Different dehydration modes of subducting plates in southwestern and northeastern Japan using multi-element isotopes of spring water

• Project/Area Number: 23K20244
• Project/Area Number (Other): 20H01995 (2020-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2020-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 17040:Solid earth sciences-related
• Research Institution: Kochi University
• Principal Investigator: 西尾 嘉朗 高知大学, 教育研究部総合科学系複合領域科学部門, 准教授 (70373462)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,940,000 (Direct Cost: ¥13,800,000、Indirect Cost: ¥4,140,000); Fiscal Year 2024: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2023: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2022: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2021: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2020: ¥8,450,000 (Direct Cost: ¥6,500,000、Indirect Cost: ¥1,950,000)
• Keywords: 地殻流体 / 深部流体 / リチウム / 同位体 / 湧水 / 断層流体 / スラブ起源流体 / 脱水 / ストロンチウム / 温泉 / 断層 / スラブ / 前弧 / 断層湧水

Outline of Research at the Start

日本のような沈み込み帯で，海洋プレートは海溝を通じて地球内部に沈み込む。約1.3億年前に作られた低温の太平洋プレートが沈み込む東北日本に比べ，約2千年前と若く高温のフィリピン海プレートが沈み込む西南日本域では，火山前線より海溝側の地域（前弧）において沈み込んだ海洋プレート（スラブ）からの「脱水」が激しく起こる。この西南日本と東北日本におけるスラブ脱水の様式の違いを，地表で採取する湧水の複数種の元素の同位体指標から明らかにすることを試みる。

Outline of Annual Research Achievements

岡山の温泉水のリチウム(Li)とストロンチウム(Sr)の同位体比の論文をProgress in Earth and Planetary Science (PEPS)誌に投稿した。また北海道前弧域の大地震前後のLi-Srの同位体比の変化に関する論文をPEPS誌に投稿した。非火山性の深部流体を理解するためにかつて群発地震が発生した松代地域の温泉水のLiとSrの同位体を用いて当該地域の温泉水の起源を明らかにした論文を作成してGeochemical Journal誌に投稿した。これら３本の論文は2023年度中には受理されなかったが，査読コメントを基に修正し質を高めた。また，これらの研究成果は2023年8月に行われた17th Congress of Water-Rock Interaction (WRI17)で口頭発表１件， 2023年9月に実施されたInternational Joint Workshop on Slow-to-Fast Earthquake 2023で口頭発表１件，2023年5月に実施された日本地球惑星科学連合の国際セッションのポスター発表２件で計４件の国際会議での研究発表を行った。日本語発表は地下水学会で２件の口頭発表，地質学会四国支部会で２件の口頭発表と１件のポスター発表を行った。2024年1月23日に高知新聞に『深部流体で地震予測挑む』が１ページで紹介された。当該研究に参画するM1の秋柴愛斗さんは2023年11月に「低塩分湧水を用いたスラブ起源流体の情報復元」というタイトルで若手地下水研究助成奨励賞を受賞した。さらに2023年度大学院生研究奨励賞を含む高知大学の３つの賞に受賞した。ザンドバキリさん（D2）は203年12月地質学会四国支部会で優秀講演賞をと高知大学の卓越した学業等成績優秀者として受賞した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究計画のうち西南日本前弧の中でも岡山地域の深部流体が有馬型真布流体とLi-Sr同位体組成が類似しているという研究論文を国際誌に投稿中である。四国の中央構造線域の深部流体環境の研究成果についても現在取りまとめており，近日中に投稿予定である。紀伊半島の温泉水の地球化学分析を終え，論文としてとりまとめている。また，九州南部の火山弧から前弧にかけて研究を推進中ある。加えて，2023年度には東北地方前弧の温泉水の採取を行った。採取試料の化学分析を現在は進めている。また，研究代表者は本研究計画の推進によって得られる知見が地震発生予測に有用である可能性について市民向け記事が2024年1月23日に高知新聞に『深部流体で地震予測挑む』が１ページで紹介された。
また，特に2023年度に修士１年であった秋柴愛斗さんは岡山地域の調査研究を推進して本研究計画に大きく貢献すると共に，日本地下水学会の若手地下水研究助成奨励賞に加えて，高知大学大学院生から６名選ばれる2023年度大学院生研究奨励賞を含めて高知大学から３賞を受賞した。加えて2023年度に博士２年であったザンドバキリ ザハラさんも地質学会四国支部会で優秀講演賞と共に，高知大学の学業等成績優秀者（卓越した学業等成績優秀者）を受賞した。その他の学生も調査研究を推進して本研究計画によって育ってきている。このように，野外調査・採水，化学分析，そして，成果発表に至るまで，予定通りの進捗状況である。

Strategy for Future Research Activity

本研究計画の最終年である2024年度は北海道前弧域の温泉水の調査・採水を実施すると共に2023年度に採水した東北前弧域の温泉水の化学分析を進める。得られた分析結果を本研究計画の前半で推進した西南日本前弧域の温泉水のデータと比較することで，本研究課題である西南日本と東北日本の沈み込みプレートの脱水様式の違いを明らかにする。本研究で得られた成果は国際会議で積極的に発表すると共に論文として国際誌で公開する。
2024年1月に発生し大きな被害をもたらしたM7の能登半島地震は事前に微小地震が多発し地下深部の流体の関与が指摘されている。本研究計画における前弧域でも数十年以上微小地震の多発する地域があるため，特に群発地震に注目して深部流体研究を展開させていきたい。
本研究計画の要は研究に関わる学生である。2024年度は博士３年生となるザンドバキリ ザハラさんは2024年5月の日本地球惑星科学連合の国際セッションで招待講演に加えて，2024年８月に米国で開催されるゴールドシュミット会議で発表予定である。他にも機会があれば大学院生には国際会議で本研究成果の発表し，研究成果の周知に加えて若手の育成を行っていきたい。
2024年度も多くの優秀な学生の参画があり，今後の研究の大きな進捗が見込まれる。PIの指示を受けて関わるのではなく，本研究計画に自発的に関わろうとする学生の育成を進めていきたい。特に前年度に引き続き兵庫県立大・名古屋大・京都大など他大学で地球物理など他の手法を用いて深部流体研究を行っている研究室と共に2ヶ月に1回の頻度で実施するオンラインセミナーによって学生は深部流体に関してより広い視野を得ることで自立性が高められた。よって，2024年度も引き続きオンラインでの異なる研究手法を用いて深部流体研究を行う研究室との合同セミナーを実施していきたい。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Damghan University(イラン)
• [Journal Article] Older magma at Aso caldera than at Unzen stratovolcano in south west Japan as recorded through helium isotopes (2023)
  • Author(s): Y. Sano, T. Kagoshima, M. Zhang, N. Takahata, T. Onoue, T. Shibata, Y. Nishio, A.-T. Chen, H. Lee, T.P. Fischer, D. Zhao
  • Journal Title: Communications Earth & Environment Volume: 4 Issue: 1 Pages: 1-8
  • DOI: 10.1038/s43247-022-00649-6
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Lithium isotope systematics of Arima hot spring waters and groundwaters in Kii Peninsula (2022)
  • Author(s): Umam Rofiqul、Tanimizu Masaharu、Nakamura Hitomi、Nishio Yoshiro、Nakai Ryo、Sugimoto Naoto、Mori Yasunori、Kobayashi Yuuki、Ito Akane、Wakaki Shigeyuki、Nagaishi Kazuya、Ishikawa Tsuyoshi
  • Journal Title: GEOCHEMICAL JOURNAL Volume: 56 Issue: 5 Pages: e8-e17
  • DOI: 10.2343/geochemj.GJ22015
  • ISSN: 0016-7002, 1880-5973
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Application of B and Li isotope systematics for detecting chemical disturbance in groundwater associated with large shallow inland earthquakes in Kumamoto, Japan (2021)
  • Author(s): Tanimizu M.、Sugimoto N.、Hosono T.、Kuribayashi C.、Morimoto T.、Ito A.、Umam R.、Nishio Y.、Nagaishi K.、Ishikawa T.
  • Journal Title: GEOCHEMICAL JOURNAL Volume: 55 Issue: 4 Pages: 241-250
  • DOI: 10.2343/geochemj.2.0633
  • NAID: 130008119466
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Combined tracers in hot spring waters across the Kii Peninsula, Japan: Implications for the origins of metamorphic fluids of the SW Japan forearc (2021)
  • Author(s): Momose Koki、Shiogama Makoto、Hori Masako、Kandori Kazuhiko、Nishio Yoshiro
  • Journal Title: GEOCHEMICAL JOURNAL Volume: 55 Issue: 5 Pages: 289-300
  • DOI: 10.2343/geochemj.2.0637
  • NAID: 130008119593
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ore Genesis of the Takatori Tungsten?Quartz Vein Deposit, Japan: Chemical and Isotopic Evidence (2021)
  • Author(s): Morishita Yuichi、Nishio Yoshiro
  • Journal Title: Minerals Volume: 11 Issue: 7 Pages: 765-765
  • DOI: 10.3390/min11070765
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Groundwater Anomaly Related to CCS-CO2 Injection and the 2018 Hokkaido Eastern Iburi Earthquake in Japan (2020)
  • Author(s): Sano Yuji、Kagoshima Takanori、Takahata Naoto、Shirai Kotaro、Park Jin-Oh、Snyder Glen T.、Shibata Tomo、Yamamoto Junji、Nishio Yoshiro、Chen Ai-Ti、Xu Sheng、Zhao Dapeng、Pinti Daniele L.
  • Journal Title: Frontiers in Earth Science Volume: 8 Pages: 611010-611010
  • DOI: 10.3389/feart.2020.611010
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Enrichment of chalcophile elements in seawater accompanying the end-Cretaceous impact event (2020)
  • Author(s): Teruyuki Maruoka, Yoshiro Nishio, Tetsu Kogiso, Katsuhiko Suzuki, Takahito Osawa, Yuichi Hatsukawa, Yasuko Terada
  • Journal Title: GEOLOGICAL SOCIETY OF AMERICA BULLETIN Volume: - Issue: 9-10 Pages: 2055-2066
  • DOI: 10.1130/b35403.1
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Investigation of the relationship between the deep-derived fluids and Matsushiro earthquake swarm using Li and Sr isotopes (2023)
  • Author(s): Zahra Zandvakili, Yoshiro Nishio
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2023, Science of slow-to-fast earthquakes (International Session)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Lithium isotopic indicator for the origin of deep-derived fluids involved in generating earthquake swarms and deep low-frequency earthquakes (2023)
  • Author(s): Manato Akishiba, Yoshio Nishio
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2023, Science of slow-to-fast earthquakes (International Session)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Li and Sr isotopic systematics in the forearc and backarc of Okayama and Tottori prefectures, southwest Japan: implications for sensitive detection of Arima-type deep-derved fluids (2023)
  • Author(s): Manato Akishiba, Yoshio Nishio
  • Organizer: 17th Congress of Water-Rock Interaction (WRI17) and the 14th Applied Isotope Geochemistry (AIG14), Sendai, Japan
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Geofluid behavior prior to 2018 Hokkaido eastern Iburi earthquake based on groundwater geochemistry (2023)
  • Author(s): Zahra Zandvakili, Yoshiro Nishio, Yuji Sano
  • Organizer: International Joint Workshop on Slow-to-Fast Earthquake 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] リチウム同位体比を用いた中国地方東部の温泉水の起源の解明 (2023)
  • Author(s): 秋柴 愛斗, 西尾 嘉朗
  • Organizer: 日本地下水学会2023年春季講演会
• [Presentation] 地下水中のリチウムとストロンチウムの同位体比を用いた有馬型深部流体成分の検出 (2023)
  • Author(s): 秋柴 愛斗, 西尾 嘉朗
  • Organizer: 日本地下水学会2023年秋季講演会
• [Presentation] Geochemical changes in groundwater before and after the 2018 Hokkaido earthquake (2023)
  • Author(s): Zahra Zandvakili, Yoshiro Nishio, Yuji Sano
  • Organizer: 日本地質学会四国支部会
• [Presentation] LiとSr同位体による中国地方東部で上昇する地殻流体の起源の解明 (2023)
  • Author(s): 秋柴 愛斗, 西尾 嘉朗
  • Organizer: 日本地質学会四国支部会
• [Presentation] 桜島周辺の温泉水の地球化学, 地質学会四国支部会 (2023)
  • Author(s): 堤田拓海，西尾嘉朗
  • Organizer: 日本地質学会四国支部会
• [Presentation] 松代群発地震に関与した流体の起源に関する地球化学的制約条件 (2022)
  • Author(s): Zahra Zandvakili, 西尾 嘉朗
  • Organizer: 日本地球化学会年会
• [Presentation] 京都の温泉水の地球化学 (2022)
  • Author(s): 糸井 稜, 西尾 嘉朗
  • Organizer: 日本地球化学会年会
• [Presentation] 丹沢山地で湧出する高pH温泉水の起源の解明 (2022)
  • Author(s): 中澤 椋雅, 西尾 嘉朗
  • Organizer: 日本地球化学会年会
• [Presentation] 紀伊半島南西部のLiとSr同位体地球化学 (2022)
  • Author(s): 水原 涼, 西尾 嘉朗
  • Organizer: 日本地球化学会年会
• [Presentation] 岡山県における温泉水のLi,Srの同位体地球化学 (2022)
  • Author(s): 秋柴 愛斗, 西尾 嘉朗
  • Organizer: 日本地球化学会年会
• [Presentation] リチウム同位体を用いた地下水中の深部流体成分の検出 (2022)
  • Author(s): 西尾嘉朗
  • Organizer: 日本地下水学会
• [Presentation] Li と Sr の同位体比を用いた丹沢山地の高 pH 温泉水の起源の解明 (2022)
  • Author(s): 中澤 椋雅, 西尾 嘉朗
  • Organizer: 日本地質学会 四国支部会
• [Presentation] Geochemical constraints on origin of fluids involved in the Matsushiro earthquake swarm (2022)
  • Author(s): Zahra Zandvakili, 西尾 嘉朗
  • Organizer: 日本地質学会 四国支部会
• [Presentation] Li，Sr 同位体を用いた岡山県の深部流体の起源の解明 (2022)
  • Author(s): 秋柴 愛斗, 西尾 嘉朗
  • Organizer: 日本地質学会 四国支部会
• [Presentation] 兵庫県猪名川町周辺の湧水の Li と Sr の同位体地球化学 (2022)
  • Author(s): 平田 祐一，西尾 嘉朗
  • Organizer: 日本地質学会 四国支部会
• [Presentation] Groundwater anomaly related to CCS-CO2 injection and the 2018 Hokkaido Eastern Iburi earthquake in Japan (2021)
  • Author(s): Yuji Sano, Takanori Kagoshima, Naoto Takahata, Kotaro Shirai, Jin-Oh Park, Glen T Snyder, Tomo Shibata, Junji Yamamoto, Yoshiro Nishio, Ai-Ti Chen, Sheng Xu, Dapeng Zhao, Daniele L. Pinti
  • Organizer: Goldschmidt 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 四万十帯北帯中の白亜紀層状鉄マンガン鉱床の形成環境：高解像度組織観察・元素分析結果からの制約 (2021)
  • Author(s): 浦本豪一郎，永田大海，西尾嘉朗
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2021年大会
• [Presentation] Groundwater anomaly related to the 2018 Hokkaido Eastern Iburi earthquake in Northern Japan (2020)
  • Author(s): Yuji Sano, Takanori Kagoshima, Naoto Takahata, Kotaro Shirai, Jin-Oh Park, Tomo Shibata, Junji Yamamoto, Yoshiro Nishio, Sheng Xu, Ai-Ti Chen, Pinti Daniele
  • Organizer: EGU general assembly 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Cu- or Ag-enriched grains in the K-Pg boundary clays: New evidence for acid rain immediately after the meteorite impact (2020)
  • Author(s): Teruyuki Maruoka, Yoshiro Nishio, Tetst Kogiso, Katsuhiko Suzuki
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020 Online
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 白亜紀末隕石衝突に伴って何が起きたのか：親銅元素組成をもとにした環境復元 (2020)
  • Author(s): 丸岡照幸，西尾嘉朗，小木曽哲，鈴木勝彦
  • Organizer: 日本地球化学会2020年大会
• [Book] 4次元統合黒潮圏資源学 (2022)
  • Author(s): 佐野有司・徳山英一（監修）
  • Total Pages: 224
  • Publisher: 中島出版
• [Remarks] 深部流体で地震予測挑む
  • URL: https://www.kochi-u.ac.jp/_files/00193733/20240123.pdf
• [Remarks] Geofluid Lab. （地殻流体研究室）
  • URL: https://twitter.com/geofluid_lab
• [Remarks] 地殻深部流体研究室
  • URL: https://twitter.com/geofluid_lab
• [Remarks] Yoshiro Nishio
  • URL: https://twitter.com/nishio_geochem
• [Remarks] 謎の地殻深部流体を同位体地球化学でせまる！
  • URL: https://tayo.jp/recruitments/student/tiEJpQsiTLSChzeLcP1qCA