Subduction factory1. Theoretical mineralogy, densities, seismic wave speeds, and H2O contents

by Hacker, Abers, and Peacock, JGR 2003

火山物理セミナー　 6/11/2010三部賢治

沈み込み帯の岩石の相図と鉱物物性値をコンパイルし，観測される地震波速度や計算した温度圧力構造との比較により沈み込む地殻やマントル中の含水度合等を明らかにすることを目指す．

Hatten S. Yoder Jr.(1921-2003)

本研究では，以下のステップを踏む． ステップ 1 ．沈み込み帯に関連する鉱物の物性値をコンパイルし，評

価する． ステップ 2 ．沈み込み帯の主要岩石の相図を作成する． ステップ 3 ．特定の沈み込み帯についての P-T 条件を計算する． ステップ 4 ．相関係と P-T モデルとを重ね合わせる． ステップ 5 ．岩石の物性値と P-T モデルとを重ね合わせる． ステップ 6 ．計算値と観測とを比較する．

2．鉱物物性値のコンパイル たくさんの文献からデータを集めた． 高温高圧下での鉱物の密度や地震波速度の計算

には， Bina & Helffrich (1992) の方法を用いた． 熱膨張率は Holland & Powell (1998) で使われた，

単純な式を使っている． μ 　及びその温度依存は，あまり決まっていな

い．

3．相図の作成 1 つの安定領域内では，鉱物の化学組成が一定であると

単純化する． 安定領域同士の境界では，不連続反応が起きていると

単純化する．

沈み込む地殻： MORB 組成の玄武岩・はんれい岩マントル：超マフィック

レールゾライト涸渇した（マグマ成分が抜けた）レールゾライトハルツバージャイトサーペンティナイト

3． 1　マフィック岩（MORB地殻）

マフィック岩の相図を書くには；1 ．特定の岩石組成についてギブスの自由エネルギーを最

小にする相の組み合わせを計算する．　　欠点：計算に必要な熱力データの質にばらつきがあ

る．2 ．実験をする．　　欠点：低温のデータは信頼できない．

3． 1　マフィック岩（MORB地殻）

そこで本研究では，天然の変成岩のデータをコンパイルして，相図を書くことにする．

1 ．化学組成（各酸化物の割合）は MORB と 10 ％以内で一致する岩石のデータを使う．

2 ．各変成相の鉱物組成と鉱物のモード（存在比）をコンパイル．3 ．鉱物組成を物性値のわかる端成分に分解する．4 ．端成分の物性値が不明なときは， Table4 のルールに従って，鉱物

モードを補正する（それでも岩石の化学組成が MORB と 10 ％以内で一致することを確認）．

5 ．含水量は固定していない．6 ．安定領域の境界は，熱力ソフト Thermocalc で計算する．

つまり，岩石組成を少し変化させて安定領域の熱力計算をしている．

Schmidt & Poli (1998)Hacker et al. (2003)

3． 2　超マフィック岩 岩石の化学組成を Table5 の通りに決める． Table6 にまとめた方法により，熱力ソフト

Thermocalc を用いて反応の P-T 境界を決める． 高圧低温領域は不確定性が大きい．

3． 3　他の組成の岩石 変成岩と変成していない岩石の物性を比較する

ため，完晶質 MORB ，ダイアベース，オリビンガブロ，ウェールライト，オリビンクリノパイロキシナイト等についても計算した．

ガラス質の MORB の物性値は，空隙率やクラック等の影響が大きいため，使用しない．

4．沈み込み帯の温度圧力の計算 温度は numerical and analytical solutions により

計算した． 圧力は，以下の密度を使用して計算．

水： 1.0 g/cm3

大陸地殻： 2.7 g/cm3

海洋地殻： 3.0 g/cm3

マントル： 3.3 g/cm3

5．相関系を重ね合わせる． 水の activity を 1 としている． もしも水の activity が 1 以下ならば（たいてい

の場合はそうである），無水鉱物の安定領域が広がる．

6．岩石物性値を重ね合わせる 密度と含水量は，線形平均（ Voigt平均） Vp と Vs はそれぞれの鉱物の値から， Voigt-

Reuss-Hill平均を使って求められた（複数相の）岩石の体積弾性率及び剛性率から計算した．

Hashin-Strickman bound （ Voigt-Reuss-Hill平均より計算が面倒）で計算しても ±0.4% 以内で一致．

計算値は実験による計測値と良く合う（図14 ）

Helffrich (1996) の Fe 詳細に行った本研究と過去のおおざっぱな 3 成

分モデルとの比較（図 8 の a と c で， a に 6.5の低速ができている）

7．誤差について

誤差の原因は主に以下の 3 つ

（ 1 ）それぞれの鉱物の物性値の誤差（ 2 ）計算の簡略化による誤差（熱膨張率の簡略

化・ 3次の有限歪み・弾性常数の P に関する 2次微分を無視）

（ 3 ）単一鉱物データから（複数相の）岩石物性への変換計算する際に発生する誤差

8．計算値と観測との比較

今回の計算を，以下の 3 つについて観測と比較する．

（ 1 ）沈み込む前の海洋リソスフェア（ 2 ）沈み込むスラブ（ 3 ）マントルウェッジ

8． 1　海洋リソスフェアの地震波速度と構成鉱物について

White et al. (1992) 及び Mutter & Mutter (1993) による海洋地殻と最上部マントルの地震波速度を，今回の計算と比較した． P-T は，年代を考慮に入れて計算されている．

計算は等方的な平均値であるが，観測値は異方性を含む可能性があるので， 0.2 km/s 以下の比較には意味がない．

下部地殻の観測値は，無水のガブロノライト及びオリビンガブロの値を中央として分布

下部地殻の 7.0 km/s より遅い地域では，変質（角閃岩 100 ％の値に近いが，変質は均質には起こりにくい）または岩石の不均質（マフィック岩とサーペンティン 15～ 30vol% との混合物）の可能性がある．

上部マントルはスピネルハルツバージャイトの値に近い． 今回の計算方法は，過去の天然の岩石の速度を直接する方法よりも優れている．天然の岩石は，変質や副成分鉱物の影響を見ている可能性がある．

8． 2　沈み込むスラブの地震波速度と構成鉱物について

上部マントルと下部地殻最上部との速度差は15 ％であり（図 15 ） ，これは図 16a の無水ガブロと無水ハルツバージャイトとの速度差に近い．（つまり，通常の海洋リソスフェアは，地殻・マントルともにドライ）

図 16b 含水 MORB＋無水マントル：速度差ゼロのところがある．ここでは化学組成の違いは観測からはわからない．温度差のみがわかる．

図 16ｃ含水 MORB＋含水マントル：地殻がマントルよりも圧倒的に速いのが特長．

8． 2　沈み込むスラブの地震波速度と構成鉱物について

図 16ｃに関連して低温であるマリアナ・東北日本・クリル・アリューシャン

では，広く含水マントルがあっても良い P-T である．しかし，地震波速度は沈み込む地殻がマントルよりも速くなく，むしろ遅い． 16ｂと 16ｃの中間，つまり部分的に含水マントルになっているのであろう．

東北日本：地震波速度差からすると，部分的に含水マントルがあると考えられる．あるいは，含水 MORBとその上に無水ガブロがあると解釈することも可能．

8． 2　沈み込むスラブの地震波速度と構成鉱物について

トンガスラブでは，低速のマントルに高速の沈み込む地殻が挟まれている．これはひろく含水マントルが存在する可能性がある．あるいは，その観測にはパス効果（？）があるのかもしれない．

南海の様な高温沈み込み帯では，熱力学的にほとんど含水マントルは無いと予想される．観測値からは，沈み込む地殻がガブロのままであり，エクロジャイトに転移していないと解釈することが可能．

8． 3　マントルウェッジの変質について

観測により Vp/Vs が高い・ポアッソン比が高い部分が見つかっている．　→　マントルウェッジは部分的に含水化していると考えられる．

感想ほぼサーペンティンの物性値のみが議論に大きく影響している．

その他の物性値は，細かく計算した割にはあまり役立っていない．

サーペンティンも結局は「部分的にあるだろう」という程度の定性的議論で終わる．この程度のことは細かい計算をしなくても言える．

こういった研究の方向性にはもちろん意義はあるが，現在手に入る物性データの質が，細かい議論をするには全く追いついていない．