マグマ化学組成のバリエーションの情報科学的解析によるマグマ進化プロセスの理解

2023 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 19K04026
• 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: 上木 賢太 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), 副主任研究員 (40646353)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2025-03-31
• キーワード: マグマ化学組成 / データ駆動 / 火成活動 / 物質循環 / 機械学習 / マグマ生成

研究実績の概要

機械学習及び数理解析に基づいたデータ解析により、高次元データであるマグマの化学組成のバリエーションをデータ駆動で定量的および客観的に解析する方法を確立し、天然火山岩化学組成データおよび高圧実験に基づくマグマ化学組成データに適用して、地球内部でのマグマ進化プロセスやその時空推移を捉えることが本研究の目的である。その目的達成のために具体的テーマとして設定した課題1から3に基づき、2023年度の研究を遂行した。「課題1: 統計数理に基づいた天然マグマ化学組成バリエーションの特徴抽出手法の確立」に関しては、火山岩化学組成の高精度分析を行い、分析で得られた高次元データに対して数理解析を行ってマグマ進化プロセスを抽出する研究を行った。また、火山噴出物の化学組成データを収集し、データベースを構築してウェブ上で公表した（姶良カルデラデータベース）。「課題2: 統計数理に基づいた実験マグマ化学組成バリエーション解析手法の確立」に関しては、2022年度から継続して、マグマ生成場の条件を推定する数理モデルの開発を行った。「課題3: マグマ生成プロセスの時空間推移解析」に関しては、全地球火山岩の数理解析を行って、マグマの化学組成から起源テクトニクスを推定する数理モデルを構築し、論文および簡便に解析を行うためのスプレッドシートを公開した（Ueki et al., 2024）。また、マグマ組成への応用を見据えて、様々な地球科学データ解析研究に参画した（Enomoto et al., 2023; Nakao et al., 2023など）。

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

課題1に関しては、火山噴出物に対して新規の化学組成分析を行った。また、東伊豆単成火山群や鬼界カルデラなど複数の火山噴出物の化学組成データに多変量解析を行い、マグマ化学組成の進化をもたらすプロセスを抽出して地球化学的議論を行った。また、2022年度までの成果を拡張する形で火山噴出物化学組成データベース構築を行い「姶良カルデラデータベース」としてウェブ上で公開した。課題2に関しては、2022年度までに行った予備データセット構築と予備解析に基づいて、岩石溶融実験結果をコンパイルした本解析用データセットを構築し、データ解析を行って、マグマ化学組成から溶融場条件を推定するモデルを構築した。課題3に関しては、2022年度までの解析結果を基礎として、簡便に火山岩化学組成を基づいたマグマ起源テクトニクスの解析を行うことを可能とする数理モデルを構築し、論文として公表した（Ueki et al., 2024）。また、数理モデルを簡便に利用出来るスプレッドシートを公表した（SGTPPR）。さらに、マグマ組成解析への応用を見据えて、化学組成データ解析手法開発、地球物理観測データ解析といったデータ解析共同研究を行った（Enomoto et al., 2023; Nakao et al., 2023など）。

今後の研究の推進方策

課題1については、2023年度までの解析結果を基に地球科学・火山学的議論を進め、東伊豆単成火山や鬼界カルデラ、姶良カルデラ等の日本周辺火山に関するマグマ生成及び進化プロセスを議論する。また、火山噴出物データベース構築と、データベースを用いた解析を継続する。課題2については、マグマ化学組成から総合的な溶融場の情報を抽出するモデルを完成させる。課題3に関しては、課題2で構築するモデルを全地球火山岩の実データに適用し、全球規模でのマグマ化学組成や生成プロセスを議論する。成果については、論文、学会で公表すると共に、ウェブサイトに掲載する一般向けコラム等で解説を行う。

次年度使用額が生じた理由

2023年度5月までの研究打ちあわせ出張および成果発表の一部を新型コロナウイルス感染拡大防止の観点から延期したため、出張旅費に関して未使用予算が生じた。次年度の成果発表のために使用する。

研究成果

• [雑誌論文] An Introduction to SGTPPR: Sparse Geochemical Tectono‐Magmatic Setting Probabilistic MembershiP DiscriminatoR (2024)
  • 著者名/発表者名: Ueki Kenta、Hino Hideitsu、Kuwatani Tatsu
  • 雑誌名: Geochemistry, Geophysics, Geosystems 巻: 25 ページ: －
  • DOI: 10.1029/2023GC011237
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Regression analysis and variable selection to determine the key subduction-zone parameters that determine the maximum earthquake magnitude (2023)
  • 著者名/発表者名: Nakao Atsushi、Kuwatani Tatsu、Ueki Kenta、Yoshida Kenta、Yutani Taku、Hino Hideitsu、Akaho Shotaro
  • 雑誌名: Earth, Planets and Space 巻: 75 ページ: －
  • DOI: 10.1186/s40623-023-01839-y
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Trace element abundance modeling with the gamma distribution for quantitative balance calculations (2023)
  • 著者名/発表者名: Sanshiro Enomoto, Kenta Ueki, Tsuyoshi Iizuka, Nozomu Takeuchi, Akiko Tanaka, Hiroko Watanabe and Satoru Haraguchi
  • 雑誌名: Takashi Nakagawa, Taku Tsuchiya, Madhusoodhan Satish-Kumar, and George Helffrich (Eds.), Core-Mantle Co-Evolution: An Interdisciplinary Approach (First Edition) 巻: 276 ページ: 17-30
  • DOI: 10.1002/9781119526902.ch02
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] An introduction to the geochemical database for the eruption products of the caldera-forming large eruptions in southern Kyushu (2024)
  • 著者名/発表者名: Kenta Ueki, Satoru Haraguchi, Kenta Yoshida, Tatsu Kuwatani, Morihisa Hamada, Iona McIntosh, Takashi Miyazaki, Takeshi Hanyu, Ayumu Nishihara
  • 学会等名: Submarine caldera volcanoes -The cutting edge of our understanding achieved by various approaches-
  • 国際学会
• [学会発表] Construction of geochemical database of ejecta from volcanic activity in Aira caldera region, SW Japan (2024)
  • 著者名/発表者名: Ayumu Nishihara, Kenta Ueki, Satoru Haraguchi, Morihisa Hamada, Takeshi Hanyu
  • 学会等名: Submarine caldera volcanoes -The cutting edge of our understanding achieved by various approaches-
  • 国際学会
• [学会発表] Magma sources and variability at Kikai Caldera, SW Japan pre-, syn- and post calderagenic eruptions (2024)
  • 著者名/発表者名: Maria Luisa G. Tejada, Takeshi Hanyu, Takashi Miyazaki, Morihisa Hamada, Qing Chang, Tomoki Sato, Iona McIntosh, Kenta Ueki, Bogdan Vaglarov, Nobukazu Seama, Katsuya Kaneko, Reina Nakaoka, Koji Kiyosugi, Keiko Suzuki-Kamata, Yoshiyuki Tatsumi, Osamu Ishizuka
  • 学会等名: Submarine caldera volcanoes -The cutting edge of our understanding achieved by various approaches-
  • 国際学会
• [学会発表] 角閃石斑晶の微量元素から推定する東伊豆単成火山群カワゴ平火山の流紋岩マグマの成因 (2023)
  • 著者名/発表者名: 上木賢太, 石橋秀巳, 諏訪由起子, 常青, 羽生毅
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2023年大会
• [学会発表] 伊豆大室山の斜長石中の流紋岩質メルト包有物の微量元素組成 (2023)
  • 著者名/発表者名: 野澤僚真, 石橋秀巳, 上木賢太, 常青, 羽生毅, 外西奈津美, 安田敦
  • 学会等名: 火山学会2023年度秋季大会
• [学会発表] 日本列島の地質を構成する各岩相の化学組成分布から見る、データの統計的特徴と区分の妥当性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 原口悟, 岩森光, 上木賢太
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2023年大会
• [備考] Aira caldera database
  • URL: https://doi.org/10.6084/m9.figshare.25211165
• [備考] 姶良カルデラデータベース
  • URL: https://www.jamstec.go.jp/rimg/j/database/aira/
• [備考] SGTPPR
  • URL: https://doi.org/10.5281/zenodo.8323122