Silica transport in Slow-to-Fast seismogenic zones revealed by geochemical machine-learning

• Project Area: Science of Slow to Fast Earthquakes
• Project/Area Number: 22H05296
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 宇野 正起 東北大学, 環境科学研究科, 准教授 (50748150)
• Project Period (FY): 2022-06-16 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥9,620,000 (Direct Cost: ¥7,400,000、Indirect Cost: ¥2,220,000); Fiscal Year 2023: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2022: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000)
• Keywords: 原岩組成復元モデル / 機械学習 / 勾配決定木 / 変成岩 / シリカ / 元素移動 / 地化学機械学習 / Slow-to-Fast地震発生帯 / シリカ輸送 / 沈み込み帯 / 変成作用 / 原岩組成推定モデル / 物質輸送 / 四万十帯 / 三波川変成帯 / 泥質片岩 / Slow-to-Fast地震

Outline of Research at the Start

本研究は地化学機械学習のアプローチより独自に開発した，元素輸送量推定モデルを用いて，付加体から変成帯における様々な温度・圧力条件を被った変質岩のシリカ輸送量を逆解析し，Slow-to-Fast地震発生帯におけるシリカ輸送量の空間分布を物質科学的に明らかにするとともに，Slow地震およびFast地震発生域における亀裂閉塞過程の解明を目指す．

Outline of Annual Research Achievements

昨年度開発した変成堆積岩の原岩組成復元モデルのアルゴリズムの改良と高精度化，高圧変成岩のフィールド調査と元素移動量解析，原岩組成復元モデルのGUI実装とweb公開を行った．
原岩組成復元モデルは，全球の堆積物の化学組成データにおける組成空間上の相関を機械学習により学習することで，少数の元素濃度から全元素濃度を推定する．本年度は機械学習のアルゴリズムを昨年度採用していたガウス過程回帰から勾配決定木の一種である自然勾配ブースト(NGBoost)に変更することで，1モデルあたりの計算時間を約12時間から約5分に短縮するとともに，個々の予測値の不確定性も推定可能とした．これにより様々な入力元素と出力元素の組み合わせに対応した原岩組成復元モデルを開発した．モデルの一部はGUI化し，Githubに公開した．
また，沈み込む前の海洋プレートにおける元素移動量を特定するために南太平洋および北西太平洋の海洋底変質玄武岩に原岩組成復元モデルを適用し，Rb, Ba, U, Kなどの16元素の元素移動量を定量化した．海洋底熱水変質における元素移動量を4サイト201サンプルから系統的に明らかにした．
フィールド調査では三波川変成帯の泥質変成岩／玄武岩質変成岩境界に着目し，岩相境界における主要元素，微量元素，鉱物モード組成，反応進行度を解析した．その結果，泥質片岩側で曹長石が増加し，玄武岩質変成岩側で角閃石や曹長石が減少し緑泥石や白雲母が増加する変質作用があったことが明らかになった．また，岩相境界では系統的にK, Cs, Rb, Baなどの濃度が両岩相で増加しており，岩相境界が選択的な流体流路となっていることが明らかになった．

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Porosity generation via spatially uncoupled dissolution precipitation during plagioclase replacement in quartz undersaturated fluids (2024)
  • Author(s): Astin Nurdiana, Atsushi Okamoto, Masaoki Uno, Noriyoshi Tsuchiya
  • Journal Title: Contributions to Mineralogy and Petrology Volume: 179 Issue: 1 Pages: 10-10
  • DOI: 10.1007/s00410-023-02088-8
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Metasomatism at a metapelite-ultramafic rock contact at the subduction interface: Insights into mass transfer and fluid flow at the mantle wedge corner (2023)
  • Author(s): Oyanagi Ryosuke、Uno Masaoki、Okamoto Atsushi
  • Journal Title: Contributions to Mineralogy and Petrology Volume: 178 Issue: 5 Pages: 27-27
  • DOI: 10.1007/s00410-023-02011-1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mantle hydration initiated by Ca metasomatism in a subduction zone: An example from the Chandman meta-peridotite, western Mongolia (2023)
  • Author(s): Otgonbayar Dandar, Atsushi Okamoto, Masaoki Uno, Noriyoshi Tsuchiya
  • Journal Title: Lithos Volume: 452-453 Pages: 107212-107212
  • DOI: 10.1016/j.lithos.2023.107212
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Multiphase-solid fluid inclusions in HP-LT eclogite facies rock (Zavkhan Terrane, Western Mongolia): evidence for the evolution from saline to hypersaline fluids during metamorphism in subduction zone (2023)
  • Author(s): Bayarbold Manzshir、Okamoto Atsushi、Uno Masaoki、Yoshida Kenta、Kotov Alexey、Agroli Geri、Dandar Otgonbayar、Niwa Yasuhiro、Kimura Masao、Tsuchiya Noriyoshi
  • Journal Title: Contributions to Mineralogy and Petrology Volume: 178 Issue: 11 Pages: 85-85
  • DOI: 10.1007/s00410-023-02055-3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Continuous thermal structures of the present-day and contact-metamorphic geothermal systems revealed by drill cuttings in the Kakkonda geothermal field, Japan (2023)
  • Author(s): Masaoki Uno, Atsushi Okamoto, Takashi Akatsuka, Noriyoshi Tsuchiya
  • Journal Title: Geothermics Volume: 115 Pages: 102806-102806
  • DOI: 10.1016/j.geothermics.2023.102806
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Short‐lived and voluminous fluid‐flow in a single fracture related to seismic events in the middle crust (2023)
  • Author(s): Diana Mindaleva, Masaoki Uno, Noriyoshi Tsuchiya
  • Journal Title: Geophysical Research Letters Volume: 55 Issue: 5 Pages: 1-12
  • DOI: 10.1029/2022gl099892
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] NaHCO3 as a carrier of CO2 and its enhancement effect on mineralization during hydrothermal alteration of basalt (2023)
  • Author(s): Sena Kikuchi, Jiajie Wang, Otgonbayar Dandar, Masaoki Uno, Noriaki Watanabe, Nobuo Hirano, Noriyoshi Tsuchiya
  • Journal Title: Frontiers in Environmental Science Volume: 11 Pages: 1138007-1138007
  • DOI: 10.3389/fenvs.2023.1138007
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 日本の浅部から深部における地殻浸透率 (2023)
  • Author(s): 石橋琢也, 冨樫聡, 宇野正起
  • Journal Title: 日本地熱学会誌 Volume: 45 Pages: 27-44
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Continental arc-derived eclogite in the Zavkhan Terrane, western Mongolia: Implications for the suture zone in the northern part of the Central Asian Orogenic Belt (2022)
  • Author(s): Bayarbold Manzshir、Okamoto Atsushi、Dandar Otgonbayar、Uno Masaoki、Tsuchiya Noriyoshi
  • Journal Title: Journal of Asian Earth Sciences Volume: 229 Pages: 105150-105150
  • DOI: 10.1016/j.jseaes.2022.105150
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] High-temperature silicified zones as potential caprocks of supercritical geothermal reservoirs (2022)
  • Author(s): Fajar Febiani Amanda, Noriyoshi Tsuchiya , Vani Novita Alviani, Masaoki Uno, Ryoichi Yamada, Shota Shimizu, Ryosuke Oyanagi
  • Journal Title: Geothermics Volume: 105 Pages: 102475-102475
  • DOI: 10.1016/j.geothermics.2022.102475
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Slab-derived fluid storage in the crust elucidated by earthquake swarm (2022)
  • Author(s): Yusuke Mukuhira, Masaoki Uno, Keisuke Yoshida
  • Journal Title: Communications Earth & Environment Volume: 3 Issue: 1 Pages: 286-286
  • DOI: 10.1038/s43247-022-00610-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 高温変成岩中に記録された中下部地殻におけるマグマ/水熱破砕の物理条件:火山下の深部低周波地震の痕跡か? (2023)
  • Author(s): 宇野 正起、ミンダレワ ディアナ、奈良 拓実、河上 哲生、東野 文子、足立 達朗、土屋 範芳
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合（JpGU）2023
• [Presentation] Quantifying metamorphic elemental transfer history for fluid-rock interaction by combining machine learning and mineral records (2023)
  • Author(s): 松野哲士, 宇野正起, 岡本敦
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合（JpGU）2023
  • Invited
• [Presentation] マグマ貫入による下部地殻の開口せん断破壊中の 応力状態、流体圧とその継続時間： セール・ロンダーネ山地高温変成帯の例 (2023)
  • Author(s): 奈良拓実、ディアナミンダレワ、宇野正起、河上哲夫、足立達郎、東野文子、土屋範芳
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合（JpGU）2023
• [Presentation] 火山下地震の下部地殻高度変成岩における記録？ (2023)
  • Author(s): 奈良拓実、ディアナミンダレワ、宇野正起、河上哲夫、足立達郎、東野文子、山崎慎一、松野哲士、土屋範芳
  • Organizer: Water-Rock Interaction WRI-172023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Physical conditions of magmatic-hydrothermal fracturing in deep crust: Records of subvolcanic deep low frequency earthquakes? (2023)
  • Author(s): Masaoki Uno, Takumi Nara, Diana Mindaleva, Tetsuo Kawakami, Tatsuro Adachi, Fumiko Higashino, Noriyoshi Tsuchiya
  • Organizer: Water-Rock Interaction WRI-172023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Progressive release of trace elements from subducting slab and enrichment in the overlying crust: Trace element budget at the plate boundary elucidated from the Sanbagawa metamorphic belt, Japan (2023)
  • Author(s): 松野哲士, 宇野正起, 岡本敦
  • Organizer: Water-Rock Interaction WRI-172023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 地質学からみたプレート境界深部の流体活動と岩石破壊 (2023)
  • Author(s): 宇野正起
  • Organizer: Slow-to-Fast Earthquake Pre-conference Event for Early-career Researchers 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Physical conditions of magmatic-hydrothermal fracturing in deep crust: Records of subvolcanic deep low-frequency earthquakes? (2023)
  • Author(s): Masaoki Uno
  • Organizer: International Joint Workshop on Slow-to-Fast Earthquakes2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 火山下地震の下部地殻高度変成岩における記録？ (2023)
  • Author(s): 奈良拓実、ディアナミンダレワ、宇野正起、河上哲夫、足立達郎、東野文子、山崎慎一、松野哲士、土屋範芳
  • Organizer: 日本地質学会（GSJ）第130年学術大会
• [Presentation] 葛根田地熱地域のアクティブな接触変成温度履歴と熱モデリング：地殻浅部マグマー熱水系の熱輸送メカニズム (2023)
  • Author(s): 宇野 正起、岡本 敦、土屋 範芳、赤塚 貴史
  • Organizer: 日本地質学会（GSJ）第130年学術大会
• [Presentation] Heat transport mechanisms in the super-hot magmatic-hydrothermal system revealed by the petrological thermal history and thermal modeling of the Kakkonda geothermal field, Japan (2023)
  • Author(s): Masaoki Uno, Atsushi Okamoto, Takashi Akatsuka, and Noriyoshi Tsuchiya
  • Organizer: American Geophysical Union（AGU）2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 海洋底変質に伴う定量的な元素移動量とその支配パラメーター：北西太平洋と南太平洋の元素移動形態の相違 (2023)
  • Author(s): 松野哲士，宇野正起，岡本敦
  • Organizer: 日本地質学会（GSJ）2022
• [Presentation] Elucidating parameters governing elemental transfer during seafloor alteration: Application of machine-learning based Protolith Reconstruction Model (PRM) to seafloor altered basalt, the South and Northwest Pacific regions. (2023)
  • Author(s): 松野哲士，宇野正起，岡本敦
  • Organizer: American Geophysical Union（AGU）2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 岩石と水の境界：反応と破壊の結合した動的な岩石学のフロンティア (2022)
  • Author(s): 宇野正起
  • Organizer: 日本地質学会（GSJ）2022
  • Invited
• [Presentation] Quaternary Contact Metamorphism in The Kakkonda Geothermal Field Revealed by Using Deep Hole Drilling Cuttings (2022)
  • Author(s): Nizar Muhamad Nurdin, Ger Agroli, Atsushi Okamoto, Masaoki Uno, Noriyoshi Tsuchiya
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合（JpGU）2022
• [Presentation] 地殻深部でのマグマ・水圧破砕に伴う応力状態の繰り返し逆転（東南極セール・ロンダー山地） (2022)
  • Author(s): 宇野正起，河上哲生，足立達朗，東野文子，土屋範芳
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合（JpGU）2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of geochemical machine-learning models to quantify silica transport in metamorphic rocks (2022)
  • Author(s): Masaoki Uno
  • Organizer: International Joint Workshop on Slow-to-Fast Earthquakes2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Elemental mobility during seafloor alteration of oceanic crust revealed by machine-learning approach (2022)
  • Author(s): 松野哲士，宇野正起，岡本敦
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合（JpGU）2022
• [Presentation] マグマ貫入による下部地殻の開口せん断破壊中の 応力状態、流体圧とその継続時間： セール・ロンダーネ山地高温変成帯の例 (2022)
  • Author(s): 奈良拓実、ディアナミンダレワ、宇野正起、河上哲夫、足立達郎、東野史子
  • Organizer: 変成岩などシンポジウム (Metamorphic rock symposium)2023
• [Presentation] XRDによる変成履歴の定量化:リートベルト解析の検証と沈み込み帯岩相境界への適用 (2022)
  • Author(s): 松野哲士，宇野正起，平野伸夫, 岡本敦
  • Organizer: 変成岩などシンポジウム (Metamorphic rock symposium)2023
• [Remarks] 研究室webページ
  • URL: https://geo.kankyo.tohoku.ac.jp/gmel2/index.php/member/assistant-professor/
• [Remarks] 原岩組成復元モデルGithub
  • URL: https://github.com/MSrakugo/PRM_Streamlit/tree/main