領域略称名：地球深部スラブ領域番号：４３５平成18年度科学研究費補助金「特定領域研究」に係る研究経過等の報告書「スタグナントスラプ：マントルダイナミクスの新展開」 (研究期間)平成16年度   〜  平成20年度平成18年8月領域代表者独立行政法人・海洋研究開発機構・地球内部変動研究センター・センター長　深尾良夫連絡先電話番号：046-867-9742
目次

本特定領域は、プレート沈み込みに関わる「スタグナントスラプ」の概念をキーワードに、地球物理観測、超高圧地球科学、計算機科学の先端グループが結集し、5年間でマントルダイナミクス研究に新展開をもたらすことを目的に設定された。具体的には(1)カムチャッカから日本を経てマリアナに至る世界最大の沈み込み帯に沿ってスタグナントスラプの全貌を明らかにするため、特に分解能の低い極東ロシア域とフィリピン海域において長期アレー地震観測・電磁気観測を実施する。 (2)沈み込むスラプが上部・下部マントル境界付近で滞留するメカ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明らかにする。 (3)現実の地球に近いパラメータ空間・モデル空間で地球シミュレーターによる対流モデリングを行い、その結果と観測・実験結果とを合わせて、スタグナントスラプの滞留と崩落のメカニズムを明らかにする。また滞留と崩落の過程がプレート運動史ひいては地球史に及ぼす影響を明らかにする。 「スタグナントスラプ」は、その発見から一般的存在の検証までを（命名まで含めて）一貫して本領城参加者がリードしてきたもので、現在では、マントルダイナミクスにおけるその役割が世界的に注目されている。スタグナントスラプが注目されるのは、単にそれがマントル遷移層において最も際立つ現象というだけではなく、マントル対流の非定常性と関わってプレート運動史ひいては地球史を理解するーつの鍵と見られるからである。本計画はこの「スタグナントスラプ」の概念を独自の切り込み口とし、そこに日本が世界に誇る海底地球物理観測技術と高温高圧実験技術を特色ある研究手法として持ち込み、世界最速クラスのコンピューターを駆使して、下降流の側からマントル対流の全容に迫るアプローチを取ろうとするものである。本特定領域が設定されてから2年あまりを経過し、すでに各計画研究からは、「Ｐ波/Ｓ波速度比の直接インバージョンによるマントルのイメージング」、「マントル遷移層に対応する温度圧力下での弾性波速度測定」、「地球に想定される高レイリー教の領域でのクラペイロン勾配と対流パターンの相図の作成」など、世界に先駆けた顕著な研究成果が得られた。また、個々の計画研究の中で閉じることなく、地震及び電磁気観測と高温高圧実験による沈み込むスラプに伴う水の分布の推定や、高温高圧実験による物性の拘束を入れた対流シミュレーションなど、領域を横断した連携によって世界最先端の成果が得られた。平成17年11月には、世界に前例のない時空間規模の海底地震・電磁気観測がフィリピン海で開始された。さらに、8件の公募研究も順調に進展している。得られた成果は、欧文査読誌193篇、その他19篇の論文（印刷中含む）として公表した。これまでに国内および国際研究集会を合計４回主催した他、２回の国際ワークショップを他のプログラムと共催し、研究成果の公表に努めてきた。また、一般向けの講演会の開催、領域のホームページに一般向けのサイトの設定等、研究者コミュニティーだけでなく一般社会へ向けた情報発信にも可能な限り努めている。残る2年半あまりの研究期間には、極東ロシアにおける地震観測も軌道にのり、海底機動観測による地震および電磁気データが回収され、本格的な解析が開始される。今後も、総括斑の主導のもとに研究項目の枠を越えた連携を強化して、目標に向かって研究の一層の展開を図りたい。
1．研究領域の概要
地震波で地球内部をイメージングすると、日本列島のようなプレート沈み込み帯の上部マントルから下部マントルにかけての遷移層（400-1000kmの深さ）に、膨大な体積の地震波高速度領域が存在することがわかる。これは沈み込んだ海洋プレート（スラプ）の滞留している姿を表すものと考えられ、「スタグナントスラプ」と命名された。「スタグナントスラプ」は、その発見から一般的存在の検証まで（命名まで含めて）一貫して本領域参加者がリードしてきた。この現象が注目されるのは、単にそれがマントル遷移層において最も際立つ現象というだけではなく、マントル対流の非定常性と関わってプレート運動史ひいては地球史を理解する一つの鍵と見られるからである。本研究領域は、固体地球科学の観測・物質科学・計算機シミュレーション３分野の研究グループが結集し、この現象を統一的に理解することにより、マントルダイナミクスの新展開を図ろうとするものである。このアプローチは日本の固体地球科学の最先端実績を結集した独自のものであり、一つの研究潮流にまで発展することが期待されている。スタグナントスラプの現象はマントル対流の非定常性に関わっており、沈み込んだスラプは上部マントルと下部マントル境の界付近で一時滞留し、その後マントル最深部まで崩落すると考えられる。そこで、本研究領域の課題を以下の2点にまとめる。 (1)沈み込んだスラプはなぜ滞留しなぜ崩落するか。 (2)スラプが滞留すると何が起こり崩落すると何が起こるか。この課題の解決を目指して、本特定領域にはA01〜A04までの4つの研究項目を設定した。各研究項目は、それぞれ２つの計画研究で構成され、別に募集した小規模の公募研究（平成17・18年度は11件）を加えて領域全体の研究が推進されている。研究項目A01とA02 は地球物理観測によるアプローチをとり、カムチャッカ・千島から日本を経て伊豆小笠原・マリアナに至る世界最大の沈み込み帯に沿ってスタグナントスラプの全貌を明らかにする。このため北西太平洋域を、スタグナントスラプの形状により極東ロシア域、日本域、フィリピン海域の３地域に分けて、特に分解能の低い極東ロシア域とフィリピン海域において長期アレー地震・電磁気観測を実施する。得られたデータに基づき従来よりも格段に鮮明なスタグナントスラプ像を得て、スタグナントスラプの顕著な形状変化が何に起因するかを観測の側から明らかにする。研究項目 A03 では、沈み込むスラプが滞留するメカニズムと下部マントルへ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明らかにする。このためスラプと周囲マントルとの相転移反応の違い、物性（密度・弾性波速度・電気伝導度・熱膨張率・レオロジー）の違いを明らかにし、また両者の間の（特に脱水反応を媒介とした）熱的・化学的相互作用を解明する。研究項目 A04では教値モデリングによる研究を実施する。沈み込むスラプが遷移層に滞留するメカニズムには、相転移反応、粘性率の温度・深さ依存性、スラプの内部構造などが関与している。これらの要素がそれぞれマントル対流にどのように影響するかを明らかにする。一方で地球に近いパラメータ空間・モデル空間で世界最速クラスのコンピューター「地球シミュレーター」を動かし対流モデリングを行う。その結果と観測・実験結果とを合わせて、スタグナントスラプの滞留と崩落のメカニズムを明らかし、さらには、滞留と崩落の過程がプレート運動史ひいては地球史に及ぼす影響を明らかにする。
2．研究領域の設定目的
地震・火山現象を引き起こすプレート運動は、マントル全体で起きている対流（＝マントル対流）の表層の動きに他ならない。マントル対流の最大の特徴は、対流の湧き出しロがプレートの生産域（中央海嶺）と一致しない一方で、沈み込みロはプレートの消滅城（海溝）と一致する点にある。即ち、下降流はプレートの沈み込みとして地表から地球深部へと追跡可能なのである。従ってマントル対流の実体解明には、沈み込むスラプ（＝プレートのマントル中に沈み込んだ部分）に着目して下降流の側からマントル対流の全体像に迫るアプローチが有効と考えられる。平成8〜13年度の科研費創成的基礎研究（新プログラム）「海半球ネットワーク計画一地球内部を覗く新しい目一」により、最大のプレート沈み込み帯である西太平洋域に、世界に類のない「海底観測点を含む海域総合地球物理ネットワーク」が完成した。これによりプレート沈み込みの実態解明が進み、マントル遷移層（＝上部・下部マントル境界付近：深さ400–1000km）に滞留するスラプ（スタングナントスラプ）の一般的存在が明らかになった。またスタグナントスラプが、マントル対流の非定常性と表層プレート運動の歴史とを統一的に理解する一つの鍵であるとの認識が生まれた。一方、平成12～14年度特定領域研究「超高圧地球科学：プレート・マントル相互作用の超高圧物質科学」により、下部マントル・コアに相当する圧力発生技術や放射光によるその場観察技術の開発が格段に進んだ。また平成10～14年度振興調整費「高精度の地球変動予測のための並列ソフトウェア開発に関する研究」により、当時世界最速のコンピューター「地球シミュレーター」を用いた計算機固体地球科学の展開が始まった。本特定領域は海半球計画の成果にこれら2つのプロジェクト研究の成果を持ち込んで、観測・実験・計算機科学を結集することにより、設定した科学的課題を解決するとともに新たな研究展開をはかることを目的として設定された。
3.研究領域内の研究の年度毎の進展状況及びこれまでの主な研究成果
研究項目A01
千島弧のスタグナントスラプの鮮明なイメージングを行うため、極東ロシア域に広帯域地震観測網を建設し、既に5点からデータが日本に送られつつある。既存観測網のデータを用い、沈み込み帯の上部マントルから下部マントルにかけての沈み込むスラプの速度異常や異方性をイメージングした。研究項目A03による高温高圧岩石実験の結果とから、スラプが持つ速度異常の原因（温度、化学組成）に関して制約を与えることができた。また、研究項目A01とA02で得られるデータを管理し領域研究者の利用に資するためのデータセンターを構築した。
平成16年度
広帯域地震計システムの決定・機材の注文、来年度設置予定点の下見と併せて、ロシア政府への地農計設置・データ交換の許可を申請した。機材がそろった2月には、ロシア科学アカデミー地球物理測量局サハリン支部の研究者および技術者も参加して比較観測・動作確認を行った。既存データの解析により、西日本やフィリピン海北部においてScS多重反射波やPs変換波の解析を行い沈み込むスラプ周辺では660km不連続面が20-50km深くなっていることを明らかにした。これはスラプの高速度異常が第一義的には低温度異常によるものであることを示す。温度の効果に加えて化学組成の影響を調べるためにP波速度異常、660km不連続面の凹凸、高温高圧実験結果を組み合わせ、西日本やフィリピン海北部ではスラプ沈み込みに伴って遷移層に水が輸送されている可能性を示唆した（研究項目A03との連携）。
平成17年度
6-9月にかけてサハリン2点、極東シベリア3点の観測点を設置した(図１)。観測点からのデータはロシア科学アカデミー・地球物理測量局・サハリン支部へ集中し、そこから日本に送られ計画研究イのデータアーカイプスに収録される。ロシア科学アカデミーと包括的な広带域地震観測とデータ交換に関する覚書を作成・調印し、ロシア政府から地震計設置・データ交換の許可を得た。既存データを解析し、沈み込み帯海側のマントル遷移層付近に顕著なP波低速度異常を検出した。高温高圧実験結果を用いて解釈すると、この低速度異常は410km不連続面上に分布する玄武岩メルトである可能性がある（研究項目A03との連携）。長周期地震波形インバージョンにより、マントルS波速度構造を求めた。西太平洋沈み込み帯遷移層には滞留スラプによるS波高速度異常がみられ、P波トモグラフィーによるP波高速度異常の位置と一致する。S波とP波の走時差測定に基づいてマントルのP波／S波速度比の分布を初めて直接的に求め、高温高圧実験の結果と組み合わせて、下部マントルまで沈み込んだスラプの高速度異常は低温度異常だけで説明できることを示した。 Hinet 倾斜計のScS多重反射波記録を用いて異方性解析を行い、スラプより上のマントルでは、火山前線を境に太平洋側と日本海側できれいに異方性パターンが異なることを示し、スラプからの脱水の寄与を示唆した。一方、沈み込むスラプ内部の異方性が太平洋プレートの地磁気縞模様に直交することを初めて示し、中央海嶺でプレートが生成された際の結晶の配向が一億年以上経過したスラプ内でも保持される可能性を示唆した。公募研究では、滞留スラプの異方性を推定する独立な手法として波形インバージョン法を開発した。また、伊豆・小笠原や千島の深発地震の波形解析によってスタグナントスラプ内の微細な不均質構造に起因するSVP変換波を検出し、局在する不均質性（異常低速度、高ポアソン比域）の位置を推定した。
平成18年度
極東地域の広帯域地震観測網が稼動したことから、ロシア側と共催でワークショップを７月に札幌で開催する。極東シベリア３点の設置とカムチャッカ半島２点の設置の準備を進めつつある。特定領域研究によって得られた地球物理学データを管理し、研究参加者がネットを通じて利用できるように、プロSeismic station operating図1 平成18年6月の時点で、すでに設置して稼働中の観測点(赤丸)と今後の予定観測点（青丸)。トタイプ・データセンターを構築した。すでに計画研究アによって得られた極東ロシアの広帯域地震波データが届いており、9月にはデータの利用が可能になる。これまでに蓄積された走時データを加え分解能を上げたP波トモグラフィーによれば、マントル遷移層のスタグナントスラプは660km不連続上に堆積しているというよりはむしろ不連続面の上を漂っているイメージに近く、それは不連続面の起伏の解析結果とも整合的なことがわかった。また、中国地震研究者との共同研究を開始し、中国の地震記録も併せた走時解析により、P波およびＳ波ともにスタグナントスラプは高速度であることを確かめた。今後も、研究項目A03との連携によってスタグナントスラプの速度異常やポアソン比異常から温度異常や化学組成異常を推定していく。
研究項目A02
本研究項目は、フィリピン海において３年間にわたる海底地震および電磁気観測を行い、スタグナントスラプを含む西太平洋のマントルを高解像度で診る（イメージングする）ことを目的とする。既存データの解析と他研究項目との連携によって、すでに以下のような注目すべき成果が得られている。今後海底観測データの取得により、北部フィリピン海全体にわたってより広範囲で詳細な温度・物質分布の推定が期待出来る。また地震観測および電磁気観測から得られる情報と、研究項目A03の物性情報などを取り込むことで、スタグナントスラプからの脱水過程や上部マントルでの物質循環に関して画期的な知見が得られることが期待される。
平成16年度
広帯域海底地震計（BB0BS）4台分の機材を整備するとともに、海底電磁力計（0BEM）5台を作成した。また、海洋研究開発機構の研究船を利用するための深海調査研究公募に応募し、17・18年度の観測航海が採択された。既存の海底観測データを編集し、これに陸上観測網のデータを加えた解析を進めた。P波速度・S波速度・減衰率（1/Q）のトモグラフィーと実験／理論から推定される温度・物質不均質依存性を取り込み、温度・含水量・化学組成（Mg/Fe比）トモグラフィーの開発を始めた。フィリピン海での過去の全ての長期海底地震観測データを元にして、表面波による上部マントルの三次元S波速度構造の推定を開始した。また、研究項目A01との連携で、太平洋域の遷移層の速度と電気伝導度の不均質とを比較し、フィリピン海下の遷移層上部以外では両者はほぼ同程度の温度異常で説明可能であることがわかった。
平成17年度
6台分のBBOBSの機材の整備と5台のOBEMを作成した。10月には、海洋研究開発機構の研究船「かいれい」によって、12台のBB0BSと11台の0BEM（一部現有品を含む）をフィリピン海に設置し（図2)、親測を開始した。既存の海底観測データ等を使用した研究を継続して行った。表面波の解析では、有限波長・波線追跡の効果を考慮することで、従来よりも高解像度(水平方向300–400km)の三次元速度構造モデルを構築し、沈み込むスラプの様子を明瞭にとらえることに成功した。研究項目 A01と連携して、反射法地震学的手法により日本弧下の地震波速度変化の大きい場所（マントル不連統面）を特定し、西南日本の下にスタグナントスラプに伴って660km不連続面が40-50kmほど大きく下に変形していることを明らかにした。温度・含水量・化学組成トモグラフィーでは、フィリピン海最北部において、スラプからの脱水と見られる含水量の多い場所が400km不連続面の直上に観測された。また、研究項目A03との連携によって、電気伝導度異常からフィリピン海下の遷移層内に最大0.3重量％の水の存在を示唆する結果を得た。一方、研究項目A01との連携研究では、ヨーロッパの遷移層の不均質電気伝導度構造とP波トモグラフィーと比較したところ、両者は定性的には温度異常によってほぼ説明でき、水の影響は無視できることがわかった。フィリピン海とヨーロッパの下のスタグナントスラプに見られるこのような違いは、沈み込むプレートの年齢の違い、すなわちプレートの温度構造の違いによって説明できるものと考えられる。図2  フィリピン海における海底観測点配置（左）と観測に使用するBBOBS（右上）とOBEM（右下）。
平成18年度
前年度に引き続きBBOBSの機材6台分を整備した。11月には、海底長期機動観測の回収・再設置の航海を実施する。既存データの解析をさらに進めている。公募研究では海半球計画で実施したフィリピン海の海底電磁気観測のデータのインバージョン解析等を行い、計画研究と連携して上部マントルの不均質構造や異方性などの議論が進みつつある。
研究項目A03
マントル遷移層に相当する圧力・温度でのマントル主要鉱物の弾性波速度測定に初めて成功し、今後スタグナントスラプの地震学的イメージの物質科学的解釈が急速に進むと期待される。含水マントル遷移層物質の相転移実験や物性測定により、後量の水の存在がスタグナントスラプの地震学的イメージの解釈を大きく左右することを示した。崩落スラプの堆積場所であるマントル最下部においてポストペロプスカイト相が発見され、この相転移の重要性と併せてその理解が飛躍的に進んだ。平成16年度放射光 X 線その場観察技術と超音波測定技術を結びつけて高温高圧下での弾性波速度精密測定技術を開発し、マントル遷移層に対応する温度圧力下での弾性波速度測定を世界で初めて可能にした。マントル遷移層におけるスラプ中で最も重要なリングウッダイトの粒成長実験をおこない、相転移後のこの高圧相の結晶成長が著しく遅いことが明らかにした。このことは、無水条件下では冷たいスラプのほうが水を含むマントル物質の遷移層における振る舞いを明らかにする研究に着手した。具体的には、マントル遷移層におけるポストスピネル転移・ポストガーネット転移に対する水の影響(図3)を、世界で始めて実験的に明らかにした。またウォズレアイト中の珪茶の拡散速度とそれに対する水茶の影響を測定してマントル遷移層の流動特性に制約を加えた。さらに、マントル遷移層のMg 2 Si0,のポストスピネル転移境界をX線その場親蔡にもとづいて明らかにし、相転移の勾配が小さいことを確認した。崩落したスラプの落ち着き先である最下部マ830 18 10 14 22 26 30ントルに焦点を当てた実験的研究に着手した。最Pressure, GPa含水マントルの相境界への水の影響。図の矢区3下部マントルにポストペロプスカイト相が存在印のように相境界は移動する。することを世界で初めて示した。また、ペロプスカイトおよびマグネシオウスタイトと共存する溶酸鉄中に多量のシリコンと酸茶がとけ込むことを示し、これらが核の主要軽元素であることやマントル最下部には鉄が乏しいことを示唆する結果を得た。
平成17年度
マントルの代表的物質であるパイロライトおよびスラプ上部の主要物質であるMORBの密度関係を、放プ沈降・滞留過程において重要なマントルおよびスラプの密度関係の定量的実験データが得られた。前年度の技術開発に基づき、マントル遷移層の主要高圧相であるリングウッダイトの弾性波速度の精密決定を行った（図４）。そのFe成分の影響も実験的に決定した。水を含むマントル物質の遷移層における振る舞いを明らかにする研究を継続した。具体的には、含水マグマの密度を測定し、上部マントル最下部において含水マグマが重力的に安定に存在することを明らかにした。また、パイロライト物質のマントル遷移層における相転移・相分解への水の影響を、放射光X線その場観察実験によって明らかにし、含水遷移層では高温プルームによって含水マグマが生じ遷移層直上に溜まる可能性を指摘して地震波データの新たな解釈を可能にした（A01との連携）。またウオズレアイト中の水素の拡散係数を測定し竜気伝導度との関係からマントル遷移層の含水量を推定した(A02との連携）。崩落したスラプの堆積する最下部マントルに焦点を当て、さまざまな化学組成中（9種）でポストペロプスカイト相転移を確認しその相転移境界を決定した。MORBの密度をマントルの底の圧力まで測定して、沈み込んだMORB地殻は720km以深では周囲のマントルよりも一貫して重いことを示し、マントルの底でMORB地殻はスラプから分離集積している可能性が高いことを示唆した。300GPa・2000K以上におけるエックス線回折実験を可能にする技術を開発し、Si0 2のパイライト型構造相の合成に初めて成功した。
平成18年度
放射光 X 線その場観察技術と超音波測定技術により、マントル遷移層の主要高圧相であるメージャヤライトの弾性波速度の精密決定をおこないつつある（図4）。平成17年度のリングウッダイトに対する同様の測定結果をあわせることにより、スラプが滞留する場であるマントル遷移層の鉱物構成・化学組成やスラプの温度分布に関する重要な実験的削約が得られることが期待される。これらの結果と地震波速度異常分布とからスタグナントスラプの温度異常を推定しつつある（A01との連携）。核マントル境界での金属鉄・ケイ酸塩反応実験を100 1.30 80 90 110 120 140 Pressure/ GPa行い、金属鉄・ポストペロプスカイト間の反応を130GPa・3000Kで明らかにした。金属鉄とポストペロプスカイト転移境界。ロプスカイトの濡れ角（二面角）を測定し、核マントル境界で金属鉄が完全に分離しないことを見出した。金属鉄とK-ケイ酸塩間の反応をコア・マントル境界の条件で明らかにした。核にKが溶解し、放射性の40Kが核中で地球ダイナモを駆動する熱源の一部になり得ることを示した。パイロライト的マントルとMORB組成中のポストペロプスカイト相転移を詳細に決定し、MORB中では相転移が50–100km浅い場所で起きることを示した（図5）。この相転移はS波の負の速度ジャンプをもたらし、地震学的に観測されている太平洋スーパープルーム域のＳ波速度の負のジャンプに照らして、プルーム発生域周辺にはMORB地殻がたまっていると考えられる。
班免項目A04
計算機モデリングにより、沈み込むスラプが遷移層に滞留するメカニズムの解明、滞留によって引き起こされる現象の子測および理解、そして滞留と崩落の過程がプレート運動史ひいては地球史に及ぼす影響を明らかにすることを目的とする。そのために、地球シミュレーターを用いた三次元対流モデリング、さまざまな二次元および三次元の数値モデリングを実施して、以下のような成果が得られつつある。
平成16年度
それぞれのシミュレーションコードの開発整備、地球シミュレーター等の高度並列計算機への移植等を行い、順次モデリングを開始した。
平成17年度
三次元対流モデリングでは、地球シミュレーターを利用することにより、今までに無い高解像度かつ広範囲なパラメータ領域でのシミュレーションを実施し、地球に想定される高レイリー数の領域で、クラペイロン勾配と対流パターンの相図を世界で初めて作り上げた（図6)。その結果、全層対流と二層対流の中間領域で、マントルの下降流が滞留し、時間が進むと下部マントルへの崩落を引き起こす間欠対流が存在するパラメータ範囲が明らかになった。また、スタグナントスラプ周辺の構造の観測と対流モデルとの比較を行ない、スラプの間欠的な大規模崩落が、巨大火成岩岩石区の形成、プレート運動の活発化、地磁気のスーパークロンなどに関連する可能性を示した。沈み込みに伴う水輸送のモデリング研究では、下部マントル上部までの含水カンラン岩・玄武岩系の相平衡を定量化し、温度・流れの構造と合わせることによって、スラプによる水輸送と火成-変成作用とを関係づけるモデルを提示した。部分三次元（箱型）対流モデルについて、マントル物質の相転移の効果を取り入れることを可能にし、粘性率の急激な変化に対する解法の収束性と頑健さを向上させた。部分三次元（球殻）対流モデルでは、新たに物質微分項の近似を用いる特性有限要素法を導入することで、10 8のレイリー数でも安定して計算することが可能になり、テスト計算を実行した。二次元高度スラプモデルについては、プレート境界の移動により、スタグナントスラプが形成される動力学的機構を解明した。研究項目A03（高温高圧実験）の研究で得られた緩いクラペイロン勾配（−2MPa/K）及び熱膨張率の温度・圧力依存性を取り入れたモデルを構築し、スラプが660kmで滞留した後、崩落しうることを示した。様々な粘性構造に対してスラプの滞留を検討し、スラプと下部マントルの粘性比が重要なファクターとなりうることを示した。
平成18年度
スラプの沈み込みに伴う水輸送に関しては、研究項目A04の二つの計画研究が協力して、地球規模の対流モデルと水輸送を合わせるシミュレーションを進めつつある。マントル物質の粘性率が温度依存性により５桁以上変化する場合でも安定に解くことが可能な有限差分法を用いた三次元球殻マントル対流コードを開発し、地球のリソスフェアに相当する低温・高粘性の「スタグナントリッド」を再現した。今後は、マントル物質の粘性率が局所的に変化する場合においてもマントル対流をより安定に解くことを可能にするため、有限体積法を用いたコードに改良し、地球ライクなプレートのモデル化を目指す。部分三次元（箱型）対流モデルについて、物質の移流を扱うことができるようにさらに高度化を進めている。また、部分球殻領域で、スラプの沈み込みを人工的に与え相転移層付近での対流を解析するモデルの作成を開始した。さらに、研究項目A01およびA02の地震波解析で得られた日本付近の深さ660km相転移境界の形状およびトモグラフィーの結果と、研究項目A03の高温高圧実験から得られているクラペイロン勾配と比較検討して、660km付近でのスラプ内の水の含有量と温度場の関係を解明しつつある。
4．研究領域の研究組織と各研究項目の連携状況
4-1研究組織
研究領域の研究組織を以下に示す。氏名を下線で示したのが、それぞれ総括班・計画研究および公募研究の研究代表者である。領域全体の連携は、総括班が核になって行っており、研究集会および地球惑星科学連合の大会でのセッションなどの形で現れている。
総括斑 「スタグナントスラプ:マントルダイナミクスの新展開」
逐尾良去（海洋研究開発機構）、笠原　稔（北海道大学）、末次大輔（海洋研究開発機構）、金沢敏彦（東京大学)、歌田久司（東京大学)、入松徹男（愛媛大学)、大谷栄治（東北大学)、浜野洋三（東京大学)、吉岡祥一（九州大学）、川勝均（東京大学）、塩原　肇（東京大学） (評価担当)藤井直之（名古屋大学)、長谷川昭（東北大学)、中田正夫（九州大学)研究項目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笠原　稔（北海道大学）、蓬田　清（北海道大学）、宮町宏樹（鹿児島大学）、谷岡勇市郎（北海道大学）高橋浩晃（北海道大学)、吉澤和範（北海道大学)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）、深尾良夫（海洋研究開発機構）、坪井誠司（海洋研究開発機構）、大林政行（海洋研究開発機構）、田中 聡（海洋研究開発機構）、東野陽子（海洋研究開発機構）、竹内 希（東京大学)、山田功夫（名古屋大学）、石原 靖（海洋研究開発機構）、大木聖子（海洋研究開発機構）研究項目A02   「海域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金沢敏彦（東京大学)、川勝　均（東京大学)、塩原　擎（東京大学)、篠原雅尚（東京大学)、望月公廣(東京大学)、杉岡裕子（海洋研究開発機構）、山田知朗（東京大学）、一瀬建日（海洋研究開発機構）、志藤あずさ（東京大学)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）、上嶋　誠（東京大学）、清水久芳（東京大学）、後藤忠徳（海洋研究開発機構）、小山崇夫（東京大学）、笠谷貴史（海洋研究開発機構）研究項目A03   「物質科学的モデリング」計画研究才：スラブ沈降・滞留過程の物質科学的モデリング入鉱鉱基（愛媛大学)、井上 徹（愛媛大学)、山崎大輔（岡山大学)、安東淳一（広島大学)、桂 智男(岡山大学)、舟越賢一（高輝度光科学研究センター）、大藤弘明（愛媛大学）計画研究力：スラブ滞留・崩落過程の物質科学的モデリング太谷榮治（東北大学)、近藤　忠（東北大学)、鈴木昭夫（東北大学)、長瀬敏郎（東北大学)、久保友明(九州大学)、寺崎英紀（東北大学)、廣瀬　敬（東工大）、小宮　剛（東工大）、村上元彦（東工大）、大石泰生（高輝度光科学研究センター）
研究項目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派野洋三（東京大学)、本多了（東京大学)、小河正基（東京大学)、岩泰光(東京大学)、柳澤孝寿(海洋研究開発機構)、吉田晶樹(海洋研究開発機構)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（九州大学）、中久喜伴益（広島大学）、鈴木　厚（九州大学）、亀山真典（海洋研究開発機構）。中川貴司（東京大学）
公募研究（藤原番号順）
波形インバージョンによる西太平洋のスラブ及びその付近の遷移層の異方性構造推定ゲラー・ロバート（東京大学）スラブ構成物質の下部マントル条件下における相転移と状態方程式の解明八木健彦（東京大学）、宮島延吉（東京大学）電気伝導度と地震波速度による沈み込み帯の構造に関する研究島伸和（神戸大学）広帯域地震実体波形解析：スタグナントスラブに伴うマントル微細構造の研究田島文子（広島大学）高温高圧下におけるスラブ構成物質の熱物性測定大追正弘（国立科学博物館）、伊東英司（岡山大学）、米田明（岡山大学）地球深部スラブ近傍のマルチスケール電位差データ解析市來雅啓（海洋研究開発機構）電気伝導度異方性で見るフィリピン海上部マントルダイナミクス馬場聖至（東京大学）海洋プレートの密度の高温高圧その場測定小野重明（海洋研究開発機構）
4-2 連携の状況
現在の地球に見られるスタゲンントスラプの実体解明を通して、本研究領域の主要課題の内「スラプはなぜ滞留するか？」「滞留すると何が起こるか？」という二つの問題へアプローチする試みが、観測（研究項目A01、 A02）と商温高圧実験（研究項目A03）および計算機モデリング（研究項目A04）の間を連携した形で進められ、すでに成果が得られている。また、スラプの崩落に関わる問題についても研究項目間の連携による研究が行われている。具体的な成果は、以下の通りである。研究項目A01と研究項目A03との連携の元に、「沈み込むスラプの速度異常の原因」についての研究が行われている。合同セミナーのほか日常的に情報交換を行い、共著論文も発表した。今後行われる予定の高圧実験や地震波トモグラフィーの結果を組み合わせてスタグナントスラプの温度や化学組成を推定する体制ができている。マントル遷移層の水についての結果は、物質科学だけでなくモデリング研究（研究項目A04）による水輸送の結果と併せて、マントル内部の水循環モデルの構築につながる重要な研究テーマであり、分野間連携なしには実現不可能である。スタグナントスラプの詳細な形状のマッピングはスラプの滞留メカニズムを解明するために重要であり、観測（研究項目A01とA02）と実験（研究項目A03）およびモデリング（研究項目A04）との連携を深めて行く。研究項目A02とA03の連携研究からは、電磁気トモグラフィーの結果と高温高圧実験によるウオズレアイトおよびリングウッダイト（進行中）の竜気伝導度に対する水の影響の測定結果を用いて、マントル遷移層内の水の分布が求められた。フィリピン海下の遷移層上部には、最大0.3重量％程度の水が存在することが推定された。一方、研究項目A01とA02とが連携した研究では、アルプスを中心としたヨーロッパのマントル遷移層に着目して、地震トモグラフィーと電磁気トモグラフィーの比較が行われた。その結果、フィリピン海で見られたような特異な電気伝導度異常は見られず、速度構造および電気伝導度は、スタグナントスラプの存在による低温異常によってほぼ説明できることがわかった。西太平洋とヨーロッパの間の違いは、スラプによるマントル深部への水輸送がスラプの温度構造に強く支配されていることを示唆する。さらに、研究項目A03によって現実のスタグナントスラプに相当する温度圧力条件下での弾性波速度測定が行われ、この結果を用いた詳細な解釈が行われつつある。実験と観測のさらなる連携により、これらの推定値の精度を高めることが今後の重要な課題の一つとなる。研究項目A03と研究項目A04の連携では、高温高圧実験により得られた物性値（クラペイロン勾配、熱膨張率の温度・圧力依存性）を数値モデルのパラメータとして適用し、スタグナントスラプが形成される可能性を示した。また、A03の実験から、低温のスラプは遷移層では周囲よりも低粘性であることが示唆されたため、これを取り入れた対流モデリングを行い、スタグナントスラプの形成が可能であることが示された。研究項目A04では、研究項目A02のレシーバー関数を用いた地震波解析で得られた日本付近の深さ660km相転移境界の沈降の大きさ・波長と、最新の地震波トモグラフィーの結果を用いて、スラプの形状に合わせた二次元沈み込みモデルを構築し、スラプ内の温度分布を計算するコードを開発した。今後は、この結果に基づいて、660kmでのクラペイロン勾配を計算し、研究項目A03の高温高圧実験から得られているクラペイロン勾配と比較検討し、660km付近でのスラプ内の水の含有量と温度場の関係を解明する予定である。
5．研究費の使用状況（設備の有効活用、研究費の効果的使用を含む。）
研究項目A01：主な設備は、極東ロシアに設置する地震計と、データセンターで用いるサーバー、ハードディスク等である。データセンターは、研究項目A02のデータも統合して処理および公開をすることにより、経費の効率的使用につとめている。研究項目A02：研究費は主要設備（海底地震計（16式）および海底電磁力計（10式））の購入と運用時の消耗品代に使用した。新規に作成した海底地震計および海底電磁力計と現有品とを合わせて使用し、3年間の長期機動観測を行う。本特定領域で行う観測航海は、すべて計画研究ウとエが合同して実施し、重複を避けて研究費を効果的に使用する。旅費は主に観測と国内外の学会での成果報告に用いている。研究項目A03 :主要備品としては平成17年度にSPring-8におけるX線透過像の高分解能化のために高解像度CCDシステムを導入し、試料部の精密（〜2ミクロン程度の分解能）が可能になった。これにより弾性波速度測定の精密化や、高圧下試料の変形実験に大きな効果が得られている。また、平成17年度に愛媛大学に導入したEBSDは、岡山大、広島大の研究者との共同研究に利用され、変形試料の格子選択配向の観察などに大きな貢献をしつつある。平成18年度にはSPring-8の関連ビームラインの単色化を行い、更に高い分解能での試料部観察の実現を目指している。また、同年に東北大に導入した微細試料の精密加工システム（ＦＩＢ等）は、核マントル境界条件からの回収試料の電子顕微鏡観察に威力を発揮している。さらに、東工大にプリリュアン散乱測定システムを導入し、下部マントル条件での弾性波速度測定の準備を開始している。一方で、超高圧発生アンピルなどの高価な消耗品の各グループへの配分、グループ間の共同実験や成果発表等に係わる旅費、またSPring-8における円滑な実験のための科研補助者の配置など、配分された研究費は有効に使用されている。研究項目A04：平成16年度、17年度にそれぞれＰＣクラスターを購入して、東京大学大学院総合文化研究科及び東京大学大学院理学系研究科でそれぞれ使用している。また、平成17年度には広島大学にＮＥ CのSX-8iを導入した。これらにより、各メンバーのプログラムのベクトル化・並列化が可能となり、今後の地球シミュレータでの本格的な数値シミュレーションに向けた準備が整いつつある。
6 .
研究成果公表の状況（主な論文等一覧、ホームページ、公開発表等）
6-1主な論文等一覧
本研究領域におけるこれまでの公表論文総数（印刷中も含む）は212賞で、うち査読付欧文誌は193着、その他和文誌等が19着となっている。以下は、公表年別、研究項目別の代表的論文のリストである。
平成16年
研究項目間連携
*Fukao, Y., T. Koyama, M. Obayashi, H. Utada, Trans-Pacific temperature field in the mantle transition region derived from seismic and electromagnetic tomography, Earth Planet. Sci. lett., 217, 425-434, 2004. (A01&A02) *Isse, T., H. Shiobara, Y. Fukao, K. Mochizuki, T. Kanazawa, H. Sugioka, S. Kodaira, R. Hino and D. Suetsugu, Rayleigh wave phase velocity measurements across the Philippine sea from a broad-band OBS array, Geophys. J. Int., 158, 257-266, 2004. (A01&A02)
研究項目A01
*Yoshizawa, K. and Kennett, B.L.N., Multimode surface wave tomography for the Australian region using a three-stage approach incorporating finite frequency effects, J. Geophys. Res., 109, B02310, doi:10.1029/2002JB002254, 2004. Taira, T., and *K. Yomogida, Imaging of three-dimensional small-scale heterogeneities in the Hidaka, Japan region: Coda spectral analysis, Geophys. J. Int., 158, 998-1008, 2004. *Obayashi, M. D. Suetsugu, Y. Fukao, PP-P differential traveltime measurement using crustal correction, Geophys. J. Int., 157, 1152-1162, 2004. *Takeuchi, N. and M. Kobayashi, Improvement of Seismological Earth Models by Using Data Weighting in Waveform Inversion, Geophys. J. Int., 158, 681-694, 2004. *Tsuboi, S. et al., Modeling of global seismic wave propagation on the Earth Simulator, J. Earth Simulator, 1, 57-66, 2004.
研究項目A02
*Shito A., S. Karato, and J. Park, Frequency Dependence of Q in Earth's upper mantle inferred from continuous spectra of body waves, Geophys. Res. Lett., 31, doi: 10.1029/2004GL019582, 2004. *Siripunvaraporn, W., Uyeshima M. and Egbert, G., Three-dimensional inversion for Network-Magnetotelluric data, Earth Planets Space, 56, 893-902, 2004.
研究項目A03
*Inoue, T., Y. Tanimoto, T. Irifung, T. Suzuki, H. Fukui, and O. Ohtaka, Thermal expansion of wadleyite, ringwoodite, hydrous wadsleyite and hydrous ringwoodite, Phys. Earth Planet. Inter., 143, 279-290, 2004. Isshiki, M. *T. Irifune, K. Hirose, S. Ono, Y. Ohishi, T. Watanuki, E. Nishibori, M. Takata, and M. Sakata, Stability of magnesite an its high-pressure form in the lowermost mantle, Nature, 427, 60-62, 2004. Nishiyama, N., *T. Irifune, T. Inoue, J. Ando, K. Funakoshi, and W. Utsumi, Precise determination of phase transitions in pyrolite across the 660 km seismic discontinuity by in situ X-ray diffraction and quench experiments, Phys. Earth Planet. Inter., 143, 185-199, 2004. *Katsura, T., H. Yamada, A. Kubo, T. Shinmei, O. Nishikawa, T. Yoshino, Y. Aizawa, M. –S. Song, M. J . Walter, E. Ito, and K. Funakoshi, Olivine-wadsleyite transition in the system (Mg,Fe) 2 SiO 4 , J. Geophys. Res., 109, B02209, 10.1029/2003JB002438, 2004. *Katsura, T., K. Funakoshi, A. Kubo, N. Nishiyama, Y. Tange, Y. Sueda, T. Kubo, and W. Utsumi, A ‘SPEED-mkII’, Phys. Earth Planet. Inter., large-volume high P-T apparatus for in situ X-ray observation 143-144, 497-506, 2004. *Katsura, T., S. Yokoshi, M.-S.Song, K. Kawabe, T. Tsujimura, A. Kubo, E. Ito, Y. Tange, N. Tomioka, S. Keiko, and K. Funakoshi, Thermal expansion of Mg 2 SiO 4 ringwoodite at high pressures, J. Geophys. Res., 109, B12209, doi:10.1029/2004JB003094, 2004. *Ohtani, E., Litasov, K.D., Hosoya, T., Kubo, T. and Kondo, T., Water Transport into the Deep Mantle and Formation of a Hydrous Transition Zone, Phys. Earth Planet. Inter., 143-44, 255-269, 2004. *Kubo, T., Ohtani, E. and Funakoshi, K., Nucleation and growth kinetics of the α-β transformation in Mg2SiO4 determined by in-situ X-ray observations, Amer. Mineral., 89, 285-293, 2004. *Kondo, T., Ohtani, E., Hirao, N., Yagi, T. and Kikegwa, T., Phase transitions of (Mg, Fe)O at megabar pressures, Phys. Earth Planet. Inter., 143-144, 201-213, 2004. Murakami, M., *Hirose, K., Kawamura, K., Sata, N., Ohishi, Y., Post-perovskite phase transition in MgSiO3, Science , 304, 855-858, 2004. *Hirose, K., Shimizu, N., van Westrenen, W., Fei, Y., Trace element partitioning in Earth's lower mantle and implications for the geochemical consequences of partial melting at the core-mantle boundary, Physics of the Earth and Planetary Interiors , 146, 249-260, 2004.
研究項目A04
*Iwamori, H. (2004) Phase relation of H2O-saturated peridotites and    potential ability of H2O transportation of subducting plates, Earth Planet. Sci. Lett., 227, 57-71. *Yoshida, M., Possible effects of lateral viscosity variations induced by plate-tectonic mechanism on geoid inferred from numerical models of mantle convection, Phys. Earth Planet. Inter., 147(1), 59-77, 2004. *Yoshida, M. and A. Kageyama, Application of the Yin-Yang grid to a thermal convection of a Boussinesq fluid with infinite Prandtl number in a three-dimensional spherical shell, Geophys. Res. Lett., 31(12), L12609, doi:10.1029/2004GL019970, 2004 *Suzuki, A., Finite element computation of Earth's mantle convection problem on a vector-parallel computer, Computational Mechanics: Proceedings of Sixth World Congress on Computational Mechanics in conjunction with the Second Asian-Pacific Congress on Computational Mechanics, Z. H. Yao; M. W. Yuan; W. X. Zhang (Eds.), pp.645-652, Tsinghua University Press--Springer, 2004. *Yoshioka, S., T. Mikumo, V. Kostoglodov, K. M. Larson, A. R. Lowry, and S. K. Singh, Interplate coupling and a recent aseismic slow slip event in the Guerrero seismic gap of the Mexican subduction zone, as deduced from GPS data inversion using a Bayesian information criterion, Physics of the Earth and Planetary Interiors, 146, 513-530 (2004)
平成17年
研究項目間連携
*Suetsugu, D., M. Shinohara, E. Araki, T. Kanazawa, K. Suyehiro, T. Yamada, K. Nakahigashi, H. Shiobara, H. Sugioka, K. Kawai, and Y. Fukao, Mantle discontinuity depths beneath the west Philippine basin from receiver function analysis of deep-sea borehole and seafloor broadband waveforms, Bull. Seism. Soc. Am., 95, 1947-1956, 2005. (A01&A02) *Suetsugu, D., H. Shiobara, H. Sugioka, G. Barruol, E. Schindele, D. Reymond, A. Bonneville, E. Debayle, T. Isse, T. Kanazawa and Y. Fukao, Probing South Pacific Mantle Plumes With Ocean Bottom Seismographs, EOS, Transactions AGU, 86(44), 429, 435, 2005. (A01&A02) *田島文子・中久喜伴益・吉岡挂二,スタグナントスラプに伴うマントル構造の地震学的解析と数値シミュレーション,地震, 58, 121-141, 2005. (A01公募&A04)研究項目A01 *吉澤和範, 表面波インバージョンによる上部マントル内部の推定:幾何学的波線から有限幅波線への発展、地震, 57, 393-408, 2005. *Yoshizawa, K. and Kennett, B.L.N., Sensitivity kernels for finite-frequency surface waves, Geophys. J. Int., 162, 910-926, 2005. *Niu, F., A. Levander, S. Ham, M. Obavashi, Mapping the subducting Pacific slab beneath southwest Japan with Hi-net receiver functions, Earth Planet. Sci. Lett., 239, 9-17, 2005. *Takeuchi, N., Finite Boundary Perturbation Theory for the Elastic Equation of Motion, Geophys. J. Int., 160, 1044-1058, 2005. *Tono, Y., T. Kunugi, Y. Fukao, S. Tsuboi, K. Kanjo, and K. Kasahara, Mapping of the 410- and 660-km discontinuities beneath the Japanese islands, J. Geophys. Res., 110, B3, B0330710.1029 /2004JB003266, 2005.
研究項目A02
Ramesh, D. S., *H. Kawakatsu, S. Watada, X. Yuan, Receiver function images of the central Chugoku region in the Japanese islands using Hi-net data, Earth Planets Space, 57, 271-280, 2005. *Baba, K., and A. D. Chave, Correction of seafloor magnetotelluric data for topographic effects during inversion, J. Geophys. Res., 110, B12105, doi:10.1029/2004JB003463, 2005. *Kasaya, T., Goto, T., Mikada, H., Baba, K., Suyehiro, K., and Utada, H., Resistivity image of the Philippine Sea Plate around the 1944 Tonankai Earthquake zone deduced by marine and land MT surveys, Earth Planets Space, 57, 209-213, 2005. *Kuvshinov, A., H. Utada, D. Avdeev, and T. Koyama , 3-D modelling and analysis of Dst C -responses in the North Pacific Ocean region, revisited , Geophys. J. Int., 160, 505-526, 2005. *Siripunvaraporn, W., Egbert, G., Lenbury,Y. and Uyeshima, M., Three-dimensional magnetotelluric inversion: data space method, Phys. Earth Planet. Int., 150, 3-14, 2005.
研究項目A03
*Yamazaki, D., T. Inoue, M. Okamoto, and T. Irifune, Grain growth of ringwoodite and its implication for rheology of the subducting slab, Earth Planet. Sci. Lett., 236, 871-881, 2005. *Irifune, T., M. Isshiki, and S. Sakamoto, Transmission electron microscope observation of the high-pressure form of magnesite retrieved from laser heated diamond anvil cell, Earth Planet. Sci. Lett., 239, 98-105, 2005. Nishiyama, N., R. P. Rapp, *T. Irifune, T. Sanehira, D. Yamazaki, and K. Funakoshi, Stability and P-V-T equation of state of KAlSi 3 O 8 -hollandite determined by in situ X-ray observations and implications for dynamics of subducted continental crust material, Phys. Chem. Minerals, 32, 627-637, 2005. Sanehira, T., *T. Irifune, T. Shinmei, F. Brunet, K. Funakoshi, and A. Nozawa, In-situ X-ray diffraction study of an aluminous phase in MORB under lower mantle conditions, Phys. Chem. Minerals, 33 28-34, 2005. *Ohtani, E., Water in the Mantle. Elements, 1, 25-30, 2005. *Ohtani E. Recent progress in experimental mineral physics: Phase relations of hydrous systems and the role of water in slab dynamics (2005), Geophysical Monograph 160 (Title of Publication: Earth's Deep Mantle: Structure, Composition, and Evolution.), 321-334. *Litasov, K.D., Qhtani, E., Sano, A., Suzuki, A. and Funakoshi, K.(2005), In situ X-ray diffraction stuffy of post-spinel transformation in a peridotite mantle: Implication for the 660-km discontinuity. Earth Planet. Sci. Lett., 238, 3-4, 311-328. *Hosoya, T., Kubo, T., Ohtani, E., Sano, A., Funakoshi, K. (2005), Water controls the fields of metastable olivine in cold subducting slabs. Geophys. Res. Lett., 32, doi: 10.1029/2005GL023398. *Suzuki, A., Ohtani, E., Terasaki, H., Funakoshi, K. (2005), Viscosity of silicate melts in CaMgSi2O 6 –NaAlSi2O 6 system at high pressure, Phys. Chem. Minerals, 32, 2, 140-145. *Hirose, K., Y. Fujita, Clapeyron slope of the post-perovskite phase transition boundary in CaIrO3, Geophysical Research Letters , 32, L13313, doi:10.1029/2005GL023219, 2005. Komabayashi, T.,* Hirose, K., Funakoshi, K., In-situ X-ray measurements on the phase relation of antigorite (serpentine): implications for water transportation by slab peridotite into the deep interior, Physics of the Earth and Planetary Interiors , 151, 276-289, 2005. *Hirose, K., Takafuji, N., Sata, N., Ohishi, Y., Phase transition and density of subducted MORB crust in the lower mantle, Earth and Planetary Science Letters, 237, 239-251, 2005.
研究項目A04
*Yoshida, M, and Ogawa, M., Plume heat flow in a numerical model of mantle convection with movingplates, Earth and Planetary Science Letters, 239(3-4), 276-285, 2005. *Yoshida, M. and Kageyama, A., Low-degree mantle convection with strongly temperature- and depth-dependent viscosity in a three-dimensional spherical shell, Journal of Geophysical Research, 2005, in press. *Honda, S., and T. Yoshida, Effects of oblique subduction on the 3-Dpattern of small-scale convection within the mantle wedge,Geophys. Res. Lett., 32, L13307, doi:10.1029/2005GL023106, 2005. *Iwamori, H., Forward modeling of P-T-deformation paths of regional metamorphic rocks at convergent plate boundaries, Geochim. Cosmochim. Acta 69, 10, A648, 2005. *Suzuki, A, and M. Tabata, Finite element matrices in congruent subdomains and their effective use for large scale computations, International Journal for Numerical Methods in Engineering, 62, 1807-1831, 2005. *Tabata, M. and D. Tagami, Error estimates of finite element methods for nonstationary thermal convection problems with temperature-dependent coefficients, Numerische Mathematik, 100・2, 351-372, 2005. *Kameyama, M., A. Kageyama, and T. Sato, Multigrid iterative algorithm using pseudo-compressibility for three-dimensional mantle convection with strongly variable viscosity, Journal of Computational Physics, 206(1), 162-181, 2005. *Kameyama, M., ACuTEMan: A multigrid-based mantle convection simulation code and its optimization to the Earth Simulator, Journal of the Earth Simulator, 4, 2-10, 2005. * YoshiokaS , K. Wang, and S. Mazzotti, Interseismic locking of the plate interface in the northern Cascadia subduction zone, inferred from inversion of GPS dat, Earth and Planetary Science Letters, 231, 239-247 (2005)
平成18年
研究項目間連携
*Isse T., Suetsugu D., Shiobara H., Sugioka H., Yoshizawa K., Kanazawa T and Fukao Y., Shear wave speed structure beneath the South Pacific superswell using broadband data from ocean floor and islands, Geophys. Res. Lett., in press, 2006. (A01&A02) *Ichiki, M., K. Baba, M. Obayashi, and H. Utada, Water content and geotherm in the upper mantle above the stagnant slab: Interpretation of electrical conductivity and seismic P-wave velocity models Phys. Earth Planet. Inter., 155, 1-15, 2006. (A01&A02) *Isse, T., K. Yoshizawa, H. Shiobara, M. Shinohara, K. Nakahigashi, K. Mochizuki, H. Sugioka, D. Suetsugu, S. Oki, T. Kanazawa, K. Suyehiro, and Y. Fukao, 3-D shear wave structure beneath the Philippine Sea from land and ocean bottom broadband seismograms, J. Geophys. Res., 111, doi:10.1029/2005JB003750, 2006. (A01&A02) *Suetugu, D. T. Inoue, A. Yamada, D. Zhao, M. Obayashi, Towards mapping the three-dimensional distribution of water in the transition zone from P-velocity tomography and 660-km discontinuity depth, AGU Geophysical Monograph, 2006, in press. (A01&A03) *Koyama, T., H. Shimizu, H. Utada, M. Ichiki, E. Ohtani, and R. Hae, Water in the mantle transition zone beneath the north Pacific from anomalous electrical conductivity, AGU Monograph, 2006, in press. (A02&A03) Hae, R., *E. Ohtani, T. Kubo, T. Kovama and H. Utada, Hydrogen diffusivity in wadsleyite and water distribution in the mantle transition zone, Earth Planet. Sci. Lett., 155, 1-15, 2006. (A02&A03)
研究項目A01
*Kawai, K., N. Takeuchi, and R.J. Geller, Complete synthetic seismograms up to 2 Hz for transversely isotropic spherically symmetric media, Geophys. J. Int., 164, 411-424, 2006. *Obayashi, M., H. Sugioka, J. Yoshimitsu and Y. Fukao, High temperature anomalies oceanward of subducting slabs at the 410-km discontinuity, Earth Planet. Sci. Lett., 243, 149-158, 2006. *Tajima F. and T. Nakagawa, Implications of seismic waveforms: Complex physical properties associated with stagnant slab, Geophys. Res. Lett., 33, L03311, doi:10.1029/2005GL024314, 2006.
研究項目A02
*Shito A., S. Karato, K. Matsukage, and Y. Nishihara, Toward mapping the three-dimensional distribution of water in the upper mantle from velocity and attenuation tomography, in Earth's deep water cycle, Geophysical Monograph, edited by Jacobsen S.D., and S. van der Lee, Am, Geophys. Union, 2006, in press. Tibi, R., *D. A. Wiens, H. Shiobara, H. Sugioka and P. J. Shore, Depth of the 660-km discontinuity near the Mariana slab from an array of ocean bottom seismographs, Geophys. Res. Lett., 33, L02313, doi:10.1029/2005GL024523, 2006. Vanacore, E., *F. Niu, H. Kawakatsu, Observations of the mid-mantle discontinuity beneath Indonesia from S to P converted waveforms, Geophys. Res. Lett., 33, L04302, doi:10.1029/2005GL025106, 2006. *Seama, N., K. Baba, H. Utada, H. Toh, N. Tada, M. Ichiki, and T. Matsuno, 1-D electrical conductivity structure beneath the Philippine Sea: Results from an ocean bottom magnetotelluric survey, Phys. Earth Planet. Inter., 2006, in press.
研究項目A03
*Ando, L., N. Tomioka, K. Matsubara, T. Inoue, and T. Irifune, Mechanism of the olivin-ringwoodite transformation in the presence of aqueous fluid, Phys. Chem. Minerals, DOI 10.1007/s00269-006-0082-1, 2006. *Inoue, T., T. Irifune, Y. Higo, T. Sanehira, Y. Sueda, A. Yamada, T. Shinmei, D. Yamazaki, J. Ando, K. Funakoshi, and W. Utsumi, The phase boundary between wadsleyite and ringwoodite in Mg 2 SiO 4 determined by in situ X-ray diffraction, Phys. Chem. Minerals, 33, 106-114, 2006. Zhang, B.-H.,, *T. Katsura, A. Shatskiy, T. Matsuzaki, and X. -P. Wu, Electrical conductivity of FeTiO 3 ilmenite at high temperature and at high pressure, Phys. Rev. B., 73, 134104, 2006. *Inoue, T., T. Ueda, Y. Higo, A. Yamada, T. Irifung, and K. Funakoshi, In situ high-pressure and high-temperature studies on the stability and equation of state of superhydrous phase B, In Earth's Deep Water Circle, AGU (in press). Matsui, M., *T. Katsura, A. Kuwata, K. Hagiya, N. Tomioka, M. Sugita, S. Yokoshi, A. Nozawa, and K. Funakoshi, Equation of state of (Mg 0,8Fe 0.2 ) 2 SiO 4 ringwoodite from synchrotron X-ray diffraction up to 20 GPa and 1700 K, Eur. J. Mineral., (in press). "Encyclopedia of Geomagnetism and *Katsura, T, Electrical conductivity of the mantle, mineralogy, in ed. by D. Gubbins & E. Herrero-Bervera, (in press). Paleomagnetism" Sakamaki, T., *Suzuki, A., Ohtani, E. (2006), Stability of hydrous melt at the base of the Earth's upper mantle. Nature, Vol.439, 192-194. *Litasov, K., Ohtani, E.,Sano A., (2006) Influence of Water on Major Phase Transitions in the Earth's Mantle. Deep water cycle, AGU monograph, in press *Sakai, T., Kondo, T., Ohtani, E., et al., (2006) Interaction between Iron and Post-perovskite at Core-Mantle Boundary and Core signature in Plume Source Region, GRL, in press. *Sano, A., E. Ohtani, K. Litasov, T. Kubo, T. Hosoya, K.Funakoshi, T. Kikegawa (2006): In situ X-ray diffraction study of the effect of water on the Garnet-Perovskite transformation in MORB and implications for the penetration of oceanic crust into the lower mantle. Phys. Earth Planet. Inter., in press. Tateno, S., *Hirose, K., Sata, N., Ohishi, Y., High-pressure behavior of MnGeO3 and CdGeO3 and the post-perovskite phase transition, Physics and Chemistry of Minerals , 32, 721-725, 2006. *Hirose, K., Sinmyo, R., Sata, N., Ohishi, Y., Determination of post-perovskite phase transition boundary in MgSiO3 using Au and MgO internal pressure standards, Geophysical Research Letters , 33, L01310, doi:10.1029/2005GL024468, 2006. *Hirose, K., Karato, S., Cormier, V., Brodholt, J., Yuen, D., Unsolved problems in the lowermost mantle, Geophysical Research Letters , 33, L12S01, doi:10.1029/2006GL025691, 2006. *Hirose, K., Post-perovskite phase transition and its geophysical implications, Reviews of Geophysics , in press.研究項目A04 *Ichikawa, H., K. Kurita, Y. Yamagishi, and T. Yanagisawa, Cell pattern of thermal convection induced by internal heating, Physics of Fluids, 18, 038101, 2006. *Tabata, M., Finite element approximation to infinite Prandtl number Boussinesq equations with temperature dependent coefficients – thermal convection problems in a spherical shell, Future Generation Computer Systems, 22, 521-531, 2006 *Kamevama, M. and D. A. Yuen, 3-D convection studies on the thermal state in the lower mantle with post-perovskite phase transition, Geophysical Research Letters, 33, L12S10, doi:10.1029/2006GL025744, 2006. *Nakagawa, T, and P. J. Tackley, Three-dimensional structures and dynamics in the deep mantle: Effects of post-perovskite phase change and deep mantle layering, Geophysical Research Letters, 33, L12S11, doi:10.1029/2006GL025719, 2006. *Tabata, M., Discrepancy between theory and real computation on the stability of some finite element schemes, Journal of Computational and Applied Mathematics, doi:10.1016/j.cam.2005.08.042, 2006, in press.
6-2領域のホームページおよび公開発表
a.地球深部スラプホームページ：http://ohp-ju.eri.u-tokyo.ac.jp/tokutei/index.html 「地球深部スラプ」ニュースレター（年1回発行） b.記事：日本地球惑星科学連合ニュースレター・第2号　研究集会の紹介日本地球惑星科学連合ニュースレター・第４号 特定領域「地球深部スラプ」の紹介日本地震学会ニュースレター 表紙 Vol.8, No.2, July 10, 2006.東京新開,「日本沈没」の確度」, 2006年8月15日.雑誌「パリティ」特集「物理科学、この１年」に「スタグナントスラプ：沈み込んだプレートの行方」（深尾良夫）， 2007年1月号発刊予定. c.シンポジウム等： 『地球深部スラプ』Kickoffワークショップ：地球深部スラプとマントルダイナミクス開催日：平成17年1月20〜21日、 場所：地震研究所第一会議室地球惑星科学連合大会特別セッション「地球深部スラプ」開催日：平成17年5月26日、  場所：幕張メッセ第2回ワークショップ　地球深部スラプー研究の現状と今後の展望ー開催日：平成17年11月10〜11日、 会場：九州大学箱崎キャンパス内国際ホール一般向け講演会　スタグナントスラプー東アジアの沈み込み帯から探る地球の今一開催日：平成17年11月12日、会場：福岡市エルガーラホール中ホール国際シンポジウム「Deep Mantle Slab」（地球惑星科学連合大会国際セッションとして開催）開催日：平成18年5月15〜16日、  場所：幕張メッセこの他、国際ワークショップの共催２件
7．総括班評価者による評価の状況
平成17年度
「特定領域研究の進捗状況報告書」および総括班会議における報告や研究集会における発表などに基づく評価者による評価を行い、報告書に記載した。おおむね順調に進展しているという評価を得た。平成18年度本報告書に記載された進捗状況および成果の報告および総括班会議における報告や研究集会における発表などに基づく評価者による評価を行った。３名の評価者によるコメントは以下の通りである。評価者A: 公表論文数212篇（欧文査読誌193篇、その他19篇）が示すように、これまでの研究は非常に順調に進んでいる。観測研究を担当しているA01,A02班は当初の予定通り観測点の設置、共同観測の開始、海底観測機器の設置が行われ順調に研究が進んでいる。かつ、既存のデータに基づく地震学的・電磁気学的研究成果も着実に進み、特に物性グループ A03 班との研究項目間連携は非常に評価できる。A03斑は世界でトップの成果をあげ、かつ他の3斑との連携も非常にうまくいっている。A04斑は計算コードの開発や、相転移・レオロジー等（A03班で得られた成果も含む）の効果を取り入れたモデリングを行い着実に研究が進んでいる。物性パラメータや海溝の後退等を考慮した数値シミュレーションにより、滞留の条件等を絞り込むことは重要であるが、何か違う切り口で、新たな展開につながるようなシミュレーションが必要な気がする。この点に関して、A04班と全体での活発な討論を期待する。評価者B: これまでのところ研究は極めて順調に進展していると評価される。公表論文数が既に212篇にものぼることはその一つの表れである。本領域研究の一つめの目的である、スタグナントスラプの全貌を観測から明らかにするという課題については、極東ロシア城に広帯域地震観測網を構築し、またフィリピン海において海底地震計と海底電磁力計の観測網を構築するなど、研究が順調に進んでいる。さらに、P波／S波速度比の直接インバージョンによるマントルのイメージング、ScS多重反射記録によるスラプ内部の異方性解析など、既存データを用いた解析にも著しい進展がみられる。二つめの目的である、スラプ滞留・崩落のメカニズムを高温高圧実験から明らかにするという課題についても、マントル遷移層に対応する温度圧力下での弾性波速度測定、含水マントルの相境界への水の影響の解明など、課題解決に向けて世界トップクラスの成果を着実にあげている。三つめの目的である、現実に近いパラメータ・モデル空間でマントル対流モデリングを行うという課題についても、地球に想定される高レイリー教の領域でのクラペイロン勾配と対流パターンの相図を世界に先駆けて作成するなど、顕著な成果をあげている。また、各研究項目の成果を統合してスラプ滞留と崩落の物理を解明し、それがプレート運動史ひいては地球史に及ぼす影響を明らかにするという、本研究領域の目的を達成するために不可欠な領域全体の連携も、昨年度から特に意識して進められておりその成果が着実に現れて来ている。評価者C：もともとこの研究計画は、長期にわたる観測が困難な極東地域やフィリピン海にアレー観測点を展開し(A01/A02)、現時点で世界最大のスタグナントスラプのより鮮明な形状を明らかにしようとしている、意欲的なものである。観測スタートしてデータが蓄積されて初めて、目的とする鮮明なスラプ像の解明に寄与するからである。その意味では研究項目間の連携は、とくに問題ではなく肝心のデータの警積が順調に進んでいることは、たかく評価でき計画の後半での解析が大いに期待できよう。一方、A03とA04は、計画の当初から十分な連携が期待されていたが、それぞれの項目での著しい成果が着実に挙げられてきたことにより、高温高圧実験の結果とシミュレーションの結果とが実質的にかみ合いつつあることは、すばらしい。この研究計画によって、２つのなぜに対する解答の範囲が著しく狭められてきて、連携による成果の充実度が加速推進されたことは明白である。今後は、新しい観測結果を用いた解析から、さらに２つの「どうなる」という疑問と『なぜ』がかみ合って議論が深まっていくことが期待でき、大いに楽しみである。
8.研究領域の研究を推進する上での問題点と対応策
本特定領域研究では、個々の計画研究が研究成果を上げるだけでなく、いかにして領域全体が連携しあって領域全体の目標の達成を目指すかが重要であると考えられる。昨年度以降、総括班主導で具体的テーマと担当者を設定し、研究項目および計画研究間の連携を強める働きかけを行った結果、4-2に述べたように新しい展開につながるような成果も得られるようになった。連携による論文数も年度を追って増加傾向にある。今後も、個々のグループの勉強会の単位から領域全体の研究集会などの機会を利用して、公募研究も含めた領域内の連携の一層の強化が必要である。研究項目A01とA02の平成17年度の公募研究では、応募件数が少なかったが、これは応募者の提案による観測を実施する公募研究を認めなかったことが一因と考えられる。このため平成19年度の公募に際しては、計画研究による観測計画に付随して実施が可能な観測計画案や、計算機モデリングと観測や高温高圧実験の連携した研究の提案も、公募研究で採用することを考慮することとした。研究費の変更はない。これまでに行われた研究組織の変更は、以下の通りである。研究項目A01計画研究アでは、A. Gorbatov がオーストラリア国立大学に転出したため分担者から外した。担当していた地震波解析は、引き続き研究協力者として実施するので研究の遂行に支障はない。計画研究イでは、神谷真一郎博士が所属部署の異動により分担研究の実施が不可能になったため分担者から外した。代わりに地震波解析を行うため、海洋研究開発機構の田中聡博士と大木聖子博士を分担者に加えた。研究項目A02計画研究エでは、海底電磁気観測の実施体制を強化するために、海洋研究開発機構の笠谷貴史博士を分担者に追加した。研究項目A03の計画研究オでは、愛媛大学助手の山崎大輔氏が岡山大学に転出したが、引き続き分担者として研究を継続している。また山崎氏の後任として愛媛大学助手に着任した大藤弘明氏を、本特定領域により導入したEBSDを用いた高圧変形試料の解析のため、分担者として加えた。また、計画研究力では、寺崎英紀博士がバイロイト大学より東北大学助手として、村上元彦博士が東京工業大学COE助手として着任し、新たに分担者に加えたが、一方で中嶋悟教授が大阪大学に異動し、分担者から外した。新たに加わった分担者は、この計画研究の実験的研究を推進する力量を十分に備えている。中嶋悟教授の研究分担は、広瀬・村上・大谷が分担し対応することが可能である。したがって、この変更によってこの特定領域の目的を達成するために支障は全くない。研究項目A04計画研究クでは、防衛大学校の岩瀬康行助手を分担者から外した。しかし、引き続き研究協力者として研究に参加する。また、担当していたコード開発が完了したため、九州大学の田端正久教授を分担者から外したが、東京大学の中川貴司助手が分担者として加わり、三次元球設対流基礎プログラムの開発を担当するので、今後の研究の遂行に支障はない。
9．今後の研究領域の推進方策
本研究領域が目指すところは、スタグナントスラプに着目し、地球物理観測・物質科学モデリング・計算機モデリングを統合して設定した課題を解決し、マントルダイナミクスに新しい潮流を形成することにある。発足以来２年間を経過して、領域の課題であるスタグナントスラプに関する２つの「なぜ」と２つの「どうなる」の解明が、各研究項目および研究項目問連携によって進展している。 ２つの「なぜ」については、高温高圧物性測定および計算機モデリングによる部分３次元箱形あるいは部分３次元球殻シミュレーションなどによって、マントルの粘性やクラペイロン勾配への鉱物粒径や水の影響、またそれらがスラプの滞留や崩落に及ぼす影響が詳しく調べられた。２つの「どうなる」については、観測によるイメージング研究によって、現在のスタグナントスラプが存在するマントル遷移層や崩落したスラプが存在すると考えられるマントル最下部の実体解明が進められている。既存の観測データの解析による成果がすでに得られており、領域内の高温高圧実験グループとの連携により解析結果の物質科学的解釈がなされつつある。さらに極東ロシアにおける陸上機動観測とフィリピン海における海底機動観測とを確実に実施することにより、当初計画した通り、カムチャッカから日本を経てマリアナに至る地球上最大の沈み込み帯の内部の高分解能イメージングを行うことができるであろう。地質学的時間スケールの現象の瞬時のスナップショットである観測による地球内部イメージと、様々な条件下での高温高圧実験の結果を数値対流モデルに統合し、スタグナントスラプの地球史に及ぼす影響までを明らかにすることが、これから２年半あまりの期間の本領域全体の進むべき方向である。個々の要素は順調に進展しているので、連携の体制をさらに強化することにより、課題の解決を目指したい。昨年５月の地球惑星関連合同学会（現在の地球惑星科学連合大会）では共通セッション「地球深部スラプ」を設け、口頭・ポスタ一併せて41件の発表があり活発な議論が交わされた。また、本年5月の地球惑星科学連合大会においては、国際セッションDeep Mantle Slabを2日間にわたって開催した。国際セッションには米国、フランス、ドイツ、イタリア等から9名の外国人研究者が参加し、本研究領域に関連する研究発表を行い、議論を深めた。今後も、本領域の研究成果を積極的に国際学術誌や国際学会で公表するのに加え、国際学会にセッション提案を行うなどして、より多くの研究者の関心を引き付ける試みを継続する。なお、平成19年夏にイタリアのペルージア市で開催される、地球科学分野で最も大きな国際組織である国際測地学地球物理学連合（IUGG）の総会において、本研究領域から提案したセッションが認められた。これを世界へ向けての情報発信の機会とし、新しい研究の潮流の形成を加速させたい。