データ駆動型アプローチによる海洋下部地殻および上部マントル変質速度の探索

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18J01649
• 研究機関: 国立研究開発法人海洋研究開発機構
• 研究代表者: 大柳 良介 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 海域地震火山部門(火山・地球内部研究センター), 特別研究員(PD)
• 研究期間 (年度): 2018-04-25 – 2021-03-31
• キーワード: 反応速度 / 蛇紋岩 / 蛇紋岩化作用 / 水熱実験 / データ駆動型手法

研究実績の概要

当該年度は，前年度に設計したフォワードモデルと機械学習的アプローチを練成させ，水熱実験の解析を試みた．設計したフォワードモデルには，鉱物の反応表面積に関する項において不確実性が存在した．そのため，データ駆動型アプローチを用いてその不確実性をデータから推定することを試みた．本手法は，考えられるあらゆるフォワードモデルの候補で水熱実験の結果を解析するものである．その中で，クロスバリデーションという情報科学的アプローチを用いて一番実験結果をよく再現するフォワードモデルを推定した．結果，実験結果からフォワードモデルを推定できただけでなく，フォワードモデルを用いて水熱実験を再現することができた．拡散係数や反応速度定数といった未知パラメータを分布として推定し，不確かさを定量的に評価することができた．また，クロスバリデーションで選択されたフォワードモデルは，変質反応の律速過程を客観的にデータから判定した．この判定された律速過程は，既往の研究で報告されている変質反応の律速過程や，鉱物組織から推定する律速過程と調和的であった．このように，これまで主観的に行われてきた反応の律速過程の同定を，データ駆動型アプローチにより客観的に推定できることを示した．これらの成果をEGU general assembly 2019で発表した．他にも，変成岩などシンポジウムや国際研究集会「Water-dynamics」で発表予定だったが，コロナウイルスの影響で発表機会が失われた．

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

当初の計画通り，機械学習的アプローチの導入により，これまで知られていなかった変質反応の速度が解明しつつある．変質反応だけでなく，拡散係数など関係するパラメータも同時に得られている．

今後の研究の推進方策

これまで上部マントルにおける変質反応速度を推定した．今後は下部地殻の変質反応速度の解明に向けて，変質実験や数値計算，データ駆動型手法による解析を進める．

研究成果

• [雑誌論文] Silica controls on hydration kinetics during serpentinization of olivine: Insights from hydrothermal experiments and a reactive transport model (2020)
  • 著者名/発表者名: Oyanagi Ryosuke、Okamoto Atsushi、Tsuchiya Noriyoshi
  • 雑誌名: Geochimica et Cosmochimica Acta 巻: 270 ページ: 21～42
  • DOI: 10.1016/j.gca.2019.11.017
  • 査読あり
• [雑誌論文] Sparse isocon analysis: A data-driven approach for material transfer estimation (2020)
  • 著者名/発表者名: Kuwatani Tatsu、Yoshida Kenta、Ueki Kenta、Oyanagi Ryosuke、Uno Masaoki、Akaho Shotaro
  • 雑誌名: Chemical Geology 巻: 532 ページ: 119345～119345
  • DOI: 10.1016/j.chemgeo.2019.119345
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Formation of secondary olivine after orthopyroxene during hydration of mantle wedge: evidence from the Khantaishir Ophiolite, western Mongolia (2019)
  • 著者名/発表者名: Dandar Otgonbayar、Okamoto Atsushi、Uno Masaoki、Oyanagi Ryosuke、Nagaya Takayoshi、Burenjargal Ulziiburen、Miyamoto Tsuyoshi、Tsuchiya Noriyoshi
  • 雑誌名: Contributions to Mineralogy and Petrology 巻: 174 ページ: 86
  • DOI: 10.1007/s00410-019-1623-1
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Sparse Modeling of Nonlinear Dynamics in Heterogeneous Reactions (2019)
  • 著者名/発表者名: Ito Masaki、Kuwatani Tatsu、Oyanagi Ryosuke、Omori Toshiaki
  • 雑誌名: Neural Information Processing. ICONIP 2019 巻: 11954 ページ: 380～391
  • DOI: 10.1007/978-3-030-36711-4_32
  • 査読あり
• [学会発表] Dissolution kinetics of forsterite olivine at >200 °C: implication for the kinetics of serpentinization (2019)
  • 著者名/発表者名: Ryosuke Oyanagi, Tatsu Kuwatani, Katsuhiko Suzuki
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting 2019
• [学会発表] Specifying rate constants and reaction path on the water-rock chemical reaction based on exchange Monte Carlo method and sparse modeling (2019)
  • 著者名/発表者名: Ryosuke Oyanagi, Tatsu Kuwatani, Toshiaki Omori
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting 2019
• [学会発表] Sparse Modeling of Nonlinear Dynamics in Heterogeneous Reactions (2019)
  • 著者名/発表者名: Masaki Ito, Tatsu Kuwatani, Ryosuke Oyanagi, Toshiaki Omori
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting 2019
• [学会発表] Thermodynamic data of aqueous species for supercritical water-rock interaction: dissolution experiments and density-based extrapolation (2019)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Okamoto, Hajime Ishii, Ryosuke Oyanagi, Noriyoshi Tsuchiya
  • 学会等名: Japan Geoscience Union meeting 2019
• [学会発表] Modeling of the progressive evolution of subducting slab composition by sparse modeling (2019)
  • 著者名/発表者名: Kenta Yoshida, Tatsu Kuwatani, Kenta Ueki, Ryosuke Oyanagi, Shotaro Akaho
  • 学会等名: Japan Geoscience Union meeting 2019
• [学会発表] Data-driven estimation of material transfer from bulk compositions (2019)
  • 著者名/発表者名: Tatsu Kuwatani, Kenta Yoshida, Kenta Ueki, Ryosuke Oyanagi, Shotaro Akaho
  • 学会等名: Japan Geoscience Union meeting 2019
• [学会発表] Evidence for semi-brittle flow in mantle-wedge serpentinites under high pore fluid pressure and their implications for deep low frequency earthquakes (2019)
  • 著者名/発表者名: Kengo Kataoka, Yurina Nagata, Ken-ichi Hirauchi, Ryosuke Oyanagi, Atsushi Okamoto, Katsuyoshi Michibayashi
  • 学会等名: Japan Geoscience Union meeting 2019
• [学会発表] Hydration and development of fracture network within oceanic lower crust: an evidence from CM1A of Oman Drilling (2019)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Okamoto, Kazuki Yosida, Ryosuke Oyanagi, Oman Drilling Project Phase 2 Science Party3
  • 学会等名: Japan Geoscience Union meeting 2019
  • 招待講演
• [学会発表] Kinetics of silica metasomatism during serpentinization revealed by hydrothermal experiments on olivine-quartz-seawater at 300℃ (2019)
  • 著者名/発表者名: Ryosuke Oyanagi, Atsushi Okamoto, Noriyoshi Tsuchiya
  • 学会等名: European Geosciences Union General Assembly 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Hydrothermal Alteration of the Crust-Mantle Transition and Upper Mantle in the Samail Ophiolite: Insights from the Oman Drilling Project (2019)
  • 著者名/発表者名: Gretchen L. Fruh-Green, Marta Grabowska, Ryosuke Oyanagi, Kosuke Kimura, Atsushi Okamoto, Tomoaki Morishita, Akihiro Tamura, Frieder Klein, Damon A. H. Teagle, Eiichi Takazawa, Judith A. Coggon, Juerg M. Matter, Peter B. Kelemen, and OmanDP Phase 2 Science Party
  • 学会等名: European Geosciences Union General Assembly 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Formation of fracture network and permeability enhancement during olivine hydration within oceanic lower crust (2019)
  • 著者名/発表者名: Kazuki Yoshida, Atsushi Okamoto, Ryosuke Oyanagi, Hiroyuki Shimizu, Noriyoshi Tsuchiya
  • 学会等名: International Conference on Ophiolites and the Oceanic Lithosphere
  • 国際学会