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

6 月 26 日(水)@ Room 710

  1. 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
  2. 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

  1. 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-
  2. 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。

固体地球フォーラム 4 – 6月 Solid Earth Forum

6月4日(火) June 4th, 16:30 〜 18:00 @ Room 710

Ved Lekic さん (University of Maryland)
Large-Scale Elastic Structure of Lower Mantle with Implications for Viscosity


5月21日(水) 16:30 〜 18:00 @ 710号室

Jessica Irving さん(Princeton University)
Deeper and Deepest: the seismic structure of Earth’s outer and inner core


4月24日(水) 16:30 〜 18:00 @ 710号室

佐藤 哲郎さん(東京大学大気海洋研究所)
「地磁気を使った年代測定からみる津波石の移動年代」


修士論文構想発表会

みなさまふるってご参集ください。セミナー後には710室で固体講座の送迎会・懇親会を行います。

3月13日(水)16:00 – 18:00 @710号室

  • 16:00 – 16:20 青木 智
  • 16:20 – 16:40 山岡 健
  • 16:40 – 17:00 奥田 花也
  • 17:00 – 17:20 上 翼
  • 17:20 – 17:40 小澤 佳佑
  • 17:40 – 18:00 岡 健太
  • 18:00 – 20:00 懇親会

固体フォーラム 12月〜

12月26日(水) 16:30 – 18:00
710 号室

講演者: Dr. Trishit Ruj
タイトル: ORIGIN OF EXTENSIONAL STRUCTURES IN THE NOACHIS-SABAEA REGION, MARS: ALTERNATIVE HYPOTHESES

セミナー後には 710 号室で懇親会を行います。
みなさまふるってご参加ください。


1月 9日(水)
講演者: 土屋 卓久 (愛媛大学)

固体フォーラム10月の予定

10月31日(火)16:00 – 18:00
理学部1号館710室

修士論文中間発表2

16:30 – 17:00
池永 有弥 『伊豆大島安永噴火の推移とマグマシステム』

17:00 – 17:30
甲斐 建 『独立成分分析を用いた火山性地殻変動抽出の試み』

17:30 – 18:00
高橋 大和 『N型火山性地震の自動検出手法の検討とその応用』

要旨は末尾参照


10月24日(火)16:00 – 18:05
理学部1号館710室

修士論文中間発表1

16:00 – 16:30
麻生 未季
パークフィールドにおける低周波地震の震源メカニズムの推定と地震活動

16:30 – 17:00
植村 堪介

17:05 – 17:35
金子 りさ
紀伊半島沖における脈動帯(0.1-2Hz)でのスロー地震

17:35 – 18:05
鈴木 杏平

要旨は末尾参照


要旨

発表者:池永有弥 さん

タイトル:伊豆大島安永噴火の推移とマグマシステム

要旨:玄武岩質の低粘性マグマを噴出する火山では一般的に穏やかな噴火が起こりやすいと認識されているが、富士山の1707年宝永プリニー式噴火など爆発的噴火が発生することもある。しかし玄武岩質の火山における爆発的噴火の報告例は少なく、十分な研究がなされていないのが現状である。このような爆発的噴火を頻繁に起こしてきた火山の1つに、日本を代表する玄武岩質の活火山である伊豆大島火山がある。伊豆大島では大規模な爆発的噴火がこれまで約100-150年周期で頻繁に起こってきた(Nakamura 1964)が、最後の大規模な爆発的噴火である1777年の安永噴火以来240年以上にわたって大規模噴火が発生しておらず、近い将来同様の噴火が発生する可能性は否定できない。これらを踏まえ、伊豆大島における過去の大規模な噴火の推移やメカニズムを詳細に調べることは火山学的・防災的に重要であると言える. 本研究では安永噴火の噴火期間のうち、最盛期であるスコリアと溶岩の噴出期を対象として, 噴火推移とマグマシステムの解明を試みた.その結果、スコリア・溶岩噴出期の終盤で噴火が最盛期を迎えたことや、噴出時期によって斜長石斑晶量をはじめとしたスコリアの特徴が顕著に変化していることがわかってきた。今回の発表ではこれらの詳細および今後の方針について述べる。

発表者:甲斐建 さん

タイトル:独立成分分析を用いた火山性地殻変動抽出の試み

要旨:西南九州に位置する霧島山新燃岳火山は、2011年に総放出量2.1-2.7×10^7 m^3 DREの噴火を起こした(Nakada et al., 2013)。新燃岳地下のSV波の速度構造の解析からは、海抜下10-15km付近に大規模な低速度領域が存在することがわかっており、マグマ溜まりであると考えられている(長岡, 2018)。また、霧島山の震源分布の解析から、低速度領域の下部、海抜下20-25km付近に深部低周波地震の震源が存在するため、地下からのマグマの供給が地震学的な視点から示唆されている。一方、噴火に先行するGNSS時系列トレンドの変化が、2006年以降から観測されており、地下の火山活動の変化が測地学的な視点から示唆されている。しかしながら、火山地域のGNSS観測データには、潮汐の年周変化、地震、及びテクトニックなプレート運動などの火山活動以外の寄与も含まれている。したがって、火山活動を議論する上ではそれらの寄与を取り除く必要がある。そこで本研究では、多変量統計解析を用いて火山活動以外の寄与を取り除き、火山活動に起因すると思われる時系列を抽出することを試みている。本発表では、統計解析手法の一つである、独立成分分析の概要及び、GNSSデータに発生する欠測の処理の手法について紹介し、今後の研究の方針について述べる。

発表者:麻生未季 さん

タイトル:パークフィールドにおける低周波地震の震源メカニズムの推定と地震活動

要旨:テクトニックな低周波地震は世界中のプレート境界で発生しており、その地域のスローな変形だと捉えられている。それゆえ、低周波地震の震源メカニズムはプレート運動に整合的であることが期待される。実際、西南日本をはじめ、メキシコやカスケードなどの沈み込み帯では、低角逆断層型[Ide et al., 2007; Royer and Bostock 2014; Frank et al.,2013]、ニュージーランドの横ずれアルパイン断層では、右横ずれ断層型[Baratin et al., 2018]の解が得られている。しかしながら、多数の低周波地震が観測されているにも関わらず、地震波形のS/N比が低いサンアンドレアス断層沿いのパークフィールド地域では、低周波地震の震源メカニズムは明らかになっていない。そこで、本研究ではShelly (2017)のカタログにまとめられたパークフィールド周辺の88種類の低周波地震約114万イベントを対象として、それらを取り囲む131観測点の地震波形のS/N比を向上させ、震源メカニズム解の推定を目指す。また、波形振幅情報から得られた個々の地震の大きさに着目した活動解析についても紹介する。

発表者:金子りさ さん

タイトル:紀伊半島沖における脈動帯(0.1-2Hz)でのスロー地震

要旨:スロー地震は微動・超低周波地震(VLF)・SSEなどに分けることができ、これらは異なる周波数帯で観測されている。一方、例えば0.1-2Hzのような周波数帯においては、地球の微動が支配的となるために地下でのゆっくりとした変動を観測することが困難であり、その存在は確かめられていなかった。しかしながら、2016年4月1日に紀伊半島沖で発生したMw5.9のプレート境界型の地震の後、DONET海底地震計において、脈動帯において十分に大きなシグナルが観測され、微動やVLFイベントやSSEも同時に観測された。そこで、本研究では、脈動帯においてイベントの特定と震源決定を行い、2Hz以上の微動やVLFイベントとの時間的・空間な分布をエンベロープ相関法を用いて比較した。その結果、スロー地震により脈動帯でも地震波の放出があること、各周波数帯での震源が一致するイベントがあったことがわかった。これにより、スロー地震は脈動帯も含む連続的な広帯域にわたる複雑な現象であると結論づけることができるだろう。

固体フォーラム7月の予定

場所:理学部1号館710室

7月4日 16:30-18:00
山崎 俊嗣 (東京大学大気海洋研究所)
Title: Biogenic magnetites in marine sediments: implications to paleomagnetism, environmental rock magnetism, and microbiology

7月11日
日比谷 由紀 / 佐藤 侑人 (博論中間発表)

7月18日
佐藤 雅彦

7月25日 16:00-18:00
板野 敬太(博論中間発表1)
Title: モナザイト年代学・地球科学:大陸地殻研究への応用

Anselme Borgeaud(博論中間発表2)
Title: Imaging slabs in the Earth’s mantle transition zone and D″ layer beneath Central America and the Caribbean using waveform inversion