Petrophysical studies involving petrological descriptions: Implications for the analysis of oceanic Moho discontinuity

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18H01321
• Research Institution: Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology
• Principal Investigator: 阿部 なつ江 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 研究プラットフォーム運用開発部門, 主任技術研究員 (80302933)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 片山 郁夫 広島大学, 理学研究科, 教授 (10448235) ; 岡崎 啓史 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 超先鋭研究開発部門(高知コア研究所), 研究員 (90784257) ; 富士原 敏也 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 海域地震火山部門(地震発生帯研究センター), 主任技術研究員 (30359129)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 海洋下部地殻 / 岩石物性 / オマーン掘削 / 斑れい岩 / 弾性波速度 / 電気比抵抗 / 空隙率 / 透水率

Outline of Annual Research Achievements

主にオマーン陸上掘削試料を中心に、岩石の詳細な記載・常温常圧下での物性計測を実施する。具体的には、
(A)岩石記載・物性計測およびデータ解析（計400個程度、担当・阿部、岡崎、片山）:
2018年7月から9月に、オマーン掘削で得られた岩石試料を、「ちきゅう」船上で記載し、物性計測を行った。さらに、船上物性計測データを詳細に解析した結果、岩石の変成作用にともなう色指数の変化と、岩石物性に顕著な相関があることを見出した。船上データからは、海洋底下の下部地殻と上部マントルの境界に相当する部分において、顕著な物性の変化が見られた。具体的には、下部地殻から上部マントルに移ると、地震波速度や密度の急激な減少、さらに空隙率の上昇が見られ、これらは実際の海洋底で想定される状況とは真逆の結果であった。これらの成果を国内外の学会で発表した。
さらに詳細な岩石記載に基づき、多様な鉱物組み合わせや変質程度および粒径や組織の異なる視点から、物性計測を行う試料を選び、物性計測を実施した。特に2019年7月に岩石の電気比抵抗を追加で実施した。
(B)加圧弾性波測定（担当・片山および広島大学院生）：記載および船上での一次分析が終わった試料のうち、10個程度の試料を抽出し、そのコア試料が採取された深度（海底下50~1400m）から試料が形成された深度（海底下3.5-7km, 10-200MPa）の圧力を封入した条件下（P波、S波、ドライとウェット両方）での弾性波速度測定を実施し、その成果を国内外の学会で発表した。
(C)過去の海洋科学掘削において採取した岩石試料について、掘削船上における岩石物性データおよび、下船後の加圧実験データを精査し、インド洋と大西洋の海洋下部地殻における速度構造の違いを明らかに、国際学術誌に共著論文として発表した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

オマーン掘削試料の「ちきゅう」船上分析において、共同研究による指摘で、新たな物性計測項目（電気比抵抗測定）を加えた。そのことにより、海洋プレートの地殻ーマントル境界付近における変質作用と鉱物モード組成と、岩石物性の相関関係が明らかになったほか、X線CTデータと岩石化学組成から、三次元鉱物モード解析の手法を開発した。さらに、同一鉱物モード組成の岩石（ダナイト）でも、下部地殻と上部マントルにおいては全岩化学組成が異なることにより、熱伝導率や電気比抵抗などの岩石物性値が異なることを明らかにした。これらの研究成果は、2020年1月にオマーンで行われた国際研究シンポジウムにおいて、複数の発表を行った。さらに、国際学術誌へ原著論文を投稿または準備中である。概ね研究計画は順調に進展している。

Strategy for Future Research Activity

これまでに得られたオマーン掘削試料の「ちきゅう」船上における物性計測データの解析を中心に、モホ面を構成する岩石の種類、その変質程度、鉱物モード組成と、多種多様な岩石物性データの統合解を実施し、現在までに海洋地域で得られている海洋プレートの構造探査データとの比較を行っていく。具体的には、実際の海底下の速度構造を示す岩石の変質程度を割り出し、その変質程度を獲得するテクトニックセッティングについても考察する。補足的に、その他の海底掘削試料の物性計測を行うほか、オマーン掘削試料の追加物性計測、および測定データの検証実験も行い、研究成果の国際学術誌特集号への論文投稿を行う予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Columbia University/Woods Hole Oceanography Institution(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Columbia University/Woods Hole Oceanography Institution
• [Int'l Joint Research] University of Southampton/University of Plymouth/Cardiff University(英国)
  • Country Name: UNITED KINGDOM
  • Counterpart Institution: University of Southampton/University of Plymouth/Cardiff University
• [Int'l Joint Research] University of Hannover/University of Bremen(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: University of Hannover/University of Bremen
• [Int'l Joint Research] University of Montepellier(フランス)
  • Country Name: FRANCE
  • Counterpart Institution: University of Montepellier
• [Int'l Joint Research] Seoul National University(韓国)
  • Country Name: KOREA (REP. OF KOREA)
  • Counterpart Institution: Seoul National University
• [Int'l Joint Research]
  • # of Other Countries: 12
• [Journal Article] Dynamic Accretion Beneath a Slow‐Spreading Ridge Segment: IODP Hole 1473A and the Atlantis Bank Oceanic Core Complex (2019)
  • Author(s): Dick H. J. B.、MacLeod C. J.、Blum P.、Abe N.、Blackman D. K.、J.A. Bowles, M.J. Cheadle, K. Cho, J. Ciazela, J.R. Deans, V.P. Edgcomb, L. France, B. Ghosh, B.M. Ildefonse, M.A. Kendrick, J.H. Koepke, J.A.M. Leong, C. Liu, Q. Ma, T. Morishita, A. Morris, J.H. Natland, T. Nozaka, O. Pluemper, A. Sanfilippo et al.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Solid Earth Volume: 124 Pages: 12631～12659
  • DOI: doi.org/10.1029/2018JB016858
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Seismic properties of gabbroic sections in oceanic core complexes: constraints from seafloor drilling (2019)
  • Author(s): Blackman Donna K.、Abe Natsue、Carlson Richard L.、Guerin Gilles、Ildefonse Benoit、Kumpf Amber
  • Journal Title: Marine Geophysical Research Volume: 40 Pages: 557～569
  • DOI: doi.org/10.1007/s11001-019-09385-7
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Relationship between the physical properties and hydration of the oceanic lower crust/ Moho TZ: results from onboard measurements of ICDP Oman Drilling Project (2020)
  • Author(s): Natsue Abe, Keishi Okazaki, Ikuo Katayama, Kohei Hatakeyama, et al.
  • Organizer: International Conference on Ophiolites and the Oceanic Lithosphere: Results of the Oman Drilling Project and Related Research
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Initial studies of the petrophysics in the sheeted dikes and upper gabbro from Oman Drilling Project Hole GT3A (2020)
  • Author(s): Natue Abe, Kohei Hatakeyama, Keishi Okazaki, James Andrew Leong, Benoit Ildefonse, Yamato Tateishi, Michelle Harris, Katsu Michibayashi, Juan Carlos de Obeso, Damon Teagle, Eiichi Takazawa, Peter Kelemen, Jude Ann Coggon, Juerg Michael Matter and Oman Drilling Project Phase 1 Science Party
  • Organizer: International Conference on Ophiolites and the Oceanic Lithosphere: Results of the Oman Drilling Project and Related Research
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Seismic velocity profile across the crust-mantle boundary determined from high-pressure experiments of core samples collected from the Oman Drilling Project (2020)
  • Author(s): Kohei Hatakeyama, Ikuo Katayama, Natsue Abe, Keishi Okazaki, The Oman Drilling Project Science Party
  • Organizer: International Conference on Ophiolites and the Oceanic Lithosphere: Results of the Oman Drilling Project and Related Research
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Porosity of mafic and ultramafic core samples from the Oman Drilling Projects measured by the penetration and impregnation methods (2020)
  • Author(s): Kumpei Nagase, Ikuo Katayama, Tadashi Yokoyama, Kouhei Hatakeyama, Yuya Akamatsu, Keishi Okazaki, Natsue Abe, Katsuyoshi Michibayashi
  • Organizer: International Conference on Ophiolites and the Oceanic Lithosphere: Results of the Oman Drilling Project and Related Research
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Crack density and aspect ratio of serpentinized dunites and harzburgites in the Hole BA1B, 3A, and 4A inferred from onboard ultrasonic velocity data (2020)
  • Author(s): Ikuo Katayama, Natsue Abe, Keishi Okazaki, Kohei Hatakeyama, Yuya Akamatsu, Katsuyoshi Michibayashi, Marguerite Godard, Peter Kelemen, and The Oman Drilling Project Phase 2 Science Party
  • Organizer: International Conference on Ophiolites and the Oceanic Lithosphere: Results of the Oman Drilling Project and Related Research
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Physical Properties of the MohoTZ: Implications from recent drilling projects (2019)
  • Author(s): Natsue Abe, Keishi Okazaki, Ikuo Katayama, Kohei Hatakeyama, Yuya Akamatsu, Katsuyoshi Michibayashi, Eiichi Takazawa, Peter B Kelemen, Damon A H Teagle, Juerg Michael Matter, Jude Ann Coggon and The Oman Drilling Project Science Party
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Overview of the physical property measurements, ChikyuOman 2017 and 2018: Crust and Mantle sections from ICDP Oman Drilling Project Phase I and II (2019)
  • Author(s): Natsue Abe, Keishi Okazaki, Ikuo Katayama, Kohei Hatakeyama, Benoit Ildefonse, Ole Ivar Ulven, Gilbert Hong, Wenlu Zhu, Benoit Cordonnier, Yuya Akamatsu, Katsuyoshi Michibayashi, Eiichi Takazawa, Michell Harris, Damon Teagle, Peter Kelemen, et al.
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合 2019年大会
• [Presentation] Seismic anisotropy under high pressure conditions of harzburgite collected from Oman Drilling Project Phase II (2019)
  • Author(s): Kohei Hatakeyama, Ikuo Katayama , Natsue Abe , The Oman Drilling Project Phase II Science Party
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合 2019年大会
• [Presentation] Initial report of physical property measurements, ChikyuOman 2018: Crust-Mantle boundary and the mantle section from ICDP Oman Drilling Project Phase II (2018)
  • Author(s): Natsue Abe, Keishi Okazaki, Ikuo Katayama, Kohei Hatakeyama, Ole Ivar Ulven, Gilbert Hong, Wenlu Zhu, Benoit Cordonnier, Yuya Akamatsu, Katsuyoshi Michibayashi, Eiichi Takazawa, Marguerite Godard, Teagle Damon, Peter Kelemen, and The Oman Drilling Project Phase 2 Science Party
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Physical property of the fossilized crust-mantle transition zone from ICDP Oman Drilling Project Hole CM1A and CM2B (2018)
  • Author(s): Keishi Okazaki, Natsue Abe, Kohei Hatakeyama, Yuya Akamatsu, Eiichi Takazawa, Damon Teagle, Peter Kelemen, Jude Coggon and The Oman Drilling Project Phase 2 Science Party
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Permeability profile across the crust-mantle sections in the Oman Drilling Project inferred from on-board measurements of dry and wet resistivity (2018)
  • Author(s): Ikuo Katayama, Keishi Okazaki, Natsue Abe, Ole Ivar Ulven, Gilbert Hong, Wenlu Zhu, Benoit Cordonnier, Kohei Hatakeyama, Yuya Akamatsu, Katsuyoshi Michibayashi, Marguerite Godard, Peter Kelemen, and The Oman Drilling Project Phase 2 Science Party.
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Influence of hydrothermal alteration on elastic wave velocity of mafic rocks from the Oeyama and Semail ophiolites (2018)
  • Author(s): Kosuke KIMURA, Ikuo KATAYAMA, Kohei HATAKEYAMA, Yuya, AKAMATSU, Natsue ABE and Keishi OKAZAKI
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Strength profile at the CM sites, ICDP Oman Drilling Project (2018)
  • Author(s): Yasuhiro Yamada, Moe Kyaw, Adam Wspaniary, Natsue Abe, Katsuyoshi Michibayashi, Eiichi Takazawa, Juerg Matter, Damon Teagle, Peter Kelemen, The Oman Drilling Project Phase 2 Science Party
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Magnetic Measurements Onboard R/V Chikyu of Rock Samples Collected as Part of Oman Drilling Project for Future Comparison with Next-generation Borehole Magnetometer Data (2018)
  • Author(s): Gilbert Hong, Annika Greve, Hogyum Kim, Natsue Abe, Moe Kyaw, Toshiya Kanamatsu, Sang-Mook Lee, Jessica Till
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ICDPオマーン陸上掘削第1期(ChikyuOman2017)岩石物性-海洋底から衝上まで- (2018)
  • Author(s): 阿部なつ江・岡崎啓史・畠山航平・Benoit Ildefonse・立石大和・James Andrew Leong・道林克禎・高澤栄一・Peter Kelemen, Juan Calros de Obeso・Damon Teagle, Jude Coggon・Michelle Harris・The Oman Drilling Project Phase 1 Science Party
  • Organizer: 日本鉱物科学会2018年会
• [Presentation] 総説：海洋地殻深部-マントルを構成する岩石（斑れい岩類、超マフィック岩類）の掘削試料に見られる岩石物性の地域差について (2018)
  • Author(s): 阿部なつ江・イルデフォン・ブノワ・赤松祐哉・畠山航平・片山郁夫・廣瀬丈洋・多田井修
  • Organizer: 日本地質学会第125回大会
• [Presentation] ) ICDPオマーン陸上掘削コア試料に記録されているモホ遷移帯の岩石物性について (2018)
  • Author(s): 阿部なつ江・モー・キョー・山田泰広・岡崎啓史・畠山航平・赤松祐哉・片山郁夫・高澤栄一・道林克禎・ケレメン・ピーター・ティーグル・デーモン・Oman Drilling Project Phase II Science Party
  • Organizer: 日本地質学会第125回大会