地震波形解析による「異方性」構造の高解像度イメージング　〜地球マントル最深部における対流の可視化に成功

2021-06-20

プレスリリース
河合研志准教授、ゲラー・ロバート名誉教授、鈴木裕輝客員研究員

発表のポイント

独自に開発を進めてきた地震波解析手法の発展により、北部太平洋下のマントル最深部について、世界最高解像度で3次元地震波速度の「異方性」構造を推定することに成功しました。その結果、沈み込んだ海洋プレートの折れ曲がりや誘発された上昇流など、現在のマントルの底で起きている対流運動を可視化できました。
海洋プレートが地球深部に沈み込むことは示唆されていましたが、その行方と影響は謎とされていました。今回の成果により、約2億年前に地表から沈み込んだ海洋プレートがマントル最深部に到達して折れ曲がり、押しのけた温かい物質からなる上昇流を誘発することがわかりました。
今回得られた地震波「異方性」構造は、地表のプレート運動が2900 km深度のマントル最深部の運動に影響を与えていることを示唆します。今後本研究で開発された手法によって、地球内部の流動の詳細が明らかになり、地球の進化についての理解が進むことが期待されます。

概要

東京大学大学院理学系研究科の河合研志准教授、ロバート・ゲラー名誉教授、鈴木裕輝客員研究員の研究グループは、独自に開発を進めてきた地震波解析手法「波形インバージョン法」（注1）を発展させ、稠密地震観測網USArray（注2）で観測された膨大な地震波形記録の水平2成分を世界に先駆けて解析しました。その結果、北部太平洋下のマントル最深部（注3）を対象領域として、世界最高解像度（既存の3次元構造推定モデルの約100倍(=53倍)の解像度）の3次元地震波「異方性」構造（注4）の推定に成功しました。高圧実験および鉱物物理学の最新の知見と対照することにより、約2億年前に地表から沈み込んだ海洋プレート（注5）がマントル最深部に到達して折れ曲がり、押しのけた温かい物質からなる上昇流を誘発することが明らかになりました。今回得られた地震波「異方性」構造は、地表のプレート運動が2900 km深度のマントル最深部の対流運動に影響を与えていることを示唆します。今後本研究で開発された手法によって、地球内部の流動や変形の詳細が明らかになり、地球の進化についての理解が進むことが期待されます。

地震波形解析による「異方性」構造の高解像度イメージング　〜地球マントル最深部における対流の可視化に成功 — 図3：構造推定結果をもとに作成した北部太平洋下のマントル最深部の3次元等速度面。各オブジェクトを構成する面は地震波速度の等値面である。赤い境界は約300Kの温度上昇に相当する地震波速度が平均より1%遅い等速度面。青い境界は地震波速度が平均より1%速い等速度面。青面のカラースケールはCMBからの高さを示しており、沈み込んだ低温の沈み込んだ海洋プレートと解釈できる。赤い領域は、地震波「異方性」構造推定結果の鉛直流の領域に相当し、上昇する高温のプルームであると考えられる。

用語解説

注1 波形インバージョン法
これまでの多くの地球内部構造推定の研究は、観測データから波の到達時刻などの二次データを測定してデータとして用いて解析することで内部構造を推定していた。一方、「波形インバージョン法」は、理論地震波形を計算して、それと観測地震波形を直接比較し、その残差を最小化することによって（但し、モデルが暴れないように解像度に応じて拘束条件を付ける）、内部構造モデルを系統的に改善する手法である。研究グループは波形インバージョンを実行するための理論を導出し、関連するソフトウェアを独自に開発してきた。

注2 USArray
2005–2015年の間にアメリカ合衆国の西海岸から東海岸まで約70 km間隔で広帯域地震計を稠密に設置するプロジェクト。2016年以降はアラスカで観測を行なっている。このようなアレイ観測網の展開による詳細な地球内部構造推定への期待が高まっている。

注3 マントル最深部
地殻の下から深さ約2900 kmまでの岩石からなる固体の領域(深さ2900 km以深は、液体の鉄合金で構成される外核であり、また、深さ5150 km以深は、固体の鉄で構成される内核である)。マントルは、その主要構成鉱物が相転移する深さ660 kmにおいて、上部マントルと下部マントルに区分される。さらに、核・マントル境界（CMB）上の約300–400 kmのマントル最深部はD″領域と呼ばれる（本発表では、マントル最深部はマントルの最下部400 kmの領域とする）。マントルは対流しており、マントルの最浅部と最深部は対流の境界層で鉛直方向に急激な温度変化があると考えられている。D″領域は下部の熱境界層にあたり、そこではCMBへ向けて急激に温度が上昇する。また、近年の研究により、下部マントルの主要鉱物マグネシウムペロブスカイトが、D″領域の温度圧力下でその高圧相のポストペロブスカイトに相転移することが発見された。そのため、現在では下部マントルは主にペロブスカイトおよびフェロペリクレース、D″領域はポストペロブスカイトおよびフェロペリクレースによって構成されていると考えられている。

注4 地震波「異方性」構造
等方な媒体では、地震波のＰ波とＳ波の伝播速度は、場所によって異なることがあるが、ある一地点においては変位方向や伝播方向によって伝播速度が異なることはない。ところが、同じ地点においても、伝播速度が変位方向や伝播方向によって異なる場合があり、これを「異方性」と呼ぶ。地震波の「異方性」構造の正確な推定によって、マントル物質の流動や変形についての情報を得ることができる。

注5 海洋プレート
海洋底を構成する海洋プレートは、厚さが平均70-80 km程度で、マントル物質が部分的に融けて固まった玄武岩質の海洋地殻と、融け残りの岩石である枯渇したカンラン岩（ハルツバージャイト岩）からできていると考えられている。海洋プレートは、海嶺で誕生し遠ざかるほど、冷却され年齢が増える。その年齢は高々2億年であり、海溝から地球深部へと沈み込む。低温かつ化学組成が異なる沈み込んだ海洋プレートの行方を明らかにすることは、地球マントルの熱化学進化の理解にとって重要である。

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