16:45 〜 17:00
[SCG45-36] スラブーマントル境界の弱化：岩石ー水反応の相平衡モデルからの考察
キーワード：交代作用、スロー地震、相平衡モデリング、岩石ー水相互作用
スロー地震は、一般的に、沈み込み帯浅部の地震発生帯と深部の安定滑り（非地震性滑り）領域との間で発生することが知られている。例えば、西南日本の南海トラフでは、深さ30～40kmでゆっくり滑りが発生し、40kmより深い部分は安定滑り領域である。この深さでは、沈み込むスラブ（海洋地殻と堆積物）に由来する流体が前弧域のマントルウェッジに浸透し、マントルウェッジ底部の鉱物成分を変化させる可能性がある。流体と岩石の相互作用の結果を正確に予測することは、沈み込み界面における地震活動の変動を理解する上で重要である。
これまでのほとんどの研究では、沈み込み帯の流体は純粋なH2Oであると仮定されている。しかし、地質学的証拠から、沈み込み帯の流体は純粋なH2Oではなく、複数の主要な岩石成分（例えば、Si、Al、Ca）を含んでいることが示されている（e.g., Okamoto and Oyanagi 2023）。さらに、沈み込み帯では、スラブとマントルの界面に沿った熱構造や、沈み込む堆積物の化学組成（炭素の形態や主要元素組成）は様々である。その結果、マントルウェッジに流入する流体の組成と量は、深さやさまざまな弧によって異なる。これらの差異は、マントルウェッジの鉱物集合体に相応の変化をもたらし、それが沈み込み界面の地震活動の変化に関連している可能性がある。しかし、前弧域マントルの鉱物集合体の深さに関連する変化の性質や、それが地震活動に及ぼす影響については、まだ十分に解明されていない。
本研究では、数値モデリングにより、浅部（～20km）から深部（～80km）にかけてのスラブーマントル境界における流体の特性（化学組成と流体フラックス）と鉱物組み合わせを予測する。本計算では、東北日本の典型的な冷たい沈み込み帯と、西南日本の暖かい沈み込み帯の、沈み込む堆積物の変化と熱構造を考慮した。計算の結果、2つの沈み込み帯で生成される流体の量と組成が異なり、沈み込み帯の前弧域マントルにおける変成鉱物の種類と量に著しい変化をもたらすことが示された。東北日本の前弧域では炭酸塩鉱物は生成されず、タルクは約70kmの深さでしか生成されないことが予測された。一方、西南日本の前弧域では、タルクとマグネサイト（MgCO3）は35kmから70kmの幅広い深さで生成され、これらの鉱物の量は40kmの深さから増加し、より深い場所ではより厚い層が存在することが予測された。
興味深いことに、西南日本の沈み込み帯で厚い滑石層が予測された深度（40km以上）は、ゆっくり地震を含む地震帯の下方限界深度と一致している。タルクは、変成帯の泥質片岩-超苦鉄質岩の境界部で広く観察される鉱物であり、摩擦係数が非常に低く、安定した滑りを引き起こすことが知られている（例えば、Hirauchi et al. 2013）。本研究では、西南日本の沈み込み帯において、地表から地球内部への炭素循環により、深さとともにタルクと炭酸塩の量が増加することで、プレート境界の機械的弱化と地震性滑りから安定滑りへの移行が促進される可能性を示唆している。
参考文献
Clift, P. D. (2017). A revised budget for Cenozoic sedimentary carbon subduction. Reviews of Geophysics, 55(1), 97–125.
Hirauchi, K. I., den Hartog, S. A. M., & Spiers, C. J. (2013). Weakening of the slab-mantle wedge interface induced by metasomatic growth of talc. Geology, 41(1), 75–78.
Okamoto, A., & Oyanagi, R. (2023). Si-versus Mg-metasomatism at the crust–mantle interface: insights from experiments, natural observations and geochemical modeling. Progress in Earth and Planetary Science, 10(1), 39.
Oyanagi, R., & Okamoto, A. (2024). Subducted carbon weakens the forearc mantle wedge in a warm subduction zone. Nature Communications, 15(1), 7159.
これまでのほとんどの研究では、沈み込み帯の流体は純粋なH2Oであると仮定されている。しかし、地質学的証拠から、沈み込み帯の流体は純粋なH2Oではなく、複数の主要な岩石成分（例えば、Si、Al、Ca）を含んでいることが示されている（e.g., Okamoto and Oyanagi 2023）。さらに、沈み込み帯では、スラブとマントルの界面に沿った熱構造や、沈み込む堆積物の化学組成（炭素の形態や主要元素組成）は様々である。その結果、マントルウェッジに流入する流体の組成と量は、深さやさまざまな弧によって異なる。これらの差異は、マントルウェッジの鉱物集合体に相応の変化をもたらし、それが沈み込み界面の地震活動の変化に関連している可能性がある。しかし、前弧域マントルの鉱物集合体の深さに関連する変化の性質や、それが地震活動に及ぼす影響については、まだ十分に解明されていない。
本研究では、数値モデリングにより、浅部（～20km）から深部（～80km）にかけてのスラブーマントル境界における流体の特性（化学組成と流体フラックス）と鉱物組み合わせを予測する。本計算では、東北日本の典型的な冷たい沈み込み帯と、西南日本の暖かい沈み込み帯の、沈み込む堆積物の変化と熱構造を考慮した。計算の結果、2つの沈み込み帯で生成される流体の量と組成が異なり、沈み込み帯の前弧域マントルにおける変成鉱物の種類と量に著しい変化をもたらすことが示された。東北日本の前弧域では炭酸塩鉱物は生成されず、タルクは約70kmの深さでしか生成されないことが予測された。一方、西南日本の前弧域では、タルクとマグネサイト（MgCO3）は35kmから70kmの幅広い深さで生成され、これらの鉱物の量は40kmの深さから増加し、より深い場所ではより厚い層が存在することが予測された。
興味深いことに、西南日本の沈み込み帯で厚い滑石層が予測された深度（40km以上）は、ゆっくり地震を含む地震帯の下方限界深度と一致している。タルクは、変成帯の泥質片岩-超苦鉄質岩の境界部で広く観察される鉱物であり、摩擦係数が非常に低く、安定した滑りを引き起こすことが知られている（例えば、Hirauchi et al. 2013）。本研究では、西南日本の沈み込み帯において、地表から地球内部への炭素循環により、深さとともにタルクと炭酸塩の量が増加することで、プレート境界の機械的弱化と地震性滑りから安定滑りへの移行が促進される可能性を示唆している。
参考文献
Clift, P. D. (2017). A revised budget for Cenozoic sedimentary carbon subduction. Reviews of Geophysics, 55(1), 97–125.
Hirauchi, K. I., den Hartog, S. A. M., & Spiers, C. J. (2013). Weakening of the slab-mantle wedge interface induced by metasomatic growth of talc. Geology, 41(1), 75–78.
Okamoto, A., & Oyanagi, R. (2023). Si-versus Mg-metasomatism at the crust–mantle interface: insights from experiments, natural observations and geochemical modeling. Progress in Earth and Planetary Science, 10(1), 39.
Oyanagi, R., & Okamoto, A. (2024). Subducted carbon weakens the forearc mantle wedge in a warm subduction zone. Nature Communications, 15(1), 7159.