4:05 PM - 4:20 PM
[S3-03] Strength of metastable olivine and the rheology of subducting cold slab at mantle transition zone
「発表賞エントリー」
Keywords:metastable olivine, Peierls mechanism, deep slab, high-pressure deformation experiments, deep-focus earthquake
スラブの主要鉱物であるオリビンのレオロジー特性は、プレート境界での沈み込みの開始から下部マントルへのスラブ貫入に至るまでの広い深さ領域で起こる諸現象を解釈する上で非常に重要である。中でもマントル遷移層（深さ410-680km）においては、冷たいスラブの中心低温部に準安定オリビンウェッジが形成されると考えられており、そのレオロジーが遷移層スラブの力学挙動に重要な役割を果たすと考えられる。特に低温で卓越するパイエルス機構による塑性流動（low-temperature plasticity）については、これまで実験的研究が数多くなされてきた（e.g. Mei et al., 2010; Hansen et al., 2019）ものの、それらはリソスフェアマントル条件（<9 GPa）に限られたもので、強度の圧力依存性もよく決まっていない（V*=0-30 cm3/mol）。そこで、本研究ではマントル遷移層条件（11–20 GPa, 470–1020℃）の広い温度圧力条件でマントルオリビンの変形実験を行ない、準安定オリビンのパイエルス機構による流動則を直接的に決定した。またこれまでの研究もふまえ、準安定オリビンが相転移を起こすことによってスラブレオロジーがどのように変化するのかについてもあわせて検討した。
実験はKEK PF-AR NE7AおよびSPring-8 BL04B1設置のD111型高圧変形装置を用いて、放射光その場観察手法と組み合わせて行なった。歪速度2.8–8.5x10-5 /sでの一軸圧縮変形場において、60keV単色X線を用いて2次元X線回折パターンと試料部ラジオグラフィーをそれぞれ時分割（1–5分毎）で測定し、応力‐歪曲線を取得しつつ相転移の有無も確認した。なお、相転移に伴う断層形成も起こる可能性があるため、一部では8素子アコースティックエミッション測定も組み合わせて行なった。回収試料はFE-SEM、FE-TEM等で微細組織を観察した。
11–20GPaのいずれの圧力においても、470-660℃では相転移がみられなかった。470–570℃において圧力11GPa、15GPa、20GPaで得られた流動応力は、4.8GPa、6.2GPa、6.6GPaと、圧力上昇にともなって増加した。これらの強度は、転位クリープ（Kawazoe et al., 2009）や粒径依存クリープ（Ohuchi et al., 2015）から推定される強度よりも小さく、またその温度依存性もより小さいことから、パイエルス機構による流動が卓越していると考えられる。なお、比較的低温の実験では応力が定常に達した後、歪硬化する傾向があった。
低温で卓越するパイエルス機構の流動則（Frost and Ashby, 1987; n=2, p=3/4, q=4/3）と、それを基に常圧で決められたパイエルス応力および活性化エネルギーのパラメータ（Evans & Goetze, 1979; Tsenn & Carter, 1987）から、流動則の圧力依存性を決定すると、活性化体積はV*=24.3±0.04 cm3/molとなった。この流動則は、過去に4–9GPa付近で得られたパイエルス機構によるオリビン強度データ（Mei et al., 2010; Kawazoe et al., 2009）もおおよそ説明することができる。
760℃以上の変形実験では、オリビン粒内の転位が濃集した領域から、ウォズレアイトおよびリングウッダイトへのごく少量の相転移が開始する。その領域のオリビン強度も上述した流動則におおよそ従うが、特に20GPaでは1–2GPaの応力降下やAEを伴う断層形成が顕著に観察され、不安定すべりが卓越した。そして、1020℃では最大約50%まで相転移が進行し、細粒のウォズレアイト、リングウッダイトの拡散クリープによる軟化（いわゆる超塑性流動）が起こる。
本研究で得られた流動則を遷移層スラブスケール（500-600℃、10-14 /s）に外挿すると、ドライな準安定オリビンウェッジではパイエルス流動が卓越し、圧力15–20 GPaでは3.3–4.2 GPaと高い強度をもつことがわかった。そして準安定オリビンウェッジの外側境界付近では、パイエルス流動で生じたオリビン粒内欠陥をきっかけに、相転移誘起による断熱不安定すべりが卓越する領域が存在する。一方、スラブ外側のより高温で相転移のほぼ完了した部分では、非平衡相転移によって生じた細粒高圧相の超塑性によるバルク強度の低下が期待される。このため冷たい遷移層スラブでは、スラブコアの準安定オリビン領域が極端に硬いレオロジー構造となり、その領域への応力集中とその周辺で卓越する不安定すべり領域が、深発地震の発生と深く関わっていると考えられる。
実験はKEK PF-AR NE7AおよびSPring-8 BL04B1設置のD111型高圧変形装置を用いて、放射光その場観察手法と組み合わせて行なった。歪速度2.8–8.5x10-5 /sでの一軸圧縮変形場において、60keV単色X線を用いて2次元X線回折パターンと試料部ラジオグラフィーをそれぞれ時分割（1–5分毎）で測定し、応力‐歪曲線を取得しつつ相転移の有無も確認した。なお、相転移に伴う断層形成も起こる可能性があるため、一部では8素子アコースティックエミッション測定も組み合わせて行なった。回収試料はFE-SEM、FE-TEM等で微細組織を観察した。
11–20GPaのいずれの圧力においても、470-660℃では相転移がみられなかった。470–570℃において圧力11GPa、15GPa、20GPaで得られた流動応力は、4.8GPa、6.2GPa、6.6GPaと、圧力上昇にともなって増加した。これらの強度は、転位クリープ（Kawazoe et al., 2009）や粒径依存クリープ（Ohuchi et al., 2015）から推定される強度よりも小さく、またその温度依存性もより小さいことから、パイエルス機構による流動が卓越していると考えられる。なお、比較的低温の実験では応力が定常に達した後、歪硬化する傾向があった。
低温で卓越するパイエルス機構の流動則（Frost and Ashby, 1987; n=2, p=3/4, q=4/3）と、それを基に常圧で決められたパイエルス応力および活性化エネルギーのパラメータ（Evans & Goetze, 1979; Tsenn & Carter, 1987）から、流動則の圧力依存性を決定すると、活性化体積はV*=24.3±0.04 cm3/molとなった。この流動則は、過去に4–9GPa付近で得られたパイエルス機構によるオリビン強度データ（Mei et al., 2010; Kawazoe et al., 2009）もおおよそ説明することができる。
760℃以上の変形実験では、オリビン粒内の転位が濃集した領域から、ウォズレアイトおよびリングウッダイトへのごく少量の相転移が開始する。その領域のオリビン強度も上述した流動則におおよそ従うが、特に20GPaでは1–2GPaの応力降下やAEを伴う断層形成が顕著に観察され、不安定すべりが卓越した。そして、1020℃では最大約50%まで相転移が進行し、細粒のウォズレアイト、リングウッダイトの拡散クリープによる軟化（いわゆる超塑性流動）が起こる。
本研究で得られた流動則を遷移層スラブスケール（500-600℃、10-14 /s）に外挿すると、ドライな準安定オリビンウェッジではパイエルス流動が卓越し、圧力15–20 GPaでは3.3–4.2 GPaと高い強度をもつことがわかった。そして準安定オリビンウェッジの外側境界付近では、パイエルス流動で生じたオリビン粒内欠陥をきっかけに、相転移誘起による断熱不安定すべりが卓越する領域が存在する。一方、スラブ外側のより高温で相転移のほぼ完了した部分では、非平衡相転移によって生じた細粒高圧相の超塑性によるバルク強度の低下が期待される。このため冷たい遷移層スラブでは、スラブコアの準安定オリビン領域が極端に硬いレオロジー構造となり、その領域への応力集中とその周辺で卓越する不安定すべり領域が、深発地震の発生と深く関わっていると考えられる。