科学研究費補助金『特定領域研究』

スタグナントスラブ：マントルダイナミクスの新展開
ニュースレター
No.1 Dec.2004

地震波トモグラフィーによってイメージされたスタグナントスラブ（左、研究項目A01）と３次元マントル対流モデルによる対流パターン（右、研究項目 A04）

目

次

スタグナントスラブ：マントルダイナミクスの新展開・・・・・・・・・・

沈み込むスラブを追跡する！
プロジェクトの概要・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
研究計画
広帯域地震観測によるスタグナントスラブの微細構造の解明・・・・・・・
地震波トモグラフィーによる滞留スラブの高分解能イメージング・・・・・
海底広帯域地震観測でスタグナントスラブを診る・・・・・・・・・・・・
海底電磁気機動観測でスタグナントスラブを診る・・・・・・・・・・・・
スラブ滞留・沈降過程の物質科学的モデリング・・・・・・・・・・・・・
スラブ滞留・崩落過程の物質科学的モデリング・・・・・・・・・・・・・
マントル下降流による熱・物質輸送と地球進化過程の数値モデリング・・・
マントル下降流に伴う滞留スラブの形成・崩落過程の数値モデリング・・・

スタグナントスラブ：マントルダイナミクスの新展開
沈み込むスラブを追跡する！
深尾良夫（海洋研究開発機構）
地震・火山噴火などの自然現象は地球表

ブの滞留・落下に伴って何が起こり地球史

層を覆う十数枚のプレートと呼ばれる岩板にどのような影響を与えるかを明らかにすの運動の結果として説明されています。プ

ることにあります。

レートは中央海嶺と呼ばれる海底大山脈でこの目的を達成するために本領域では３生まれ、太平洋を縁取る海溝から沈み込ん

つのアプローチを取ります。第１は海底にで地表から消滅します。環太平洋は年老いおける地震・電磁気観測とトモグラフィー

たプレートの巨大な墓場なわけです。マン

解析とを組み合わせた観測アプローチです。

トル（地球の外側半分を占める岩石の世界）

世界トップクラスの海底観測技術を駆使しに沈み込んだプレート部分は特に「スラブ」てスタグナントスラブの実態と周囲のマンと呼ばれています。最近地震波を使って地トル環境を明らかにします。第２は最高輝

球内部の写真を撮る技術が発達し、スラブ度の放射光施設と高圧実験装置を組み合わの行方を追跡することができるようになりせた実験アプローチです。世界をリードすました。それによれば、沈み込んだスラブ

る実績を背景にスラブ滞留のメカニズムとは、上部マントルと下部マントルの境目付落下の過程を物質科学の側面から明らかに

近の遷移層内に一旦横たわろうとする著しします。第３は上記の研究成果を取り込んい傾向があることがわかってきました。図で世界最速コンピュータ（地球シミュレーを御覧ください。環太平洋に沿って沈み込

タ）を動かす計算アプローチです。数理科

んだスラブが地震波の伝播速度が速い場所

学の研究者と共同でマントル対流の新しいとして映し出されていますが、そのスラブシミュレーションコードを開発しスラブのが深さ 700km の±300km 内で横に寝る傾向

滞留と落下の地球史的な意義を明らかにしにあるのが見て取れます。こうした傾向にます。詳しくは、本ニュースレターを御覧あるスラブは本特定領域の研究者によって下さい。

「スタグナントスラブ」（＝滞留スラブ）と皆さんは「マントル対流」という言葉を名付けられました。また日本や伊豆・小笠

御存知でしょうか？マントルは火山地帯を原の断面図を見ると、マントルの最下部に除けば全て固体の岩石でできています。しスラブの残骸と見られる異常が映っていまかし固体といえども長い地質時間では対流す。これは遷移層に滞留したスラブが溜まを起こし深部の熱を地球外に放出していまりすぎて重力的に不安定になり下部マントす。このゆっくりした対流が「マントル対

ル深く落下したものと解釈されています。

流」です。プレート運動はマントル対流の本領域研究の目的は、沈み込むスラブが何

ごく表層の動きに他なりません。また地球

故遷移層に横たわろうとしその後どうして史上には今の地球からは想像もできない激下部マントル深く落下するのか、またスラ変の時代があったことが知られています。

手近な所では１億年前の「白亜紀超温暖期」

ントルへの落下はマントル対流の本質と考のグローバル火山活動が有名ですが、こう

えられ、地球内部の運動と進化を理解するしたグローバルイベントもマントル対流の上で重要な現象です。この現象を解明する

存在を考えて初めて理解可能な現象です。

ことにより、マントルダイナミクスの新展

沈み込むスラブの遷移層への滞留と下部マ開が期待されます。

プロジェクトの概要
深尾良夫（海洋研究開発機構）
本領域は、プレート沈み込みに関わる「スる世界最大の沈み込み帯に沿ってスタグナ

タグナントスラブ」の概念をキーワードに，ントスラブの全貌を明らかにするため、特地球物理観測、超高圧地球科学、計算機科に分解能の低い極東ロシア域とフィリピン

学の先端グループが結集し、５年間でマン海域において長期アレー地震観測・電磁気

トルダイナミクス研究に新展開をもたらす観測を実施する。
（２）沈み込むスラブが上ことを目的に設定される．具体的には（１）部・下部マントル境界付近で滞留するメカ

カムチャッカから日本を経てマリアナに至ニズムと滞留の後に崩落するメカニズムをマントル物質に関する高温高圧実験によりている。スタグナントスラブが注目される

明らかにする。
（３）現実の地球に近いパラのは、単にそれがマントル遷移層において

メタ空間・モデル空間で世界最速コンピュ

最も際立つ現象というだけではなく、マンーター（地球シミュレータ）による対流モ

トル対流の非定常性と関わってプレート運

デリングを行い、その結果と観測・実験結動史ひいては地球史を理解する１つの鍵と果とを合わせて、スタグナントスラブの滞見られるからである。本計画はこの「スタ留と崩落のメカニズムを明らかにする。まグナントスラブ」の概念を独自の切り込み

た滞留と崩落の過程がプレート運動史ひい

口とし、そこに日本が世界に誇る海底地球ては地球史に及ぼす影響を明らかにする。

物理観測技術と高温高圧実験技術を特色あ「スタグナントスラブ」現象は、その発見

る研究手法として持ち込み、世界最速コンから一般的存在の検証までを（命名まで含ピュータを駆使して，下降流の側からマンめて）一貫して本領域参加者がリードしてトル対流の全容に迫るアプローチを取ろうきたもので、現在では、マントルダイナミとするものである。

クスにおけるその役割が世界的に注目されイメージング分野
A01：地震学的イメージング
計画研究ア：ロシア極東部広帯域地震観測による滞留スラブのイメージング
計画研究イ：地震波トモグラフィーによる滞留スラブの高分解能イメージング
A02：海底観測によるイメージング
計画研究ウ：海底広帯域地震観測でスタグナントスラブを診る
計画研究エ：海底電磁気機動観測でスタグナントスラブを診る
モデリング分野
A03：物質科学的モデリング
計画研究オ：スラブ沈降・滞留過程の物質科学的モデリング
計画研究カ：スラブ滞留・崩落過程の物質科学的モデリング
A04：計算機モデリング
計画研究キ：マントル下降流による熱・物質輸送と地球進化過程の数値モデリング
計画研究ク：マントル下降流に伴う滞留スラブの形成・崩落過程の数値モデリングA01 計画研究ア

広帯域地震観測によるスタグナントスラブの微細構造の解明
笠原稔（北海道大学・地震火山観測センター）
千島海溝・日本海溝から年間 8cm という同研究という位置づけで進められなければ世界でも有数の早い速度で沈み込みを続けならない。ロシアとの共同研究に関しては、ている太平洋プレートは、活発な深発地震

1995 年北サハリン地震の際の共同観測に端活動を深さ 660km 付近まで伴いながら、南を発して、日ロ科学技術協力委員会合意協側は 660km 層の上で、北側は 880km 層を突力プロジェクトとして極東地域の研究所とき抜けて深さ 900km 付近で滞留しているもの間での共同観測･研究が、1995 年から続のと推定されている。この場所は、ロシアけている。その発展的プロジェクトとして

沿海州・サハリン・オホーツク海に当たる。

今回の 5 カ年計画は位置づけられている。

しかしながら、この地域の地震観測網は空

表 1 に各観測点の位置と関連するロシア

白状態にあり、この滞留スラブを直接通過側の研究所を示してある。ロシアの地震観した地震波線が得られていないために、地測は、基本的にはロシア科学アカデミー・

震波トモグラフィ−で得られた画像の分解

地 球 物 理 観 測 機 構 (Russian Academy of

能が著しく低いという事実がある。本研究

Science, Geophysical Service; RAS,GS)

では、滞留スラブが存在すると推定されての下にある、各地域の地震観測所が受け持いる上記の地域において、広帯域地震計にっている。各観測所は、例えば、カムチャ

よる臨時地震観測網を日露共同で展開し、ッカの場合は、Kamchatkan Experimental

滞留スラブを「直接」通り抜けてくる地震

Methodical

波形データを取得することにより、滞留ス(KEMSD) と呼ばれる。同様の組織が、サハ

ラブの南側から北側にかけての形態変化を

リン州、マガダン州にもあり、表 1 に示し鮮明に描写する。また、滞留スラブの周囲

た SEMSD,MEMSD がそれである。このほかに，

マントル（特に大陸上部マントル）の非均

沿海州にはこの組織がないので，応用数学

質構造を表面波解析により求めると共に、

研 究 所 （ Institute

遷移層微細構造を変換波・反射波解析によMathematics; IAM）
・国立極東大学との連携り求める。以上を統合して、滞留スラブのの下に、ウスリースク近郊にある天文台の

形態変化の要因を観測の側から明らかにす

敷地に観測点を設置できるよう、了解を得る。

ている。また、ハバロフスクでは、テクト

Seismological

DepartmentofAppliedニクス･地球物理学研究所（Institute of
研究の進捗状況

Tectonics and Geophysics; ITG）との連携

図 1 が、今回の計画で設置を予定していにより、ハバロフスク観測点を計画している観測点分布である。図からわかるように、る。サハリンにおいては、海洋地質学・地全ての観測点はロシア連邦極東地域に分布

球 物 理 学 研 究 所 （ Institute of Marine

する必要があり、ロシア連邦との 2 国間共

Geology and Geophysics; IMGG）, カムチ

ャッカにおいては、火山地震研究所

クから、750km の距離であり、自動車で行（and

くのであるが、2 日がかりになる。観測点

Seismology; IVS）との連携の下に進めてい

１、は、ウスリースク近郊にある天文台でる。
8 月中旬、カムチャッカにおいて開催された 、 The 4th Biennial Workshop on
Subduction
Process,
alongJapan‑Kamchatka‑Alaska arc において、
カムチャッカ･マガダン・サハリン・ハバロ
フスクからの各機関の代表との会談を行い、基本的な合意を得た。最も多くの観測点を管轄しているサハリンを 12 月上旬に訪問し細部の話し合いを進めた。先に述べたよ
うに、多数の研究所が関係していることか
ら、包括的な合意をロシア科学アカデミーの大本との間で明確にしておく必要がある
ことが指摘された。5 年前に、基本的な合意書を交わしているので、来年 1 月には、その延長をモスクワで話し合うことにしている。

ある。ここのインターネット環境はかなり

InstituteofVolcanology

よく、できればここのデータは、ウラジオストックの極東大学まで転送することを検討している。できるだけ、観測データがロシアの若い研究者・学生の眼に触れるようにすることも重要なことであると考えている。観測点３、は、ハバロフスク市内の地
理学研究所の地下室を予定している。予定
点 の う ち 、 観 測 点 ７ 、 Oxa,

と

12 、

Kamenskoe においては、すでに、CMG および
STS‑1 による広帯域地震観測が日ロ協力研
究として進められている。観測点８、Timosk,
11、Klyuchi、については、すでに現地調査済であり、来年度の設置が予定されている。

観測点現地調査

観測点、5，6，9，10 に関しては、来年度

10 月中旬に、来春設置予定点のうち、極に現地調査を予定しており、2006 年の早い

東シベリアの 4 点の現地調査を行った。図

時期には、全ての観測点を稼動させる予定

１の観測点、1〜4 である。観測点４、Gorniiでいる。

は、サハリン地震観測所の管轄であり、ユ

8 月上旬、交付決定通知を受けて、観測

ジノサハリンスクから担当者に参加してもシステムの根幹を成す、STS‑2 型地震計のらえた。3 階建てのアパートの 1 階角の部発注を行ったところ、納期 6 ヶ月とのこと

屋を観測室として使用して、その地下に地で、2005 年 1 月末に観測機材は全て整うこ

震計室が設置してあった。オペレーターは、とになる。2 月中旬に、サハリンからの共60 歳を越していると思われる女性 2 人であ同研究者を札幌に招聘して、全機材の点検る。訪問した 10 月 20 日、すでに積雪 10cmのために平行観測を行う予定である。

の冬景色であった。観測点２、Terney も、
サハリン地震観測所の管轄であり、ここは期待できる効果

独立した地震観測所があり、50 代前半の夫

図 2 に、現状の IRIS 観測を 10 年間続け婦がオペレーターであり、メールもつながた場合と、今回の観測網が稼動して 4 年間っており、良好な観測が期待できることがで得られるデータによる、表面波トモグラ

確認できた。ここまでは、ウラジオストッ

フィ−の解像度の変化を示しておく。

図１

図２

表１
No. Station Name

Lat

Lon

Height Institution

1 Vladivostok

43.52

132.07

IAM/AO

2 Terney

45.05

136.62SEMSD

3 Khabarovsk

48.63

135.35ITG

4 Gornii

50.81

136.46SEMSD

5 Zehya

54.14

127.42SEMSD

6 Nikolaesk‑na‑Amur

53.23

140.70

SEMSD

7 Oxa

53.64

142.83SEMSD

8 Timosk

50.83

142.67SEMSD

9 Sevro‑Krilysk

50.71

154.40SEMSD

10 Oxotsk

59.45

143.00MEMSD

11 Klyuchi

56.14

161.29KEMSD

12 Kamenskoe

62.54

165.11

ERI/KEMSD

Start

2001〜

1996〜

A01 計画研究イ

地震波トモグラフィーによる滞留スラブの高分解能イメージング
末次大輔（海洋研究開発機構）
研究計画(c)データセンターの立ち上げ・運営

本研究（計画研究イ）では、フィリピン

特定領域研究「深部スラブ」で得られる

海・北西太平洋に設置される広帯域海底地

地震波・電磁気の全データを管理し、当該震計（計画研究ウ）と極東ロシアに設置さ領域に参加する研究者の解析に資するためれる広帯域地震計（計画研究ア）のデータのデータセンターの立ち上げ・運営をおこを既存観測点のデータと併せて解析するこなう。

とによって以下の対象をこれまでにない高

具体的な解析手法としては、(a)については分解能で推定するとともに、計画研究ア、P,S 波走時トモグラフィーと広帯域波形デ

ウ、エで得られる地震観測データと電磁気ータの波形インバージョンによって西太平

データのためのデータセンターを立ち上げ、

洋マントル構造を推定して滞留スラブを捉その運営を行う。

え、(b)についてはレシーバー関数法、ScS
反射法などによって滞留スラブ付近のマン(a) 西 太 平 洋 沈 み 込 み 帯 滞 留 ス ラ ブ の 構

トル不連続面凹凸を求める。また深発地震

造・形状の SP、PS 変換波解析などにより、海洋性地

新たに得られる地震データと従来のデータを用いた地震波トモグラフィーにより、殻やスラブ内部準安定相などのスラブ内部
微細構造の研究をおこなう。

カムチャツカ・千島から日本、伊豆・小笠
原、マリアナにいたる西太平洋沈みこみ帯

研究の狙い全体にわたってスラブの滞留形状と深さや、本研究の特色は、従来、海域であること

準安定相・海洋性地殻の存在などを考慮しやアクセス困難であるために観測が難しか

た内部構造を連続的に空間分解能 100km でった極東ロシアでの観測データと日本の高イメージングする。

密度観測データを併合解析することによって、西太平洋沈み込み帯全域の太平洋スラ(b)西太平洋沈み込み帯におけるマントル

ブが上部マントルから下部マントルへどの

不連続面凹凸ような過程を経て沈み込んでいくのかを明

スラブ滞留にマントル不連続面がどのように寄与しているかを明らかにするために、らかにできることである。
これは、世界をリードする日本の広帯域

マントル不連続面の凹凸を空間分解能

海底地震観測と、ロシアとの共同研究の長300km で詳細にマッピングするとともに、い経験があって初めて可能になった。

トモグラフィーの結果と併せて、滞留スラ

スラブの遷移層周辺での滞留と崩落は、

ブ内外の温度異常・含水率を推定する。

マントル対流の非連続性・間欠性を作り出す重要な過程である可能性が高いと考えられる。本研究で得られる滞留スラブのイメ

ねによって可能となった。本研究では、構ージは、電気伝導度から見た滞留スラブの築されてきた高密度地震データベースに当イメージと併せて解釈し、さらに超高圧・該領域で得られる新データを加えて、この高温岩石学と結合させることによって温度手法を発展・適用していく。

や含水率など組成の推定に用いることができる。
さらにそれらがモデリングに利用されることによって、全マントル規模の対流・物質循環のモデル構築へと発展することが期
待できる。
準備状況
(a)既存データの準備
全地震波読み取り計画によって、本研究に必要な各種実体波到着時刻データの整備を
2 年前から開始し、データベースが着実に整備されている。現在は 7 万の走時データが蓄積されており、他に比類のないデータ
ベースとなっています。このデータに当該領域の新データを加えて本研究を実施する

図１

防災科研 Hi‑net 傾斜計データを用いて得られた 660km 不連続面の深さマップ。暖色系は標準より浅
く、緑系は深い。西日本では 680‑690km まで深くなっている（東野他 2003）。

準備はすでにできている。
(b)解析手法、計算プログラム
本研究で行う予定の地震波走時トモグラ
フィーや波形インバージョン、マントル不連続面凹凸推定などの地震波解析手法とその計算プログラムはすでに開発済みである。
①ScS 反射法
日本列島に高密度に展開されている防災科研 Hinet 傾斜計で記録された sScS 波の後続波からマントル不連続面の凹凸を推定する手法を開発し、滞留スラブと関係すると見られる不連続面の凹凸を画期的な空間分解能で明らかにした（図１）。
このような研究は、IFREE が国内外の研究機関との共同研究によって西太平洋地域の地震データを蓄積・解析してきた積み重②広帯域 OBS データのレシーバー関数解析によるフィリピン海マントル不連続面凹凸解析に用いたのは、OHP 計画によって実施されたフィリピン海横断海底広帯域アレーのデータである。まず観測点ごと、地震ごとに 3 成分波形データからレシーバー関数を求め、これを近い観測点ごとに全ての地震について重合して S/N 比を向上させました。
フィリピン海内部での 410,660km 不連続
面深度の地域性の結果とその地理的位置を図２に示すと、特徴的なのは 660km 不連続面がこの測線上で 690‑710km と非常に深いことである。本計画研究では、面的に配置された広帯域海底地震計のデータから、フィリピン海のマントル不連続面凹凸の面的分布が推定できると期待している。

図２

フィリピン海の 410km , 660km 不連続面の深図 3

西太平洋沈みこみ帯マントル遷移層における P 波

さと遷移層の厚さ。三角は海底観測点、＋は Ps 変換波がトモグラフィーの分解能。左は既存の ISC データのみ用

深さ 660km を横切る点。

いた場合、右は当該領域で取得されるロシア・フィリピ
ン海の地震データを加えた場合。

③

新データを使った実体波走時トモグラ

フィーによる分解能テスト

年次計画

西太平洋沈みこみ帯について、当該領域研究で取得されるロシア・フィリピン海の平成 16 年度

地震データによってマントル遷移層付近の①データセンターのための機材整備

空間分解能がどのように改善されるかをテ②既存データを用いた西太平洋マントルトストした。カムチャツカ、千島、マリアナ

モグラフィー、マントル不連続面凹凸の研弧で大幅な分解能の改善が期待されること究がわかった(図 3)。なお、この結果は当該領域のロシア・フィリピン海における地震

平成 17 年度

観測点の位置決定の際に考慮されている。

①データセンター運用テストを経て、後半に運用開始②既存データを用いた西太平洋マントルト
モグラフィー、マントル不連続面凹凸の研究
平成 18 年度
①フィリピン海海底地震観測データ、極東
ロシア広帯域地震観測データの解析開始

A02 計画研究ウ

海底広帯域地震観測でスタグナントスラブを診る
金沢敏彦（東京大学地震研究所）
本研究グループでは海底電磁気機動観測する領域から南方への遷移の様子は、陸上と共同で 2005 年 10 月から 2008 年までの 3の観測点密度が低いために解像度が低くそ

年間、図 1 に示す領域での長期繰り返し観の正確かつ詳細な様子を把握することは出測を計画している。伊豆小笠原海溝で沈み来ていない。この課題を解決するのが本特込む太平洋プレート(スラブ)は北緯 25 度

定領域研究の一つの主要な目的であり、そより北ではスタグナントスラブは横たわっのため横たわるスタグナントスラブが存在て深さ 660km のマントル内不連続面付近にする四国海盆から存在しなくなる西フィリ

存在するのに対し、南に位置する北部マリ

ピン海盆・パレスベラ海盆での対象域直上、

アナ島弧付近で顕著なように南側では急な及びマリアナ島弧下を通過する地震波を捉

沈み込み角を持ち、その不連続面を突き抜える太平洋プレート上に観測点を配置し、けているようなイメージがグローバルトモ

高密度な良質の地震記録を取得することをグラフィーの結果から得られている(図 2)。

狙っている。

しかし横たわるスタグナントスラブの存在

図1

海底地震・電磁気観測点予定配置図(★:地震,＋:電磁気,●:孔内地震,▲:陸上地震,●:旧地震アレイ)。電磁気 10

点は全期間、地震は中央部 8 点は共通とし東西側各 4 点を最初２回の観測で交互に最終年は全 16 点で観測を実施する。

具体的な観測計画としては、地震観測は 3

き変化と思われることにより水平動でのノ回各 1 年間のうち当初 2 回は 12 点を(1 回

イズレベルはいわゆるハイノイズモデル

目は九州パラオ海嶺より東側、2 回目は伊(HNM)より高いものへと押し上げられてい豆小笠原島弧より西側)、3 回目は全 16 点

るが、上下動は大洋島観測点と同等のノイで観測を行う。これは各年に 1 航海を予定

ズレベルを、遠地地震での観測に適する 10し、各観測点で地震計の入れ替えを行うた〜100 秒の帯域で得られている。また、微めに機材を各年度で 4 台ずつ調達して順次動帯の 5 秒より長周期側では HNM 以下のレ必要な数を揃えていくためである。この航ベルであり、基本的にこの海域は地震観測

海時には海底電磁気観測 10 点での設置・回に適していることが他の海域との比較から収も同時に実施する。使用する広帯域海底分かっている。また、この観測により期待

地震計は「海半球ネットワーク計画」のなされる解像度向上の推定も行っている。図

かで開発・実用化してきたもの(図 3)で、6 は、過去の 3 年間分のデータから陸上観

広帯域センサー(Guralp 社製 CMG‑3T,360s

測と本海底観測でそれぞれマントル遷移層〜50Hz)を搭載し 1 年間連続の高精度の記での波線が通過する数を 5 度メッシュの区録を取得可能である。本観測領域内の T09

画ごとに積算した値をグレースケールで示付近では 2002 年 10 月から 2003 年 5 月までしたものである。本観測領域であるフィリ

同形式の海底地震計により観測が行われて

ピン海内部では陸上観測で殆どカバーされおり、その期間でのノイズモデル(図 4)とていないのに対して、海底観測を行うこと

ノイズスペクトルの重ね合わせ(図 5)を示で補完され、解像度が大幅に向上することす。底層流の変動による地震計の微少な傾が期待される。

図2

グローバルトモグラフィーに見られるスタグナントスラブの伊豆‑小笠原‑マリアナ島弧に沿った変化。

図3

広帯域海底地震計の外観。

図4

四国海盆南西端での広帯域海底地震計による観測データから計算されたノイズモデル。Z:上下動、H1&H2：水平動。

裏側の太い線は陸上観測点のデータによる統計的なノイズモデルの上下限。

本年度は来年から始まる観測に向けての広日(研究船「かいれい」、K05‑15 航海, 和歌

帯域海底地震計の調達・観測航海の公募に山〜グアム)で採択内定を確保した。これはよる確保などを行った。この地震計は地震初年度の航海で全観測予定点での SeaBeam

研究所にて開発しているため、部品単位でによる精密な海底地形調査を完了させてお調達を行い実際の観測前に完成したものとくことにより 2 回目以降の観測航海での使して組み立てられる。長期観測では電池の用船舶の自由度を増やし、民間の作業船で自然放電による容量低下も問題となるため、の設置・回収航海も可能にするためである。

来年度の観測に必要な消耗品である電池な

また、各観測点ではエアガン探査も行い、どは来年の観測前に調達予定である。観測

地殻浅部の速度構造を把握し、適切な走時

航海は海洋研究開発機構の深海調査研究課

補正が可能となるようにする予定である。

題公募に応募し、現在 2005 年 10 月 5〜26

図 5

約半年の観測期間から無作為抽出した地震が起きていない時間帯のスペクトルの重ね合わせで季節毎に色を変えてある。左：上下動、右：水平動の 1 成分。

図6

マントル遷移層を通る波線の合計長。左：既存データ、右：本観測によって期待されるもの。

A02 計画研究エ

海底電磁気機動観測でスタグナントスラブを診る
歌田久司（東京大学地震研究所）研究代表者

歌田久司（東大・地震研）

見とその一般化は，我々の観測研究グルー

研究分担者

上嶋

誠（

同上

）

プが世界に先駆けて得た成果である．しか

同

清水久芳（

同上

）

し，固定観測網によって得られる描像は，同

後藤忠徳（海洋研究開発機構）

きわめておおまかなものでしかない．さら

同

小山崇夫（

に，ダイナミクスの解明のためには，地震

同上

）

①研究目的

学で得られる情報のみでは限界がある．当本計画研究は，海底電磁気機動観測によ該領域は，北西太平洋に存在するスタグナ

るデータと既存の海半球電磁気ネットワー

ントスラブに焦点を絞って，(a)稠密な地震

クによる観測データとを統合して電磁気ト

観測，電磁気観測を行って，(b)高分解能ト

モグラフィー解析を行い，日本およびフィモグラフィ−解析を行った結果を用い，(c)

リピン海を含む西太平洋域の巨大なスタグ

高温高圧実験および(d)対流の計算機モデ

ナントスラブを電気伝導度によって実体視リングによるマントル流のダイナミクスのすることを目的として５年間で実施する．

総合的理解を目指して設定される．本計画

具体的には，以下の３項目の達成をめざす．

研究は，このうち(a)と(b)について海底電(1) フィリピン海において，長期型海底電磁気観測および海底電磁気トモグラフィー

磁力計（LOBEM）による１年間の観測を合計解析を実施し，領域全体の研究の推進に寄３回実施する．

与する．また，研究の準備状況の項で示す(2)３回の機動観測によって得られる長期

ように，機動観測により目標達成に十分な高密度観測データに既存のネットワークの分解能が得られる見通しもついている．

長期観測データを加えて，マントル遷移層

冷たいマントル下降流は周囲のマントルににおけるスタグナントスラブに焦点をあて

温度擾乱をもたらす．地震波トモグラフィ

た電磁気トモグラフィー解析を行う．

ーでイメージされる，日本列島周辺の下降(3) 地震波トモグラフィー結果との直接比流とスタグナントスラブに対応する高速度

較により，スタグナントスラブの形状変化

異常領域の異常は，この温度場の擾乱によとその原因を解明する．

るものと考えられている．しかし，温度場

近年の固体地球科学において，マントルダの擾乱を他の効果（部分溶融や水の効果やイナミクスに関する研究分野は目覚ましく

鉱物化学組成など）から分離することは地発展しつつある．この発展の最も重要な推

震波トモグラフィーだけでは不可能である．

進力の一つになっているのが，地球内部構

ここに本計画研究で行う電磁気トモグラフ造の研究である．特に，「海半球ネットワー

ィーの重要性がある．電気伝導度という地

ク」などの固定観測網を用いた地震波トモ

震波速度とは独立なパラメータと速度構造

グラフィーによるスタグナントスラブの発との直接比較さらには高温・高圧実験による物性測定を組み合わせた研究は未開拓の(2004)の関係式を用いて P 波トモグラフィ分野である．当該領域における研究により，ー（Fuako et al., 2001）のイメージを電

スタグナントスラブだけでなく，深部マン

気伝導度に変換したモデルによる理論値をトルダイナミクスを解明するための新たな用いて行った．その結果を付図に示す．図

手法の確立に発展することが期待される．

(a)が与えた遷移層内深さ 500〜600km の電気伝導度分布で，西日本からアジア大陸に②この研究課題の準備状況

かけてスタグナントスラブに対応する低電研究計画の策定に先立って，最適な海底

気伝導度領域が見られる．既存の陸上観測

観測点の配置の検討を行った．また，既存網のみによる解析結果(b)やこれに海底ケの海底観測データのコヒーレンス解析によーブルのデータを加えた結果(c)では，このり，遷移層の深さを十分な信頼度で探査す

異常構造は不鮮明である．一方，フィリピるのに必要なデータ長は約 800 日であるとン海にほぼ等間隔に配置した 10 点の海底見積った．さらに，深部マントルの構造に

機動観測データを加わえた解析結果(d)で対する解像力が，既存のデータだけの場合は，この異常領域が明瞭にイメージされる．

に比べ海底機動観測によってどう改善され海底機動観測を計画通り実施した時の解像

るかをテストした．テストは，Koyama et al.

度の向上は目をみはらせるものがある．

図１

海底機動観測による、マントル遷移層の 500〜600km の深さの電気伝導度分布に対する分解能の改善をテストした結果。左から、(a) 地震波トモグラフィーを参照して作成した電気伝導度モデル、(b) 既存の地磁気観測網のみによるイメージ、(C) 陸上観測網に海底ケーブルデータを加えた場合、(d) 海底機動観測データを加えた時に得られるイメー
ジ。

本研究は、機動観測を実施するフィリピン

網のデータと機動観測データの統合解析に

海周辺の西太平洋地域におけるグローバル

よってはじめて上記のような遷移層の電気観測網（海半球ネットワーク）の長期観測

伝導度不均質構造に対する分解能の飛躍的を背景に行うものである。すなわち、観測向上が期待できる。海底ケーブルおよび地球磁場観測による海半球電磁気観測ネット

できるのは周期 5 日程度までであることがワークは，平成 16 年度より海洋開発機構を明らかになった。遷移層のイメージングを主担当とするコンソーシアムによって運営目標とする本研究では、長周期の応答関数

される体制に移行した．本計画研究への参推定の信頼度を上げ、使用できる帯域をで加者は，コンソーシアムの主要メンバーできるだけ長周期側にのばす必要があり、そあり，観測データは本計画研究においてフのためには、１年間の機動観測を 3 年間繰

ルに活用することができる．

り返して同一観測点での長期観測を実現す

当該領域で行う研究は、地球電磁気分野

ることが不可欠と判断された。

にとって極めてチャレンジングである。対

機動観測には、海半球計画で実用化され象とする地下構造は、従来のグローバルなた１年間観測可能な機動観測用の海底電磁研究からみればはるかに高分解能であるが、力計（LOBEM、図２参照）を使用する。この

従来のリージョナルな研究よりははるかに現有品は，地震研究所と海洋科学技術セン

大きくて深い。電磁気の探査深度は周波数

ターとで合計 10 台保有している．本計画研に依存し、遷移層の深さをイメージングす究で新規に作成する 10 台を加える事によるためには、数日から 10 日という長い周期

り，本領域で必要とする分解能を達成するの電磁気応答関数を用いる必要がある。こために必要な，10 観測点における３年にわれまでに、日本周辺海域で１年間の長期観

たる長期観測データの取得が実現可能とな測を行った実績はあるが、１年間のデータる。

長によって十分な信頼度で応答関数を決定

図２

機動観測に使用する長期型海底電磁力計（LOBEM）。

③研究計画

年度には一航海で設置と回収を行う．１回

本研究では研究目的を達成するために，目の機動観測が終了し２回目の観測を開始

海底電磁気機動観測，解析のための手法開した後，速やかにデータの処理およびイン

発，既存データの収集，電気伝導度構造解

バージョン解析を行う．その結果得られる析を実行する．研究代表者と研究分担者とイメージをもとに，特に高い解像力が必要

が密接に連携して，計画全体の円滑な進行な地域を絞り込んで，３回目の観測点配置に努める．機動観測の実施計画についてはに修正を加える．

計画研究ウの海底地震観測グループと連携

最初の設置航海は、海洋研究開発機構の協力し，得られるイメージの直接比較を容研究船「かいれい」を使用して、平成 17 年

易にするために，地震・電磁気機動観測の10 月に実施する予定である。17 年度以降は位置はできるだけ同一地点になるよう調整

データ処理・解析要員として研究支援者をする．

雇用する．観測で取得された時系列データ

平成１６年度には，機動観測に用いる５台

および収集・コンパイルした既存の観測デの長期型海底電磁力計を購入する．観測担ータに対して周波数解析を行って，電気伝当の分担者らは，次年度の観測実施に備え導度に関する情報を持った電磁誘導応答関た感度検定およびランニングテストを，気数を求める．これらの応答関数を用いて，象庁の地磁気観測所および八ヶ岳地磁気観開発・改良した電磁気トモグラフィー解析

測所（地震研究所）を利用して実施する．

手法を駆使して，マントル深部の電気伝導一方，解析担当の分担者らは，電磁気トモ度構造モデルを求める．他の計画研究の結グラフィー解析手法の開発および改良をす

果と比較検討し，総合的モデリングにつな

すめ，過去の研究で開発した構造解析コー

げる．

ドの高速化をはかるとともに，逆問題に組計画研究で実施する観測データから 3 次

み込む際の計算を効率化する．また，国内

元不均質電気伝導度分布のイメージングを外の既存の電磁気観測データを収集・コン行い、そこからマントル深部の温度構造やパイルする．

水の分布を推定したり、異方性等を考慮し

平成 17 年度に５台の LOBEM を製作して，た構造解析を行う手法はいまだ十分に確立現有品とあわせて保有台数を 20 台とする．

していない未開拓の分野である。そこで本

これらを用いて，平成 17 年度から 20 年度

領域の目的達成のため、平成 17 年度と 19までの３年間，フィリピン海に配置した 10

年度の 2 回の公募研究を実施して、新たなケ所の観測点で長期海底電磁気機動観測を解析手法の開発とそれら観測データへの適実施する．この機動観測のための設置回収用をはかることにしている。斬新なアイデ

航海は４回で，そのうち平成 18 年度と 19

アをもった研究者の参加を期待する。

A03 計画研究オ

スラブ滞留・沈降過程の物質科学的モデリング入舩徹男（愛媛大学地球深部ﾀﾞｲﾅﾐｸｽ研究ｾﾝﾀｰ）
1. はじめに日本のお家芸である、多アンビル高圧装置を用いた急冷回収実験に基づく実験により、下部マントル上部までの温度圧力条件下での地球深部構成物質の相関係の決定が可能になっている。このような手法を用いて、マントルの代表的化学組成であるパイ
ロライトや、沈み込むスラブの主要構成物
質である中央海嶺玄武岩などの相変化の詳細が 1990 年代までに明らかにされてきた。

図1

一方放射光の強力 X 線の超高圧実験の応データが得られつつある。本研究ではこの用が 1980 年代に開始された。このような X

ような手法をより現実的なマントル物質や線その場観察実験

は、第３世代の放射光スラブ物質に対して適用し、それらの相変実験施設 SPring‑8 の完成と、大型のマルチ化や密度変化を精密に決定するとともに、X

アンビル装置を備えた高圧地球科学ビーム

線回折その場観察に超音波測定、電気伝導ラインの建設により、とりわけ 1990 年代末

測定、熱伝導測定などの物性測定技術を組から多くの重要な研究成果をもたらしつつみ合わせることにより、これらの物質のある。SPring‑8 においては、当初設置され様々な物性の精密決定をめざしている。またマルチアンビル装置 SPEED‑1500 に加え、た、スラブのレオロジカルな性質に関して

H.12‑14 年度特定領域研究「超高圧地球科

も、高圧実験を手段として用いた様々なア学」（大谷栄治氏代表）により新たな改良型

プローチによる物質科学的制約を試みる。

装置 SPEED‑MkII が設置され、ハード面では諸外国の追随を許さぬ環境が整いつつある（図１）。

２.重点的研究課題
マントルおよびスラブ構成物質に対し、これまでの X 線その場観察実験の大部分

超高圧実験、放射光実験、物性測定、およは、比較的単純な化学組成の鉱物相変化のび透過・走査電子顕微鏡、赤外・ラマン分観察、相転移境界の精密決定、高圧相の状光、EBSD、SIMS 等様々な分析手段や実験方

態方程式の決定など、X 線回折実験を中心

法を組み合わせて以下のような研究課題にとしたものであった。これらの研究により重点的に取り組む。特にマントル遷移層領

地球内部の地震学的不連続面の深さや、マ域を中心とした 10‑20GPa 領域での実験を

ントル物質の密度変化に対して重要な実験

集中的におこない、この領域におけるマン
トルの化学組成の解明と、そこに沈み込む

スラブの沈降および滞留過程の実験的制約

地球化学的観点からのスラブの挙動に関しをおこなう。具体的な物質としてはマントても実験的制約を与えることも併せておこ

ル遷移層において特に重要である、メージ

なう予定である。

ャライトガーネットやリングウッダイトに焦点を当てた研究をおこなう予定である。

高圧相の弾性波速度精密測定
スラブの沈降・滞留過程を明らかにする

スラブおよびマントル構成物質の相変化とためには、マントル遷移層の物質構成を明密度変化

らかにする必要がある。この領域の主要構

スラブと周囲の密度差は、スラブの挙動

成鉱物、が（変型）スピネル型のリングウを規定する重要な要因である。放射光とマッダイト（あるいはウオズレアイト）とメ

ルチアンビル装置を組み合わせた X 線そのージャライトであることは一般に受け入れ

場観察実験において、SiO2, MgSiO3, Mg2SiO4られているが、その割合に関しては前者がなどの単純な化学組成を持つ物質の相転移

多いパイロライトと、後者を主成分とする

境界や状態方程式（P‑V‑T 関係）が高い精

ピクロジャイトという２つのモデルが提唱度で決定されている。

されている（図３）。

ここでは更に Fe, Ca, Al などの次に重要な化学成分の効果、また現実的な多成分系に対する実験をおこない、スラブ構成物質
およびモデルマントル物質の密度変化を低温のスラブも想定した広範な温度条件下で直接決定する。また、マントルダイナミク
スの数値計算に必要な非圧縮率や熱膨張率といったパラメーターやそれらの組成依存性のデータを提供することをめざす（図２）。
更に、H2O や CO2 といった揮発性成分の影
響や、微量元素も含む系の相平衡実験や元

図3

素分配実験、また融解実験もあわせておこ本研究では超高圧下での超音波測定と放射光 X 線を組み合わせることにより、特にない、

リングウッダイトとメージャライトの高温高圧下での弾性波速度精密測定をおこなう。
実験条件は、20GPa、1800k という、従来達成されていない温度圧力条件のもと、X 線
透過像を用いた試料長や X 線回折を用いた発生圧力のリアルタイムモニターをおこな
いながら、超音波パルス法によりこれらの
図2

弾性波速度を 1％程度以下の精度でおこな

う予定である。

に関連する様々な実験的研究をおこなう。

本研究により上記の２つのモデルの妥当

特に高分解能 CCD カメラを組み合わせたメ

性に関する決定的なデータが得られるもの

ルトの粘性測定、メルトの構造解析、高圧と思われる。また、このような多結晶体を相の電気伝導率や熱伝導率の測定など、新用いた測定とは独立に、高圧相の大型単結しい技術開発をおこないながらより多様な晶育成技術の開発をおこない、共振法ある

物性測定に基づくスラブの挙動解明をめざ

いはギガヘルツ領域の超音波パルス法を用す。また、天然の含水岩石を用いた高圧実

いた弾性定数の精密決定も平行して試みる

験などに基づき、現実的なスラブ中の相転予定である。

移や変形挙動に対する水の役割を検討する。
更に下部マントル上部領域に至ったスラブ

スラブのレオロジー

物質の挙動を解明するために、焼結ダイヤ

スラブの動的な挙動の解明には、それをモンドアンビルを用いた 50GPa、2000K 領域構成する高圧相の変形メカニズムを明らかでの相転移および P‑V‑T 実験もおこなう予にすることが重要である。本研究ではリン定である。

グウッダイトやメージャライトの高圧下での強度や変形挙動に関する実験データを、

3. 準備状況と研究計画

放射光 X 線を用いた回折 X 線の強度プロフ

現在の準備状況

ァイルの解析から制約する。また、これら主要な研究手段である放射光とマルチアの高圧相の高温高圧下での粒成長など微細ンビル装置を用いた実験は、主に SPring‑8組織の解析に基づき、スラブやマントルのの高圧地球科学ビームラインでおこなう。

粘性変化や異方性を検討する。

特定領域研究「超高圧地球科学」において、実験の一部は APS に導入された高圧変形

新たな放射光専用超高圧装置 SPEED‑MkII

装置（D‑DIA）と放射光の組み合わせによりが設置されたが、本特定領域研究では更におこなうが、急冷回収実験試料の SEM やこれを改良・発展させるとともに新たな測EBSD を用いた解析も併用する。また、近年

定装置を導入することにより高度化を図る。

鉱物のレオロジーに対する H2O の影響の重最初の重点課題である多成分系の相変化要性が指摘されているが、可能な限りの無と密度変化に関しては、試料の封入方法や水条件下での高温高圧実験が可能な実験手

酸素雰囲気の制御、また得られた混合相の法を開発し、粒径など微細組織の変化を含

回折プロファイルの精密解析において、す

水条件下の場合と比較検討する。

でに技術的にほぼ確立されている。また、
白色 X 線を用いながら角度分散的手法を導その他の関連研究

入した X 線その場観察実験技術も開発しつ

放射光とマルチアンビル装置を用い、更つあり、高温高圧相の高温高圧下での高精にこれに多様な測定系を組み合わせること

度結晶構造解析の試みもなされている。

により、マントル遷移層〜下部マントル上

第２の高温高圧下での弾性波速度測定に部、また沈み込むスラブの構造や動的挙動

関しては、既に 15GPa、1000K 程度の条件下で放射光 X 線回折および超音波測定を同時

画研究の中心舞台である SPring‑8 の高圧におこなう技術を達成しており、現在より

地球科学ビームラインに設置されている

高い圧力温度下での測定をめざした技術開SPEED‑MkII 関連の整備・高度化および維発がおこなわれている（図４）。一方でこの持・管理が必要である。平成 16, 17 年度にような測定に適した高圧相焼結体合成技術

はこれに関連した高分解能 CCD カメラや各
種物性測定に必要な直流電源等の機器の設置および調整、またその他の測定系や関連するソフトウエアの高度化をすすめる。このために博士研究員を採用し、SPring‑8 に常駐できる体制を整え、自らの研究とともにこれらの機器の高度化や整備、また維持・管理をその業務の一部とすることを要請する予定である。
技術開発面においては、特にこの間に

図4

20GPa、2000K 領域での超音波と X 線同時測の開発や、大型単結晶の合成技術の開発も定の達成をおこなうとともに、高圧下焼結おこなっており、超音波測定用の良質な試技術の開発により、リングウッダイトおよ料が得られつつある。

びメージャライトの良質多結晶焼結体試料

また、高圧下でのレオロジーに関連しての合成をおこなう。また高圧下での大型単は、放射光と SPEED‑MkII あるいは D‑DIA を結晶合成法を開発し、スティショバイトな用いた試験的な研究がおこなわれるとともど高圧相の 100 ミクロン〜ミリサイズの良に、回収試料の組織観察に基づく高圧相の質単結晶の合成をおこなう。更に D‑DIA に

粒径変化などからスラブの粘性を制約するよる変形実験や、高温高圧 X 線回折プロフ試みが開始されている。その他の関連研究

ァイルの精密解析技術の開発や応用をおこにおいても、技術開発を含めた取り組みがない、多成分系の精密相同定や多結晶試料開始されており、一部には新しい実験結果の結晶構造解析をマントル遷移層条件下でも得られつつある。

可能にする。
研究体制は図５にあるように愛媛大 GRC

研究計画

を中心に研究を統括するとともに、岡山大（平成 16, 17 年度）

ISEI のグループによる高圧下物性測定、広本研究の重要目的である放射光とマルチ

島大理および APS・シカゴ大のグループに

アンビル装置を組み合わせた、マントル遷

よるレオロジー関連の研究、また SPring‑8移層領域での高圧相の各種物性精密測定をのグループによる測定系の開発や粘性測定

めざし、必要なハードウエアーやソフトウ

を、個別および共同研究として遂行する。

エアーの整備や開発、また実験技術の開発
を主要な課題とする。そのためには、本計

な含水系を出発物質とし、脱水した水の全体統括（入舩）
岡山大（桂）
電気伝導測定愛媛大（入舩・井上・山崎）
相転移・密度・弾性波速度測定

広島大（安東）レオロジー測定

動的挙動や相転移に及ぼす影響を明らかにする。またメルトの構造や粘性に及ぼAPS・シカゴ大学（Wang)
変形実験

SPring‑8（舟越）放射光X線その場観察・
各種物性測定スラブ沈降・滞留過程の物質科学的モデリング

図5

す水の効果を X 線その場観察に基づいて解明する。
・ リングウッダイトやメージャライトなど、マントル遷移層主要高圧相の電気伝
導度や熱伝導度の測定、またこれらの単結晶の弾性波速度測定や結晶構造解析を
高温高圧下でおこなう。

（平成 18‑20 年度）
平成 16、17 年度に開発された技術や導入

以上のような高温高圧実験に基づく精密された装置をもとに、以下のような具体的

実験データをもとに、本特定領域で得られ研究をおこなう。

たスラブの地震学的微細構造や計算機シミ・ リングウッダイトおよびメージャライュレーションの結果も組み合わせ、特に１）トの弾性波速度を、マントル遷移層に対マントル遷移層の化学組成の２つの対立し応する 20GPa、1800K 程度の温度圧力領域た説（パイロライト vs ピクロジャイト）

まで 1%程度以下の精度で決定する。

のいずれが正しいかを明らかにする。また、・ スラブおよびマントルを構成する、現実

２）マントル遷移層内部に横たわっている的で複雑な化学組成を持った主要高圧相

ようにみえる多くのスラブがどうしてこのの熱膨張率や非圧縮率を同様の精度で決深さに滞留する

定する。また、代表的なバルク組成であのかを解明する。更には３）下部マントル

るパイロライトおよび MORB の密度変化に直接沈み込むように見えるスラブもあるを、マントル遷移層〜下部マントル上部

が、なにがそのような違いをもたらしていまでの圧力と、様々な温度において決定

るかなど、スラブの沈降・滞留過程に関連する。

する重要な未解決な問題の物質科学的解明

・ リングウッダイトおよびメージャライ
トのレオロジーを、X 線その場観察実験
および急冷試料の微細組織の観察に基づいて明らかにする。特にこれらの強度や粘性についての実験的データを得る。
・ 含水鉱物を含有するかんらん岩や、単純をめざしたい。

A03 計画研究カ

スラブ滞留・崩落過程の物質科学的モデリング大谷栄治（東北大学大学院理学研究科
研究の目的

地学専攻）

水（水素）の拡散係数、透水度、含水マグ

ここでは私たちの研究グループが、何をマの密度と粘性を決定する。さらに、スタ

どこまで明らかにしようとしているのかに

グナントスラブ内での準安定相や相転移のついて、紹介する。

カイネテイクスを解明し、それに対する水遷移層から下部マントル最上部付近に滞の影響を明らかにする。下部マントルに滞留したスラブは、その後下部マントル深部

留するスラブの含水量の推定は、スラブ物へ崩落していく。しかしマントル最下部ま

質の熱・電気伝導度弾性波速度の測定とそで落下するか否かについては、現在大きなれらへの水素の影響を明らかにすることに議論がある。最近の地震学的な観測結果か

よって、行う。
（２）私たちは、下部マント

らは、日本の地下の核マントル境界部に堆ルを崩落するスラブ内部の諸過程を解明す積したスラブ物質を想像させる地震波速度ることも目的としてる。そこでは準安定なの高速度異常が認められる。その一方で、鉱物が存在するのか否か、相転移反応がど

スラブは深さ 2000km 以深へは沈み込まなの程度進行するのか、脱水反応が生じるのいというモデルも提唱されている。

かなど、スラブの崩落中に生じる動力学過スラブがマントル遷移層と下部マントル程を解明する。さらに、（３）下部マントル上部でなぜ滞留するのか、そして滞留したにおけるスラブの浮力を明らかにします。

スラブが、その後大規模な崩落を起こすのこのためには、核マントル境界部までの圧か否か、崩落するならばその原因はなにか、力・温度を発生可能なレーザー加熱式ダイ

崩落にともなってスラブがどのように変化

ヤモンドアンビルセルを用いて、下部マン

してゆくのか、そして本当にスラブが核とトル全域にわたってスラブ物質の相平衡、マントル境界部に堆積しているのだろうか。

各構成鉱物の密度と化学組成を明らかにし、この研究グループは、これらの疑問を解決

スラブの密度（浮力）を決定し、崩落したすることを目的としている。この研究グル

スラブの行方をモデルし、核マントル境界

ープでは、以上の問題を超高圧高温実験を

部におけるスラブ物質の存在様式を明らか駆使した物質科学的モデリングによって解

にする。

明する。

以上の諸過程は模式的には図１に示しま

具体的には、（１）スタグナントスラブとす。この図のようなマントルの諸過程をモ

マントルの熱的、化学的な相互作用を解明

デル化し、観測量との対比を可能にするたすることを目指します。また、滞留するス

め、スラブ物質の弾性定数をブリュアン散

ラブからの脱水過程とそれによって生じる

乱法や非弾性散乱法によって測定し、観測

含水マグマの移動過程を解明するために、される地震波速度と比較する。上記の（１）〜（３）を総合して、周囲のマントルとのうことが可能である。現状では地球深部物

相互作用を考慮したモデルの妥当性を検証

質の弾性定数の測定例は限られており、特する。

に温度依存性に関する理解はきわめて乏しい。本研究ではこれまで培ってきた高圧高温発生技術を活かし、下部マントルを構成する鉱物の弾性定数を決定し、その温度依存性についても明らかする。これによって、本領域研究で得られる地震波や電気伝導度の観測によって観測された下部マントルに崩落するスラブの実態に迫ることができる。
準備状況
以下では、この研究グループの研究の準備状況を、さらに詳しく紹介する。この研究グループでは平成 15 年６月開催の地球
惑星科学関連合同学会において共通セッシ

図１

マントル遷移層に滞留し、下部マントルに崩落するスラブ。

この研究には、以下のような特色および意義がある。
スラブの沈み込みはマントル対流を駆動
する原動力のひとつである。また下部マン
トルに崩落したスラブの行方を明らかにすることは、マントルの対流パターンや化学的層構造の解明に大きな意味がある。スラ
ブ物質の高圧高温下における密度、相転移速度などを決定するには、高輝度な放射光Ｘ線が必要不可欠である。我々は、放射光
X 線とレーザー加熱式ダイヤモンドアンビ
ルセルとを組み合わせて、160GPa・3000Kの超高圧高温下におけるＸ線その場観察実験を可能にしている。また我々は放射光施
設スプリングエイトやフォトンファクトリ
ーにおいてパワーユーザーとなっており、豊富なビームタイムを確保し、スラブの密度決定を世界の他のグループに先駆けて行ョン「超高圧地球科学」を主催し、地球内部構造論・超高圧地球科学・マントル対流論を融合し、新たなマントルダイナミクス
論展開の必要性とこの特定領域の中での物
質科学研究の方針を詳細に検討した。また、本計画研究の代表者が領域代表を務めた平成 14 年度終了の特定領域研究「超高圧地球科学」によって、高輝度光科学研究センター（SP8）と物質構造科学研究所放射光施設（PF）の強力な放射光源のもとで焼結ダイ
ヤモンドマルチアンビル高圧装置（SPEEDM‑MkII）を開発・導入し、さらにレーザー加熱単結晶ダイヤモンドアンビル高
圧装置を活用する技術的開発を行い、マン
トル遷移層から核にいたる広い温度圧力条
件での高温高圧 X 線その場観察実験を可能にした。これらの装置を用いて、マントル遷移層や下部マントルに存在する鉱物の相平衡関係、密度や圧縮率の測定、相転移メ
カニズムと相転移速度の測定、ケイ酸塩マ

グマの密度・粘性などの物性測定に大きな

deep water cycle I, II, III, van der Lee,

成果を挙げている。さらに、高圧鉱物中のJacobsen, Koch‑Mueller, Pawley, Smyth

水素を含む様々な元素の拡散係数などが測and Ohtani）

定されつつある。

スラブの沈み込みのダイナミクスを解明

本研究課題の遂行には下部マントル全域

する上でもっとも重要な領域はマントル遷

にわたる圧力・温度を制御よく発生するこ移層と核マントル境界である。マントル遷とが必須である。さらにスラブの密度を決移層には沈み込むプレートが滞留し、核マ定するには、高圧高温下その場におけるＸ

ントル境界は沈み込んだプレートの堆積場

線回折データと、回収した実験合成物の微所となっている可能性がある。この二つの少領域分析によって化学組成を明らかにす領域を解明することが、この特定領域の重る必要がある。私たちははレーザー加熱式

要な課題である。

ダイヤモンドアンビルセルと高輝度光科学

私たちは、この二つの領域の物性に関して

研究センター（SP8）の強力Ｘ線の組み合わ2004 年夏の IGC や EGU などの国際会議におせにより、すでにコアの圧力・温度に相当いて新しい成果を報告し、さらに、2004 年

する 160 万気圧・3000 K におけるＸ線回折

秋の AGU（2004 年 12 月 13 日 ―17 日）におデータの取得に成功し結晶構造を特定していては、海外の研究者とともにコンビーナいる。また我々は分析透過型電子顕微鏡をーとして上記の二つのセッションを提案し用いた数十 nm スケールの微小領域分析にている。

も実績がある。また高圧高温下におけるブ

このセッションでは、この研究グループ

リュアン散乱測定やＸ線非弾性散乱の測定から、以下のような研究発表を行う。

にも、これまで培ってきた高圧高温発生技

Hirose et al., Discovery of MgSiO3 post‑術を有効に活かすことができる。この場合、

perovskite phase transition; Murakami etはレーザー加熱法のみならず、抵抗加熱法

al.,も極めて有用である。現在、抵抗加熱法のlowermost mantle.

技術開発を進めており、すでに 1000 K まで

Koyama et al. Water content in the mantleの安定した高温の発生に成功している。

transition

Mineralogy

zone

of

the

beneath

Earth

the

s

north

Pacific derived from the electrical（話題）

conductuvuty;

Ohtani

et

al.,

Water

この研究グループでは AGU fall meetingtansport into the tansiton zone and lower

において、海外の研究者とともに以下の２mantleby high pressure hydrous phases in

つのシンポジウムを企画している。
「ポスト

the slabs; Hosoya et al., Water controls

ペロブスカイト相の発見と下部マントル深fields部」(Discovery of Post‑perovskite phasesubducting

transition and the deep lower mantle I,II

Iron‑nickel‑ water system under highCovenor:Hirose, Wentzcovitch, Lay, andpressure and high temperature; Sano et al,

Duffy)、「地球の深部水循環」（Earth s

Effect of water on garnet‑perovskiteofmetastableslabs;

olivine

Hirao

et

in
al.,

phase transformation in MORB system;

析透過電子顕微鏡により、各鉱物の化学組

Lakshtanov et al., Equation of state of

成を決定する。

aluminous H‑bearing stishovite to 60 GP.

次年度以降は、スラブ物質の密度決定や、私たちは、この特定領域において、このスラブ内部での相転移速度の測定をさらに方向の研究をさらに発展させる計画である。

押し進め、核マントル境界までの条件での準安定相等も考慮したスラブの構成物質を研究計画解明する。また、水を含むマグマの密度、

本研究では、滞留するスラブ内の諸過程

粘性などの物性を下部マントルの条件で明とスラブと下部マントルとの化学的相互作

らかにする。また、ブリュアン散乱法を用用を解明することにより、スタグナントス

いた弾性定数の測定を検討する。これまで

ラブの多様性、滞留したスラブのマントル培ってきたレーザー加熱法や抵抗加熱法の深部への崩落の原因、そして崩落するスラ

技術を活かし、高温高圧下での弾性定数のブのダイナミクスを解明する。そのために、直接測定を目指す。また、マルチアンビル

マントル遷移層から核マントル境界に至るを用いて行われた相転移速度や拡散速度の条件のもとでの高圧相転移反応速度とそれ測定を焼結体ダイヤモンドアンビル高圧装への水の影響、元素の拡散過程を解明し、置と単結晶ダイヤモンドアンビル高圧装置

含水マグマの密度と粘性などの諸物性を明を駆使して、下部マントル深部に拡大する。

らかにする。また、核マントル境界にいた研究組織内の役割分担は図２に示す。

る広い圧力領域において、高温高圧 X 線その場観察実験にもとづきスラブ物質の密度を決定し、崩落するスラブの浮力を明らかにする。さらに、地震学的情報と対比するために、ブリュアン散乱法やＸ線非弾性散乱法を用いて、高圧鉱物の弾性定数の測定を行う。
現在、高圧鉱物中の水素の拡散速度を明らかにし、これらの鉱物中の電気伝導度に対する水素（水）の影響を解明する。また、
スラブで生じる様々な低温準安定相を明らかにし、それらの相転移速度を決定する。
スプリングエイトにおいてスラブ物質の高圧高温下Ｘ線その場観察実験を精力的に行い、スラブ物質の鉱物組み合わせ、各鉱物の体積を下部マントル全域にわたって決定する。さらに合成された試料を回収し、分A04 計画研究キ

図２

本研究の構成員の役割分担

マントル下降流による熱・物質輸送と地球進化過程の数値モデリング浜野洋三（東京大学・大学院理学系研究科）
本研究計画の目的と研究内容

響を解明することを目指す。現在の地球でマントル対流を根源とする現在の地球のは、スラブの滞留が世界中の様々な場所でグローバルな活動は、マントル下降流の沈観測されている。これらの滞留したスラブ

み込み、滞留、崩落等のプロセスによってはいずれは崩落を開始する。このようなス

大きく影響されている。沈み込むスラブのラブの滞留と崩落が過去に与えてきた影響

滞留と崩壊の過程は、一方向に冷却する地を調べることによって、今後、スラブの崩球の活動の歴史において、突発的な事件や落に伴ってどのようなことが起こるかを予

変動のリズムを作り出すと考えられる。本測することも可能となることが期待される。

計画研究では、これらの地球史上の出来事（浜野）の原因である地球内部の熱／物質輸送に焦点をあて、マントル下降流の振る舞いが本研究計画の組織（１）プレート運動や対流モードの変動を研究代表者

通して全マントル規模の熱輸送過程、地球

浜野洋三（東京大学・大学院理学系研究

熱進化過程に与える影響、（２）沈み込み帯科）

における火成活動、熱輸送や物質循環（特研究分担者に水分布）、等に与える影響、について数値

本多

シミュレーションを実施し、その結果を、小河正基（東京大学・大学院総合文化研

観測グループにより得られる沈み込み帯の究科）

詳細な力学構造や温度構造、高圧物性グル岩森ープによる物性測定の結果等と結合させる

了（東京大学・地震研究所）

光（東京大学・大学院理学系研究科）

ことによって、地球深部で実際に起こって柳澤孝寿（海洋研究開発機構・IFREE）

いる、または起こってきた現象を明らかに

吉田晶樹（海洋研究開発機構・ESC）

する。また、（３）熱／組成分布の推定に有用な電気伝導度構造に着目し、3 次元不均

本計画研究の平成 16 年度までの研究成果

質電磁気構造場中を伝わる電磁場のシミュ

本計画研究の出発点として、平成 16 年度

レーションにより、マントル対流場が観測までに得られた研究成果として、上記課題

データに如何に反映するかを明らかにする。

（１）での、マントル遷移層 660ｋｍ不連（４）以上の個別モデルの解析から得られ続面の相転移がマントル進化に及ぼす影響

る、実際の地球深部の物性、熱輸送や物質（ア）、進化過程でおこるマントル変動のリ循環をグローバルモデルに組み込み、時間ズムに及ぼす影響（イ）についてのモデリと共に変動する地球進化過程を復元するこング、課題（２）については、プレート沈とにより、マントル下降流の振る舞いが地

み込みによって陸側におこる小規模対流に球の熱的・物質的進化過程に与えてきた影

よる熱輸送のモデリング（ウ）、及びプレー

ト沈み込みに伴う水輸送のモデリング（エ）の結果について、報告する。

まず、火成活動が全く起こらず、マントルが組成的に均質で、ガーネット・ペロフ
スカイト転移のバリアー効果が全く効かな（ア）地球進化過程にマントル下降流の滞い場合は、ポストスピネル転移のクラウジ

留が及ぼす影響のモデリング

ウス・クラペイロン勾配が‑3MPa/K と高圧

マントル遷移層における、固相・固相転実験から示唆される範囲ではかなりきつい移によるマントル対流の流れを止めようと場合でも、プレート運動に特に目立った影するバリアー効果の強さがプレート運動を響はなく、沈み込んだスラブは下部マント

伴うマントル対流のダイナミックスやマンルまで突っ込むこという結果を得た（図トルの熱・化学的状態にどのような影響を

1(a)）。これは、沈み込むスラブが固いため、及ぼすかを明らかにすることを目標として

相境界でスラブを曲げて下部マントルへの火成活動・マントル対流結合系の数値実験

侵入を妨げるのが容易でないためである。

を行っている。固相・固相転移としては、

ただし、粘性率の圧力依存性とこの相境界

深さ 660km におけるポストスピネル転移とのため、上部マントルのスラブ内には「破ガーネット・ペロフスカイト転移を考慮し壊の程度」の図で示されたように、共役なている。

断層が発達し、この断層沿いに滑りが起こる。これは深発地震に対応すると考えられる。スラブをポストスピネル転移で食い止めるためには、この数値実験では再現されていない海溝の後退の効果を取り入れる必要があると考えられる。
次に、火成活動が起こると仮定し、マントルが組成的に不均質で、ガーネット・ペロフスカイト転移のバリアー効果も有効な場合の数値実験を行った。ポストスピネル
転移のクラウジウス・クラペイロン勾配が‑2MPa/K のときは（図１(b)）、プレート運動の時間依存性が強まり、海嶺の位置が大きく揺らぎ、やがて海嶺と沈み込み帯が合流し、プレート運動が止まってしまった。
このため、下部マントルの温度が著しく上昇し、この下部マントルの熱的浮力によりフラッシングとそれに伴う非常に激しい火成活動が起こった。この激しい火成活動により、マントルは強く化学成層し、その図１

結果として生じる組成的浮力のため、プレート運動は完全に止まってしまった。

層構造は消えてしまった。この結果は、マ

最後に、一方で火成活動は起こると仮定し、ントル深部の構造だけでなく、660km 不連

他方、ポストスピネル転移の効果はほとん

続面近傍の化学成層構造も、決して静的など効かない場合の数値実験を行った（図１

ものではなく、時間とともに、また地域に(c)）。現在の比較的低温のマントルで、ポよっても大きく変化することを示唆していストスピネル転移を単独で考えると、ここる。（小河）

で仮定したようにバリアー効果が効かないとは考えにくいように見える。しかし、現（イ）660ｋｍの相転移が引き起こす地球変動

実のマントルでは、オリビン・スピネル転のリズム

移というマントル対流を促進する相転移が地球シミュレータ用に改良した三次元球

深さ 400km で起こっており、また、ポスト殻マントル対流シミュレーションコードにスピネル転移の相境界の勾配は温度に依存

より、今までに無い高解像度で広範囲なパする。このため、マントル遷移層全体としラメータ領域での計算を行うことが可能とてみると、そのパリアー効果は、660km 相なった。現在のところ、粘性変化のない系

境界のクラウジウス・クラペイロン勾配かでマントル遷移層の存在がマントル対流にら期待されるよりははるかに弱いと考えら与える影響を調査中である。660km の深される。結果、プレート運動は数十億年といでは相転移圧力の温度係数（クラウジウ

う長い時間スケールでは継続したが、海嶺

ス・クラペイロン勾配）が負であることがの位置は時間とともに大きく揺らぎ、時と確立されており、このことは相境界を越えしてプレート運動が止まってしまう時期もての対流運動を妨げる方向に働く。その値あった。また、沈み込むスラブの中では、の大きさによって、対流パターンは全層的火成活動が起こっていない場合と同様に共から完全二層まで変化することが知られて役な断層が発達した。プレート運動が起こいるが、従来の結果は箱形の形状によるもっているときは、海嶺火山活動と、下部マのや、比較的低いレーリー数に相当するもントル深部まで沈み込んだスラブにおけるのであった。我々は実際のマントルの厚さ

海洋地殻とその抜け殻（ハルツバージャイに対応した球殻の形状、かつ地球に想定さト）の分離のためマントルは化学成層し、れる高レーリー数の領域で、クラペイロン

また、マントル深部にブロードな水平不均勾配と対流パターンの相図を作り上げた。

質構造が現れた。また、660km 不連続面直図２にはレーリー数 〜 6 x１０６，下部加下に海洋地殻の残渣としてのハルツバージ

熱のケースについて、クラペイロン勾配がャイトの集積した薄い層が、直上のマント‑2、‑4、‑8、‑12ＭPa/K の場合の対流パタル遷移層には沈み込んだ後リサイクルしたーンの様子を示す。クラペイロン勾配がー

海洋地殻を比較的多く含む薄い層が発達し２Mpa/K の場合は全層対流、‑12 MPa/K の場た。しかし、プレート運動が止まってしま

合は常に二層対流の状態をしめす。興味深

うと、マントル深部のブロードな水平不均

いのは全層対流と二層対流の間の領域であ質構造やこの 660km 不連続面沿いの化学成る。この領域では上部マントルの下降流が滞留し、時間が進むとそれが下部マントルって実際の速度異常のパターンより低粘性への間欠的な崩落を引き起こす。この崩落層の形が推定される。その結果によれば、の空間スケールや間欠性の時間間隔はクラ

小規模対流が生じるためには、低粘性層はペイロン勾配の絶対値が大きくなるほど増少なくとも〜60km より浅い所まで広がって大するということが分かってきた。内部加いなければならない事が判明した。低粘性

熱も考慮した現実的な地球パラメータの計

層の背弧側の範囲は、ホットフィンガー状

算では、遷移層での崩落に伴う２カ所程度の速度異常が、どこまで広がっているかにの巨大な下降流が数億年という周期で発生

よって決まるが、現在のトモグラフィーのするのが見られる。これに伴い対流運動

結果から、少なくとも日本海沿岸程度まで広がっていると推定される。この位置は、スラブ上面の深さが〜150km に位置し、過去の数値計算による脱水反応の推定位置と同程度である。図３に得られた三次元モデ図２ルの例を示す。左は等温面で右は温度異常の図である。火山フロント直下のは非常に活発化し、地表とコア境界での熱流量はほぼ同期して急増する。遷移層によるこのような間欠性が、様々な地表および内部での活動のリズムを作り出すと考えることができる。（柳澤）（ウ）プレート沈み込みに伴うマントルウ
エッジ内の小規模対流
東北日本の沈み込み帯を模した三次元沈み込み帯の数値シミュレーションを行ってい図３る。仮定としてトモグラフィーで明らかに連続的な高温異常、その背後のフィンガー

されている速度異常は温度異常（深さ平均的な高温異常は、トモグラフィーの結果とからのずれ）と相関があるとし、また、温良く一致している。これらの結果の妥当性

度の水平方向変化はマントルウエッジ内にを調べる鍵は、マントルウエッジから広が生じている小規模対流に起因しているとする低速度層のパターンを調べる事である。

る。また、小規模対流は、スラブの脱水反

図 3 から判明するように、マントル下部か応によって放出された水がマントル物質のらの低速度層とマントルウエッジの低速度

粘性を下げるために生じるという仮定もす

層は単純に繋がっていない（小規模対流がる。このようにして生じた低粘性層の形状起こるための低粘性層の深さの制限のたは、小規模対流のパターンを決め、温度異め）。こういう点を明らかに出来れば、マン常つまり速度異常のパターンを決める。従トルウエッジ内に放出される水の分布等に

ある程度の制限を与え、また最終的には速対流構造に基づいて見積もることが可能で度異常の原因、島弧火成活動の原因を解明ある（図４）。この単純なモデルの結果は、する鍵となろう。（本多）沈み込むプレートの熱構造（主に、沈み込
むプレートの年齢と沈み込み速度に依存）（エ）プレートの沈み込みに伴う水輸送のが、地表付近からマントル深部（例えば、モデリング

マントル遷移層）への H2O の最大輸送量を示している。実際に沈み込むプレートやそ

水和したプレート（海洋地殻およびそのの周辺に含まれる H2O 量を見積もるには、下のマントル部分）の沈み込みに伴うマン

地震波速度構造（ポワッソン比分布、減衰

トルへの H2O の輸送とそれに引き続く脱水構造を含む）や電気伝導度構造から、含水過程は、沈み込み帯における火成−変成作

鉱物（特に蛇紋石、緑泥石、Phase A）およ用・地震活動の一因として重要である。同

びメルト・水溶液の分布について、比較的時に、マントルに持ち込まれた H2O は、マ

小さなスケールの不均質構造の検討（例えントルの物性を大きく変化させるため、沈ばプレートに沿った厚さ 5km−長さ 100km

み込み帯周辺および全地球規模の対流・温程度の広がりをもつ蛇紋石を含む層の有無

度構造にも大きな影響を及ぼす。これらのの検出）が鍵となる。これらの観測および過程・影響を実証的に理解するための第一

メルト・水溶液の移動を考慮したダイナミ

段階として、沈み込むプレートが輸送しう

ックなモデルによって、実際に沈み込む H2O

る最大 H2O 量を、マントルにおける含水条

量を制約して行くことが、今後の当面の課

件下での相平衡および沈み込み帯の温度・題となる。（岩森）図４

A04 計画研究ク

マントル下降流に伴う滞留スラブの形成・崩落過程の数値モデリング
吉岡

祥一・田端
岩瀬

本研究計画では、マントル下降流の相転

正久・中久喜

康行・鈴木

伴益・

厚・亀山

真典

備状況について具体的に述べる。

移面、特に、深さ 660km 相転移面での挙動を数値シミュレーションにより明らかにすージング班・海域観測によるイメージング

部分３次元対流基礎プログラムの開発（箱型）班が観測対象として挙げるカムチャッカ〜

本研究計画の目的を達成するためには、マリアナの北西太平洋縁辺域下におけるス

数 km の空間分解能で、（数千 km）3 の領域のタグナントスラブの形成・崩壊過程とそれマントル対流数値シミュレーションを行うに伴う変形・応力場、鉱物物性の空間分布必要がある。しかし、これまではこのようを数値シミュレーションにより明らかにすな計算はハードウェア・ソフトウェア的なることを目的としている。その目的を達成

制約から事実上実現不可能であった。しかするため、流体力学的手法に基づいて、粘し、地球シミュレータを使用すること、及性率の強い温度・深さ依存性、粘性ジャン

び、高速計算可能なマントル対流シミュレ

プ、相転移、スラブの斜め沈み込み、スラーションプログラムを開発することで現実

ブ内鉱物の細粒化などを考慮した、超高分

的な時間内で上記のシミュレーションを実

解能の「部分 3 次元高度スラブ沈み込みモ

現することは可能と考えられる。本研究グデル」を構築する。このモデルによる計算

ループは、まず、地球シミュレータ上で走プログラムを開発し、それを世界最高速レ

らせることを想定した高分解能・高速マン

ベルのスーパーコンピューターである地球

トル対流数値シミュレーションプログラム

シミュレータに移植し、大規模計算を行うの開発を行っている。箱型モデルを採用す予定である。

ることで地球の曲率の影響は無視することることが目的である。特に、地震学的イメ

さしあたっては、本研究計画の構成メンになるが、単純な形状であるために球殻モ

バーを 3 つの研究グループに分け、「部分 3

デルよりも高分解能・高速なプログラムの次元対流基礎プログラムの開発（箱型モデ開発が容易であるという利点がある。また、ル（亀山・岩瀬）、球殻モデル（田端・鈴木））」、

箱型・球殻モデルの結果を相互に比較する「２次元高度スラブ沈み込みモデルの構築ことで曲率の影響を検討することは可能で（中久喜・吉岡）」の研究を推し進めることある。

とした。将来はこれらの研究グループで開さて、マントル対流の数値シミュレーシ

発されたプログラムを統合し、「部分 3 次元ョンでは、高粘性かつ非圧縮の流体の速度

高度スラブ沈み込みモデル」を構築し、上場を求める部分が計算時間の 9 割以上を占記の目的を達成する予定である。以下、そめており、この部分の高速化は大規模な 3

れぞれの今年度の研究実施計画、狙い、準次元数値シミュレーションの実現においてとりわけ重要である。加えて、マントル物

く変化する領域 (例えば、地表面のプレー

質の粘性率は空間的に大きく変化することト境界域) を伴なう問題を解く際にも有効から、マントル対流の速度場を正確に求めであると期待される。

ることは非常に困難であった。そこで我々

さらに現在は、このシミュレーションプ

は、マントル対流の速度場を高速かつ精度

ログラムの地球シミュレータ上への移植とよく計算する頑健な数値解法を新しく開発

最適化作業を行なっている。これまでに総することからスタートした。新しい数値解

自由度が約 13.4 億 (1024×1024×256 メッ

法は、多重格子法に擬似圧縮性法と局所時

シュ、速度 3 成分+圧力+温度の 5 変数) の間刻み法を組み合わた反復解法であり、運系までの計算規模の拡大を達成した。また、

動量と質量の保存則を同時に満たす速度場

ベクトル及び並列計算の高効率化作業によと圧力場を逐次的に求めていく。この方法

り、このプログラムは良好なスケーラビリ

は (i) マトリックスを構成する必要がな

ティを示し、本研究班が目標とするマント

いため使用メモリ量が少ない、(ii) ポアソ

ル対流数値シミュレーションが現実的な時

ン方程式を陽に解く必要がない、(iii) ベ

間内で実行可能であることを確認した。さクトル化・並列化が容易である、という優らなる計算規模の拡大と最適化作業を現在れた特徴を持っており、3 次元大規模数値も継続しており、より高分解能なシミュレ

シミュレーションに適した手法になっていーションを実現する準備は整いつつある。

る。

今後は深さ 400km、660km 付近での相転移

この計算手法を用いて、有限体積法に基や粘性ジャンプ、スラブ内の鉱物組成を考づく 3 次元矩形領域内でのマントル対流シ

慮した現実的なマントル対流数値モデルのミュレーションプログラムを構築した。粘構築を行う。これらの物性パラメターは物性率に温度及び深さ依存性を与えたモデル

質科学的モデリング班によって得られた値

で過去の 2 次元及び 3 次元シミュレーショ

を採用する。また、本研究の最初の段階でンとのベンチマークテストを行ったところ、は、沈み込むスラブの走向方向の形状の対粘性率の空間変化がある場合でも精度のよ

流運動へ与える影響を調べるためにプレーい解が得られていることを確認した。図１

トの運動をキネマティックに与える。本研に粘性率の温度依存性を取り入れたマント究で得られた数値シミュレーションの結果

ル物質の熱対流シミュレーションの例を示と「部分 3 次元基礎対流プログラム（球殻）す。また粘性率の空間変化が大きくなるほの開発」グループの結果とを比較すること

ど反復解法の収束性が悪くなるものの、多でプログラムのクロスチェックや地球の曲

重 格 子 法 の 反 復 サ イ ク ル 中 の率の影響の検討を行う。また、「2 次元高度pre‑smoothing 及び post‑smoothing の回数

スラブ沈み込みモデルの構築」グループにを増やすことで解法の頑健さを向上させる

よる超高分解能な 2 次元モデルの結果とのことができ、粘性率の空間変化が最大で比較により、より適切なパラメター範囲を10

10 にも及ぶ問題も解くことが可能になっ推定することができる。さらに、観測班にた。同様の修正は、粘性率が局所的に大きより得られたスラブイメージと比較検討することで、スラブの滞留・崩落の力学的な領域を四面体に分割し、要素内で一次多項過程が明らかになると考えられる。

式近似を行う四面体区分一次要素を用いる
ことで計算量を削減している。また安定化手法により高いレイリー数の現象を過度に鈍らすことなく安定した計算が可能である。
粘性率の温度依存性は線形化アレニウス則に対応し、粘性比が１万倍程度でも、計算時間は若干増加するが、問題なく計算可能である。有限要素法の特徴をいかして熱境界層付近にメッシュを集中させる非構造分割を用いることで解像度の向上を図ること

図１

粘性率の温度依存性を取り入れた 3 次元箱型マン

トル熱対流シミュレーションの例。このモデルでは、箱ができる。
現有のコードは深さ 660km 付近での相転の上面での粘性率は下面での粘性率よりも 10 倍高くな移モデルに対応していない。手始めに、３っている。図には無次元温度 T=0.8(黄色)と T=0.9(橙)次元の全球殻領域で相転移の効果を取り込の等温面を示す。

むモデルを Christensen and Yuen [1985]

5の手法に基づいて作成し、数値計算を行っ部分３次元対流基礎プログラムの開発 （球殻モデル）ている。図２と図３にテスト計算の結果を示す。図２は相転移なし、図３は相転移ありのモデルである。粘性率は地表付近で大本研究グループでは、スラブの沈み込みきくなるため 0.8 の等温度面は表面付近まにより、深さ 660km の相転移境界付近でスでは到達しない。相転移ありの場合は 0.5

ラブがどのように滞留し、崩落を起こすかの等温度面も下部マントル内にとどまってのシミュレーションを部分 3 次元球殻モデ

おり、0.8 の等温度面は相転移境界の下でルで行うことを目的としている。このため広がっていることがわかる。

次の特徴を持つモデルを構築する。計算領域を限定して、大陸、海洋プレートをモデル化するために要求される解像度を確保する。海洋プレートの沈み込み方向と速度を
地表面からある深さまで既知とし、境界条件として与える。深さ 660km での相転移を取り入れ、粘性率の温度依存性を考慮する。
準備状況としては、デカルト座標系を用いて球殻領域で支配方程式を記述し、流速、圧力、 温度を変数とする有限要素計算コー

図２

粘性率の温度依存性を取り入れた 3 次元球殻マンドを開発済みである。このコードは全球殻

トル熱対流シミュレーションの例。Ra=104、粘性比=104。

灰色の球表面は 660km の相転移境界面を表す。

法を検討中である。

無次元温度 0.8(橙色)と 0.5(緑色)の等温度面を表示している。深さ 660km での相転移を考慮していないモデル。

２次元高度スラブ沈み込みモデルの構築
本研究グループでは、計算機のメモリや計算時間の制約上、上記の 3 次元モデルでは計算できないような時空間的に細かいス
ラブ内現象や複合的な要素を取り扱える 2次元モデルを構築し、それらの特性を明らかにすることを目的としている。
我々はこれまで，有限体積法を用いて、マントル対流系内部において表面のプレー

図 3

図２と同様。ただし、深さ 660km での相転移を考慮している。

ト運動、スラブ及び陸側プレート内応力が、マントルの物性のみによって自己整合的に決まる 2 次元箱型モデルの構築を進めてお部分球殻領域でスラブ沈み込みのモデル

り、現実に近い非対称構造を持つプレートを構築するためには、２種の境界条件の設の沈み込みを実現できつつある。

定が必要である。１つ目は沈み込みでの境

このモデルでは，プレート境界を扱うた界条件であり、 海洋プレートの運動と矛盾

めに過去の応力履歴に依存するレオロジー

を起こさないよう、スラブの運動の向きとの層（履歴効果層）を沈み込むプレート表

速さを与える必要がある。マントル内部で面に設定している。また、基礎方程式におこの運動を推定することは難しいため、ス

いて、運動方程式のみを非圧縮性流体とす

ラブの沈み込む曲面での法線方向の運動をる拡張ブジネスク近似を用いている。現在

制約する滑り境界条件を与えることを検討のところ、深さ 410km、660km での相転移している。３次元球殻領域のモデルではスを取り入れ、スラブとマントル遷移層とのラブの沈み込みは曲面状に分布することに相互作用が扱える状況にある。また、不均なるが、有限要素法の要素分割をこの曲面

一メッシュを導入することにより、分解能に沿って構成することで比較的容易に実現の向上や計算時間の短縮が実現した。

できる。２つ目は部分球殻領域に切り取った際に生まれる人工境界で流速、応力、温度をどのように決めるかである。マントル
対流パターンを人工的に与えてしまうことのないよう、全球での粗いメッシュでの計算結果から補間して境界条件を推定する手

図には示していないが、スラブの沈み込みに伴う応力場の時間変化を見てみると、ス
ラブが 410km を通過した直後はα→β相転移を反映して、スラブは沈み込み方向へ大きな伸張力を受けている。さらにスラブが660km に達すると、スラブはγ→Pv+Mw の相転移による浮力を受け、660km 直上で大きな鉛直方向の圧縮応力が支配的となる。さらに、スラブはやや粘性率の高い下部マン
図４2 次元箱型モデルでのスラブの沈み込みのシミュ

レーションの例。粘性率（Pa s）を対数スケールで示し

トルでの抵抗も受けながらそこでは同様の応力場の卓越が見られている（図４）。

たものを色の違いで示している。深さ 410km と 660km の

今後は、相転移の反応速度、スラブ内鉱相転移境界面を紫色で示している。スラブ内応力の主軸物の細粒化・鉱物種や相の違いによるレオの方向と大きさ（MPa）を赤色のバー（最大圧縮軸）と白ロジー変化の影響を精査すること、３次元抜きの矢印（最大伸張軸）で示している。スラブが沈みモデルでは計算不可能な広大なパラメター

込 み 始 め て か ら 19.0My 経 過 し た と き の 計 算 結 果 。

空間を探索し、３つの研究グループの統合（Tagawa et al., 2004）

モデルである「部分３次元高度スラブ沈み込みモデル」の基礎となる物理パラメター

これまでの研究では個別に扱われていたを決定すること、プレート運動を制約条件

プレート運動速度、スラブ内応力を統一的としたモデルを作成すること、海溝移動に説明可能なモデルを作成することが可能(背弧海盆形成) を再現すること、を目指しである。本研究では、これらを拘束条件とた研究を行う予定である。

して動力学的及び物性パラメターの値を評
価しつつある。
図 4 にα→β, γ→Pv+Mw の相転移のみを考慮した自発的に沈み込むスラブに伴う粘性率と応力場の空間分布の計算結果を示す。

研究集会のおしらせ
本特定領域では，観測／解析／実験／計算の異分野の研究交流を促進すべく，年に２度の全体の研究集会を予定しています．
春の地球惑星科学関連学会合同大会では，新たな特別セッションとして「地球深部スラブ」を設定しました． スタグナントスラブの概念をひとつのキーワードとし，地球物理観
測・超高圧地球科学・計算機科学・地球化学・地質学の先端的成果を結集しマントルダイ
ナミクス研究に新たな潮流を作り上げるべく議論をおこなう．あつかう内容は，地球深部
スラブのマッピング／モデリング，マントル内物質循環のマッピング／モデリング，スラブの滞留と崩落のダイナミクスと地球史への影響，などマントルダイナミクス全般多岐に亘るということで，特定領域研究のメンバーだけでなく，地球深部のスラブに関連した研究に関わる広く多くの方の発表・参加を呼びかけます．
一方秋には計画研究主要機関持ち回りで，国際（第 3/5 年度）または国内の集会を計画しています．２年度目の来年度は九州大学国際ホールでの開催が決定しています．本研究集会は，地震研究所共同利用の研究集会としても申請しており，計画研究・公募研究に不参加の研究者の方も参加しやすいように計画しています．参加希望の方は事務局までご連
絡下さい．
また年明け早々の 1 月 20‑21 日に Kickoff ワークショップが開かれますので多くの方の参加をお待ちしております．ここでは，それぞれの研究分野の現状をお互いに共有し，今後の研究相互乗り入れを計ることをひとつの目標とします．具体的には各分野の「到達点と問題点」に焦点を当てた本格的レビュー講演等を企画しています．異種格闘技戦に遅れて参加する飛び入り講演もあるかもしれません．サップ，曙たらん方の飛び入りも歓迎致します？！プログラムの詳細は随時ホームページ
http://ohp‑ju.eri.u‑tokyo.ac.jp/tokutei/に載せる予定です。（東京大学地震研究所・川勝均）<<予定>>
年度

集会名

日時

開催場所

16

Kick‑off ワークショップ

1 月 20‑21 日

地震研究所

17

合同大会特別セッション

5 月 22‑26 日

幕張メッセ

国内ワークショップ

11 月 17‑18 日

九州大学

18

国際ワークショップ

秋

北海道

19

国内ワークショップ

秋

仙台／愛媛（未定）

20

国際シンポジウム

冬

未定「地球深部スラブ」（各年度）

特定領域『地球深部スラブ』Kickoff ワークショップ
地球深部スラブとマントルダイナミクス（＃１）暫定プログラム
1 月 20 日（木）13:30 領域設定に当たって（深尾良夫）
13:40 現在の到達点と問題点」セッション１
レビュー

40 分（発表）＋5 分（質疑）

計画研究

10 分

＋5 分

計算機科学：レビュー（本多了）「マントル対流論：観測に即したマントル対流シミュレーションへ」
計画研究１（浜野洋三）
計画研究２（吉岡祥一）
15:15 高圧実験科学：レビュー（廣瀬敬）「スラブの物質科学的モデリング」
計画研究１（大谷栄治）
２（入船徹男）
16:30 コメント「特定領域に期待すること」（20 分×３）
巽好幸（IFREE）
高橋栄一（東工大）？？？
18:00‑19:30 懇親会
1 月 21 日（金）午前
9:00「現在の到達点と問題点」セッション２
内部構造科学：レビュー（原辰彦）「地震学から見た深部スラブのイメージ」
計画研究１（笠原稔）
計画研究２（末次大輔）
Break
10:30 海底観測科学：レビュー（塩原肇）「（長期）海底観測：世界の現状と日本の将来計画」
計画研究１（金沢敏彦）
計画研究２（歌田久司）
11:45（20 分×1）
趙大鵬（愛媛大）「Multiscale tomography によるスラブの浅部と深部構造」
丸山茂徳（東工大）「西太平洋ダイナミクス研究の意義」

1 月 21 日（金）午後

話題提供（20 分×11）

13:30 「深部スラブ／遷移層のダイナミクス」セッション
中久喜伴益（広大）「自発的沈み込みモデルによるスタグナントスラブ形成」

小河正基（東大）「マントルの相転移：マントル物質の相転移とマントル進化」

柳澤孝寿（IFREE）「マントル変動のリズム：マントル物質の相転移とスラブの挙動」

山崎大輔（愛媛大）「リングウッダイトの粒成長」

馬場聖至（IFREE）「マントル電気伝導度の異方性」

15:30「深部スラブと水」セッション
小野重樹（IFREE）「マントルにおける水の存在様式」

志籐あずさ(地震研)「トモグラフィーと温度・物質不均質」

市來雅啓（IFREE）「電気伝導度構造から推定されるマントルの水」

岩森光（東大）「沈み込み帯での水とメルトの分布，および地球規模の水循環」

大森聡一（東工大）「稍深発〜深発地震分布が示すスラブペリドタイト含水化の可能性」

久保友明（九大）「Water controls fields of metastable olivine in subducting
slabs」

17:30 総合討論：

今後の研究の進め方，相互の乗り入れのメカニズム裏表紙：海底広帯域地震計（上、研究項目 A02）と高温高圧実験装置（下、研究項目 A03）。

発行：特定領域研究「スタグナントスラブ：マントルダイナミクスの新展開」総括班
編集：

塩原肇・清水久芳・横山景一

東京大学地震研究所

海半球観測研究センター〒113-0032 東京都文京区弥生 1-1-1
Phone: 03-5841-5701
Fax: 03-3812-9417