 田川翔（地球惑星科学専攻博士課程）
Hydrogen in the core? -Metal-silicate partitioning of hydrogen under the conditions of Earth’s core formation-
17:00 – 18:00 木村皐史（地球惑星科学専攻博士課程）
パラサイト隕石のHf-W年代学

Abstract

田川翔
Hydrogen in the core? -Metal-silicate partitioning of hydrogen under the conditions of Earth’s core formation-
地球の中心核は、純鉄の密度より、外核で約10%、内核で約3%、軽いことが知られている。この「核の密度欠損」は、中心核に鉄、ニッケルに加えて、軽元素が固溶しているためであるが、軽元素の種類が何であるかは、60年来の未解決問題であった。これまで、Si、S、O、C、Hなどの軽元素が提案され、超高圧・高温実験が行われている。近年、この中で、水素が注目を集めている。その理由として、次が挙げられる。1. 惑星形成理論において、大量の水が初期地球にもたらされている可能性があること。2. 水素は鉄の融点を大きく下げるため、最下部マントルの低い融点を説明する上で最も整合的である元素であること。3. 鉄-水素系の高温高圧下での圧縮挙動・弾性波速度は、外核・内核の地震波観測結果に整合的であること。残された課題は、地球の中心核が形成されたとされる条件(すなわち、50万気圧、3500 K、fO2 =⊿IW-2)において、水素が中心核とマントルへどのような比率で分配されるかを明らかにすることである。水素のメタル-シリケイト間の分配実験の先行研究はあるものの、温度・圧力条件とも低く、さらには、分析手法の正しさに疑問が持たれていた。今回、レーザー加熱式ダイヤモンドアンビルセルによる超高温・高圧発生を用い、30 – 60 万気圧、3100 – 4600Kにおける、水素のメタル-シリケイト間の分配実験を行った。水素量の決定については新たに実験手法を構築し、大型放射光施設SPring-8におけるメタルの分析と北海道大学の結像型SIMSを用いたシリケイトの分析を組み合わせることで、高精度での分析が可能になった。本実験の結果、超高圧・高温下では水素は親鉄元素として振る舞い、中心核の分離条件における分配係数(DH=Conc.metal/Conc.silicate)は、およそ80となることが明らかになった。この分配係数によれば、コアと平衡に至ったマグマオーシャンの含水量を600 ppm(=表層の1海洋分の水+現マントルにある1海洋分の水がマグマオーシャン中の含水量と仮定。)とすると、中心核の密度欠損の半分が水素に由来すると考えられる。これは、地球初期に現在の海洋の60倍の水がもたらされたことに匹敵する。本研究結果は、近年の高圧下での圧縮挙動・弾性波速度実験と同様に、地球中心核の主要軽元素が水素であることを支持する。中間発表では、上記の分配実験の結果に加え、博論の一部となるFe-H 二成分系相図の構築、Fe-H(-X)系の状態方程式の構築の結果についても紹介する。

本馬佳賢
パラサイト隕石のHf-W年代学
パラサイト隕石は粗粒なFeNiメタルとカンラン石から成る隕石である。この隕石はIIIAB鉄隕石と成因的な関連性があることや(Clayton & Mayeda, 1996)、非常に遅い冷却速度をFeNiメタルが記録していることから(2.5 – 18 K/Myr @ 975 – 775 K; Yang et al., 2010)、母天体のコアとマントル物質が混合してできた隕石であると考えられている。しかしながら、パラサイト隕石のFeNiメタルとカンラン石がいかに混合されたかにはいまだに議論が多く、惑星分化時の液体コアの対流による混合(e.g. Boesenberg et al., 2012)や、天体衝突によるコアとマントルの混合(e.g. Tarduno et al., 2012)などのシナリオが考えられている。パラサイト隕石に年代学的な制約を与えることは、母天体上でのコア、マントル形成の時期や混合のタイムスケールに制約を与えるという点で重要である。これまでの研究ではパラサイト隕石のカンラン石にモデルAl-Mg年代測定が行われているが(1.24 +0.40/-0.28 Myr; Baker et al., 2012)、メタルの年代学的な制約は未だに与えられていない。そこで本研究ではパラサイト隕石のFeNiメタルにモデルHf-W年代測定を適用することで、パラサイト隕石メタルの形成年代に制約を与えることを目的とした。先行研究におけるパラサイト隕石のW同位体分析では、太陽系最古の物質であるCAIよりも古い年代を示すような低い182W/184W同位体比を持つ隕石の報告がされていた(Quitté et al., 2005)。しかし近年になって、元素合成に起因する太陽系内の元素の不均質や、隕石への宇宙線照射による中性子捕獲反応によってもW同位体比に異常が作られることが知られてきている。本研究ではこれらの影響を評価した上で、4つのパラサイト隕石の初生的なW同位体比を決定した。今回得られたW同位体組成からは、パラサイト隕石母天体では太陽系の形成開始から約2.1 Myr以内にはメタルの分離が起こっていたことが示唆された。この年代がカンラン石のAl-Mgモデル年代と一致する年代を示すことから、パラサイト隕石母天体ではコアの分離とマントルの結晶化が同時期に起こっていたことが示唆され、衝突混合モデルとは非調和的な結果となった。

鈴木裕輝
3D anisotropic structure in D″ beneath the Northern Pacific inferred by waveform inversion: Constraints on mineralogy and flow in the lowermost mantle
The D″ region is the lowermost several hundred km of the mantle immediately above the core-mantle boundary (CMB) and its base is in contact with the liquid outer core composed of iron alloy. Since the D″ region is the thermal boundary layer (TBL) at the base of the Earth’s mantle, and the solidus of its constituent materials is thought to be close to the mantle geotherm, vertical and lateral variations of temperature and chemical composition associated with the Earth’s thermal evolution are expected. Since chemically and thermally distinct subducted slabs would interact with the hot TBL above the CMB, understanding the thermal and chemical evolution processes of the D″ region under subduction zones is essential to better understand the Earth’s evolution. The D″ region beneath the northern Pacific is of particular geodynamical interest, because the paleo-Izanagi and present Pacific plates have been subducting beneath the northwestern margin of Laurentia since ~250 million years ago (Müller et al. 2016), which implies that paleoslabs could have reached the lowermost mantle. Suzuki et al. (2016) inferred the detailed three-dimensional S-velocity structure in the lowermost 400 km of the mantle beneath the northern Pacific. They hypothesized a prominent sheet-like lateral high-velocity, interpreted as paleoslabs, and a prominent low-velocity anomaly block immediately above the CMB below the high-velocity anomalies, which is interpreted as hot materials in the TBL. In order to verify the above hypothesis and better understand mineralogy and geodynamics, we infer 3D anisotropic structure beneath the northern Pacific in this study. We conduct waveform inversion (e.g., Kawai et al. 2014) to infer the variation of the values of the TI (transverse isotropic) elastic constants L and N related to the shear deformation (Note that L is related to VSV and N is related to VSH only when shear wave propagate horizontally) directly in the lowermost mantle beneath the Northern Pacific, using a total of ~18,000 (~9,000 transverse and ~9,000 radial component) broadband body-wave seismograms. We used deep- and intermediate-focus events recorded at epicentral distances 70˚≤Δ≤100˚ at seismic stations of the USArray. The data are filtered in the period range of 20 to 200 s (i.e. 0.005 to 0.05 Hz) using a Butterworth bandpass filter. By using a time window including S/ScS which is sensitive to the D″ structure we could image small-scale structure with finer resolution than previous studies on global tomography. The observed anisotropy is interpreted as due to deformation-induced alignment of crystal caused by mantle flow for either Mg-perovskite (Mg-Pv), Mg-post-Perovskite (Mg-pPv), Ferro-periclase (Fp) or a combination thereof. In order to relate the flow geometry to the anisotropic geometry, we assume the dominant glide system and elastic constants of each mineral under the lowermost mantle condition based on high pressure experiment and theoretical calculation studies (e.g., Tsujino et al. 2016, Yamazaki et al. 2006 for glide system; Wentzcovich et al. 2006, Karki et al. 1997 for elastic constants). Based on above assumption, the inferred 3D anisotropic structure indicates that the horizontal flow related to subducted paleo-slabs is dominant in this region, and vertical flow related to the plume induced by slab sinking. This implies that the interaction between subducted cold slab and lower mantle plume, and the modality of convection in the lowermost mantle is controlled by tectonics on the Earth’s surface.

木村皐史
Thermal state of the upper mantle and the origin of the Cambrian-Ordovician ophiolite pulse: constraints from the Hayachine-Miyamori Ophiolite
地球は宇宙空間に内部の熱を放出することで、プレートテクトニクスや火成活動等を推進する巨大な熱機関である。地球の大部分(~80vol%)は熱対流によって表層へ熱を輸送するマントルであるため、その熱的状態の時間的変化およびダイナミクスを明らかにすることは、地球科学において本質的に重要である。マントルの熱状態は内部エントロピーを代表するマントルポテンシャル温度(MPT)で扱われる。地球史におけるMPTの経年変化は、これまで玄武岩の化学組成や単純なparameterized convection modelなどから推定されてきたが、スーパープルームのような数十億年以下の時間スケールの熱イベントついて議論できる時間分解能はなかった。これは従来のMPT推定法では対象の構造場が非島弧に限定されているにも関わらず、島弧性の岩体が地質記録における特定の時期に卓越するためである。そのような岩体の一つにオフィオライトがある。オフィオライトは少なくとも古原生代から近代まで広範にわたって形成されてきたマントル最上部の複合火成岩類であり、その大部分が島弧で形成されたと考えられている。オフィオライトの全球的な形成頻度には、オフィオライトパルスと呼ばれる数億年周期の集中期が認められる。これまでオフィオライトパルスの形成にはスーパープルームのような高温の熱イベントの関与が疑われてきたが、上述のMPT推定法の制限のために定量的な熱状態が得られず、成因不明であった。本研究では、特に島弧型オフィオライトが卓越する顕生代初期オフィオライトパルスに着目し、島弧域に適応可能なMPT推定手法の開発、新手法適応によるマントル熱状態の推定、数千万年スケールでのマントルダイナミクスの推定および当該パルスの成因の推定を行った。当該パルスを構成する早池峰-宮守オフィオライト中の超苦鉄質岩脈は、高圧力下での固結によって初生マグマ中の含水量を保持していることが認められた。その初生マグマ組成から推定された溶融機構と溶融条件は、サブスラブマントルの減圧溶融で~170 km, ~1430 ℃であった。これは顕生代初期の上部マントルの熱状態が現在と近いこと(~1350 ℃)を示唆する。このため、顕生代初期パルスにおけるスーパープルームの関与は、上部マントルに熱的影響を与えないほど小さいと考えられる。また当該オフィオライトのCumulate memberの層序および集積構造を明らかにし、clinopyroxeneのREE濃度から初生マグマの溶融度と溶融深度の時間変化を見積もることで、顕生代初期の東北日本弧においてCumulate Memberとultramafic dikeが形成するまでの数千万年間にスラブ断裂が発生し、対向流によって生じた減圧溶融は深部へと進行して最終的には170kmに到達したことを示した。このようなスラブ断裂に伴ったサブスラブマントルの減圧溶融を示唆するREEパターンは、現代の中央海嶺および背弧玄武岩と比較して、強くHREEが枯渇している。これを踏まえた文献調査を行うと、本特徴は当該パルスを構成する半数以上のオフィオライトに共通することが分かった。よって、顕生代初期オフィオライトパルスの形成メカニズムは、コンパイルされたジルコン年代頻度分布から推定されているゴンドワナ超大陸形成時期を考慮すると、ゴンドワナ超大陸を形成する大陸衝突によって頻発したスラブの断裂、およびそれに続く海洋の閉鎖に伴う最上部マントルの衝上であると考えられる。

佐藤侑人
Structure and Dynamic Processes of Lithosphere-Asthenosphere Boundary Zone Decoded by Geothermobarometry of Spinel Peridotite Xenoliths
リソスフェア-アセノスフェア境界領域(LABZ)は、地質学的時間スケールにおいて弾性的に振る舞うリソスフェアと、粘性的に振る舞うアセノスフェアとの境界領域である。LABZの形成要因と動的過程を理解するためには、マグマにより瞬間的に地表にもたらされたマントル物質断片であるカンラン岩捕獲岩（以下、捕獲岩）の高い時空間分解能を活用することが必要不可欠である。そのためには捕獲岩の由来深度を高精度で推定する必要がある。しかし、地球上に最も幅広く分布し動的過程が活発な、中-新生代以降の薄いリソスフェア(<60 km)では、有効な地質圧力計がないために、LABZの時空間変動を捉えられずにいた。本研究は、①まず由来深度を推定する手法を開発してマントル構造を復元し、②次に捕獲岩に記録された動的過程の履歴を解読することで、LABZの形成要因と深さを決定し、③LABZの変動とその時間スケールを明らかにした。研究地域として島弧域から東北日本弧秋田県一ノ目潟マール、大陸域からモロッコ中部アトラス山脈 Tafraoutマールを選んだが、今回は一ノ目潟マールでの結果を中心に報告する。①一ノ目潟に産するカンラン岩や苦鉄質岩の捕獲岩については膨大な研究がなされ、マントルの熱・化学・岩石学・変形組織の多様性が明らかとなってきたが、その深さ変化は未解決であった。本研究は、地質温度圧力計の小さな圧力依存性を最大限に活用することで捕獲岩の由来深度推定を実現した。そのために、捕獲岩を構成する全ての鉱物の多様な組成累帯構造と、その要因である熱履歴を網羅的に明らかにすることによって、マントル由来の捕獲岩が抽出される直前に化学平衡に到達した鉱物・粒子内位置・成分を特定した。得られた圧力範囲は0.7-1.6 GPaであり、温度範囲は830-1080 °Cで、約290 K/GPaという高い地温勾配を示す。求めた由来深度から、角閃石を含み・弱変形かつ粗粒な・斜長石カンラン岩からなる浅部マントル(28-32 km)が、メルトを含み・斜長石および角閃石を含まず・強い変形を被った細粒の・スピネルカンラン岩からなる深部マントル(41-55 km)の上に重なる層構造を復元した。②輝石やカンラン石中に密集して産する滴状スピネル粒子(~数十µm)の微細構造と結晶方位の解析によって、この微細構造が変形による粒界移動のプロキシーとして使えることを見出した。さらに①で明らかにした鉱物の累帯構造とこの微細構造の関係から、流動変形のタイミングを特定できることを示した。その結果、冷却に伴って輝石中にスピネルラメラが形成された後、抽出直前の加熱に伴う粒界移動と同時に流動変形が生じたことを明らかにした。~40 km以深の強変形なマントルに由来する捕獲岩にはこの微細構造が顕著であるのに対し、~40 km以浅の弱変形のマントルに由来する捕獲岩には認められない。これは、後者の熱史が単純冷却であるのに対して、前者は冷却後強加熱を呈することと調和的である。以上により、捕獲岩抽出直前に深部層にのみ変形流動が生じていたことが判明し、~40 km以浅がリソスフェリックマントルであり、それ以深が粘性流動するLABZであると判断できる。また、カンラン石結晶方位の分析結果に基づいて計算した地震波異方性の深さ変化や、~40 km以深でのメルトの出現が示唆する地震波速度の減少は、地震学的LABがLABZに存在することを支持する。変形微細構造の発達とメルトの出現深度の一致は、島弧下のLABが含水カンラン岩のソリダスによって支配されていることを示唆する。LABにおける粘性コントラストの形成要因としては、化学組成変化・メルト生成(ソリダス)・粒径変化など多様なモデルが提唱されているが、一ノ目潟からは、含水量と温度に支配されてソリダス条件を越えた深度で変形流動が促進されるという島弧のLABZの形成要因が初めて明らかとなった。さらに、地球物理観測から推定される温度構造が火山弧から背弧にかけ冷却すること・地震波速度構造から推定される東北日本弧下のLABの深さと火山岩から推定されるマグマ生成深さが前弧から背弧に向けて深くなることに基づいて、東北日本弧のLABが背弧から前弧に向けて浅くなる事を明らかにした。③①と②で明らかにした熱史と変形史の時間スケールを、輝石の組成累帯構造の拡散モデリングを行うことで復元した。強変形な深部マントルを特徴づける加熱の時間は、輝石リム部の加熱の組成プロファイル(~数十µm)を対象とした拡散モデリングから~1.6 (0.4-6.3)×10^4年であり、弱変形な浅部マントルを特徴づける冷却の時間は、輝石コア部からリム部にかけての冷却の組成プロファイル(~数百µm)を用いて1.45 (0.44-4.82)×10^7年であることが明らかになった。捕獲岩の熱史と変形史の比較により、リソスフェリックマントルのレオロジー構造が日本海拡大(~二千万年前)以降の冷却時において確立されたことが示される。一方で、LABZにおける加熱と変形流動が抽出の直前(~数万年前)にほぼ同時に生じたことを示す。これは即ち、東北日本背弧側リソスフェアの熱化学浸食の時間スケールが数万年であり、~40 kmまでリソスフェアが薄くなったことを示唆すると考えられる。

水野尚人
Analysis of slip evolution of tectonic tremor using similarity search
深部微動は低周波地震が群発的に発生したものであると考えられている。深部微動を解析するにあたって、エンベロープ相関法とマッチドフィルターの2つが主に用いられている。エンベロープ相関法は数10秒〜数分程度のエンベロープ波形の類似性を利用したもので、波形の全体を解析できる長所がある一方で時空間的な解像度を高めることが難しく、対象とする時間窓の長さやその時間窓における震源の広がりによって解像度が制約される。マッチドフィルターを用いた解析では、典型的な低周波地震のテンプレート波形を用意し、それと相互相関の高い波形を検出する。この手法では良い解像度が得られる一方で、テンプレート波形と類似性のないシグナルは検出されないため、波形の一部のみしか説明することが出来ない。低周波地震をグリーン関数として深部微動のすべりインバージョンを行う手法 (Ohta and Ide, 2017) ではこれら2つの問題点を解決し、波形の全体の解析と良い解像度が両立できる。しかしながらこの手法では計算にかかる時間が非常に長く、長期間のデータを解析することが困難であった。本研究では近似最近傍探索を用いたマッチドフィルターの高速化を行い、これを応用することですべりインバージョンを高速化した。多数のテンプレート波形を用いたマッチドフィルターは、テンプレート波形をデータ点とし観測波形をクエリ点とした最近傍探索として定式化できる。このようなデータの自由度の大きい最近傍探索は古典的には愚直な探索より高速化することが難しかったが、近年の研究によって近似解においては大幅な改善が行われている（e.g. Johnson et al., 2017）。本研究ではSVDを用いた次元削減・近似最近傍探索による枝刈・GPUを用いた高速化等の工夫を行った。Ohta and Ide (2017) のインバージョン手法はマッチドフィルターの拡張と捉えることができ、マッチドフィルターと同様に近似最近傍探索に帰着することによる高速化が可能である。本研究の手法によって先行研究と比較して1000倍以上の高速化が達成され、長期間のデータに対する解析が可能となった。

Author: sakuraba

Research Overview 2022-2023

固体フォーラムのおしらせ

修士論文構想発表会

固体地球フォーラム Solid Earth Forum July 2019

固体地球フォーラム博士論文中間発表 Student’s interim presentation

固体地球フォーラム 4 – 6月 Solid Earth Forum

修士論文構想発表会

Solid Earth Forum, December 2018 – January 2019

Solid Earth Forum, October 2018

Solid Earth Forum – July 2018