10:45 AM - 11:00 AM
[T1-O-6] Rheological properties of subducting slab estimated from stress state in the slab
Keywords:Subduction zone, Stress in slab, Rheological properties, Intermediate-depth earthquake
稍深発地震のCMT解から推定される沈み込むスラブ内の応力状態は，Down-dip tension(DT)が卓越する東向きの沈み込み帯とDown-dip compression (DC)が卓越する西向きの沈み込み帯に大別できる（文献1）．一方，より深い地震（>350 km）はすべての地域でDCが卓越する(文献1)．西太平洋縁に沈み込むスラブ（千島，東北日本，トンガ）の形状は1つのヒンジ部をもち，300 kmより浅いスラブの応力状態は，海溝付近でのbendingとより深部でのunbendingに伴う2組のDTとDCのセットからなる．東太平洋縁に沈み込むスラブ（チリ，ペルー，中央アメリカ）の形状は2つもしくは3つのヒンジ部をもつが，スラブの応力状態は海溝付近ではbending-unbendingに対応する2組のDTとDCのセットを示すが，より深部（100〜300 km）ではスラブの形状に関係なくDTが卓越する（文献2）．このようなスラブの応力状態の違いは，スラブの負の浮力や660 km境界での抵抗による均一なDTまたはDCの応力状態とbending-unbendingに伴うDTとDCのセットの応力状態の重ね合わせとして基本的に理解できる．本研究では，スラブの応力状態を制約条件として，スラブのレオロジー特性を検討することを目的として，2次元数値モデルによる計算を行った．
モデルの大きさは，水平距離7000 km，深さ2900 kmで，粘性や密度など一定の物性をもつ複数の層からなる．沈み込む海洋プレートの厚さと粘性，および上盤大陸プレートの動き（自由に動く場合とモデル側面に固定する場合）の条件を変えて結果を比較した．上盤プレートが自由に動く場合，海洋プレートの厚さと粘性に関係なく，沈み込みに伴い海溝が後退し，スラブ先端が下部マントルまで沈み込んだのちflat subductionに移行するとともに上盤プレートの応力状態が引張から圧縮に変化する．上盤プレートを固定した場合，固定した海溝から沈み込むため，スラブはほぼ鉛直に沈み込み，上盤プレートの応力状態は引張のまま変化しない．一方，深さ100〜300 kmでのスラブの応力状態は，おもにスラブの厚さと粘性に依存し，低粘性（1023 Pa s）かつ薄いスラブでは，DT応力が卓越するのに対し，高粘性（1024 Pa s）あるいは厚いスラブでは，unbendingに伴うDTとDCのセットの応力状態が卓越する．低粘性で薄いスラブは曲げに対する抵抗が小さく，660 km境界での抵抗をスラブが褶曲することにより吸収するため，DC応力が上方へ伝播せず，より浅部（深さ100〜300 km）では負の浮力によるDT応力がunbendingに伴うDTとDCのセットの応力状態よりも卓越する．一方，曲げに対する抵抗が大きいスラブでは，660 km境界での抵抗を吸収できずにDC応力が上方へ伝播するため，負の浮力によるDT応力よりもunbendingに伴うDTとDCのセットの応力状態が卓越する結果になる．これらの結果は，東太平洋縁の沈み込み帯に特徴的な深さ100〜300 kmでDTが卓越するスラブの応力状態には，薄くて粘性の低い（1023 Pa s）スラブが必要であることを示している．
マントル物質の高温変形実験から推定されるクリープの活性化エネルギーは高く，それから予想されるスラブの粘性は1024 Pa s以上になる．しかし，かんらん岩など多相系岩石の拡散クリープでは粒成長速度が遅いため，粒成長の効果も考慮した拡散クリープの有効活性化エネルギーは小さくなると予想される．そこで，温度と圧力に依存するレオロジー則を使い，拡散クリープの有効活性化エネルギーとして110 kJ/mol（文献3）を仮定した2次元数値モデルで計算した．その結果，年齢の若いスラブの沈み込みでは，スラブの有効粘性係数は1023 Pa s以下になり，深さ100〜300 kmでDT応力が卓越するのに対し，古いスラブの沈み込みでは，スラブの温度が低いため，その粘性は1024 Pa s以上になり，深さ100〜300 kmでunbendingに伴うDTとDCのセットの応力状態が卓越する結果になった．
以上の結果より，深さ100〜300 kmのスラブの応力状態を説明するには，変形実験から推定されるよりもスラブが低粘性である必要があり，そのメカニズムとして，拡散クリープによって変形するスラブが考えられる．
(1) Alpert, et al., 2010. doi: 10.1029/2010GC003301
(2) Sandiford, et al., 2020. doi: 10.1029/2019TC005894
(3) Nakakoji & Hiraga, 2018. doi: 10.1029/2018jb015819
モデルの大きさは，水平距離7000 km，深さ2900 kmで，粘性や密度など一定の物性をもつ複数の層からなる．沈み込む海洋プレートの厚さと粘性，および上盤大陸プレートの動き（自由に動く場合とモデル側面に固定する場合）の条件を変えて結果を比較した．上盤プレートが自由に動く場合，海洋プレートの厚さと粘性に関係なく，沈み込みに伴い海溝が後退し，スラブ先端が下部マントルまで沈み込んだのちflat subductionに移行するとともに上盤プレートの応力状態が引張から圧縮に変化する．上盤プレートを固定した場合，固定した海溝から沈み込むため，スラブはほぼ鉛直に沈み込み，上盤プレートの応力状態は引張のまま変化しない．一方，深さ100〜300 kmでのスラブの応力状態は，おもにスラブの厚さと粘性に依存し，低粘性（1023 Pa s）かつ薄いスラブでは，DT応力が卓越するのに対し，高粘性（1024 Pa s）あるいは厚いスラブでは，unbendingに伴うDTとDCのセットの応力状態が卓越する．低粘性で薄いスラブは曲げに対する抵抗が小さく，660 km境界での抵抗をスラブが褶曲することにより吸収するため，DC応力が上方へ伝播せず，より浅部（深さ100〜300 km）では負の浮力によるDT応力がunbendingに伴うDTとDCのセットの応力状態よりも卓越する．一方，曲げに対する抵抗が大きいスラブでは，660 km境界での抵抗を吸収できずにDC応力が上方へ伝播するため，負の浮力によるDT応力よりもunbendingに伴うDTとDCのセットの応力状態が卓越する結果になる．これらの結果は，東太平洋縁の沈み込み帯に特徴的な深さ100〜300 kmでDTが卓越するスラブの応力状態には，薄くて粘性の低い（1023 Pa s）スラブが必要であることを示している．
マントル物質の高温変形実験から推定されるクリープの活性化エネルギーは高く，それから予想されるスラブの粘性は1024 Pa s以上になる．しかし，かんらん岩など多相系岩石の拡散クリープでは粒成長速度が遅いため，粒成長の効果も考慮した拡散クリープの有効活性化エネルギーは小さくなると予想される．そこで，温度と圧力に依存するレオロジー則を使い，拡散クリープの有効活性化エネルギーとして110 kJ/mol（文献3）を仮定した2次元数値モデルで計算した．その結果，年齢の若いスラブの沈み込みでは，スラブの有効粘性係数は1023 Pa s以下になり，深さ100〜300 kmでDT応力が卓越するのに対し，古いスラブの沈み込みでは，スラブの温度が低いため，その粘性は1024 Pa s以上になり，深さ100〜300 kmでunbendingに伴うDTとDCのセットの応力状態が卓越する結果になった．
以上の結果より，深さ100〜300 kmのスラブの応力状態を説明するには，変形実験から推定されるよりもスラブが低粘性である必要があり，そのメカニズムとして，拡散クリープによって変形するスラブが考えられる．
(1) Alpert, et al., 2010. doi: 10.1029/2010GC003301
(2) Sandiford, et al., 2020. doi: 10.1029/2019TC005894
(3) Nakakoji & Hiraga, 2018. doi: 10.1029/2018jb015819