2018 Fiscal Year Annual Research Report
プレート収束境界における岩石組織形成と流体発生プロセスの解明
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17H02981
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
岡本 敦 東北大学, 環境科学研究科, 准教授 (40422092)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
宇野 正起 東北大学, 環境科学研究科, 助教 (50748150)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 岩石組織 / 流体 / 変成作用 / 蛇紋岩化作用 / 機械学習 / 水熱実験 / 脱水反応 / フィードバック |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年の地球物理学的観測により、沈み込み帯や地殻における静的な流体の分布は明らかにされつつある。しかし、実際に岩石と流体が関与する脱水反応、加水反応のプロセスとそれに伴うダイナミックな流体圧の変化などは未だによくわかっていない。本課題では、天然の岩石（変成岩、蛇紋岩）と人工的に作成した岩石の組織を定量的に解析し、機械学習技術を使ってフォーワードモデルと結びつけることで反応プロセスの抽出と支配パラメータの推定にチャレンジしている。本年度は、岩石―水相互作用の実験により、玄武岩の熱水変質過程が流通する溶液の化学組成によって、反応経路が時間空間的に変化すること、また、それにより、特徴的なざくろ石の形成、斜長石の空隙、緑泥石の全体的な置換など特徴的な組織を示すことを明らかにした。また、よりシンプルな系であるかんらん岩のシリカ交代作用の実験では、交換モンテカルロ法と交差検証という機械学習の手法を使って複雑な反応系のカイネティックパラメータの推定と反応表面のモデル選択を行うことに成功した。沈み込み帯のマントルウェッジ条件での蛇紋岩の脱水分解実験では、細粒の２次かんらん石が脈状に形成することを示し、流体流動と鉱物析出の強い関係性が示唆された。一方、モンゴルのオフィオライトのかんらん岩では、多段階の蛇紋岩化作用、交代作用の中で、直方輝石を置き換えてかんらん石が生成する組織を初めて見出した。また、三波川帯、モンゴルの高圧変成岩のざくろ石のX線CTによる結晶サイズ分布の解析を進めており、今後、核形成―成長プロセスについてのフォーワードモデルの逆解析を行う中で、流体の発生・移動現象を明らかにしていく。また、脱水反応。加水反応は大きな体積変化を引き起こし、特徴的な亀裂が発生する。このような破壊―流体流動現象についてのモデリングと逆解析を進めている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は、玄武岩の水熱反応実験、蛇紋岩の脱水実験、様々な変成岩組織データの収集、および流体流動と反応組織形成についてのモデリングを進めた。
水熱反応実験では、流通式超臨界水熱反応装置を用いて、玄武岩－水系実験と比較するため、玄武岩－塩水、玄武岩－人工海水系の実験を行った。どの系においても、初期には火山ガラスの溶解によるSi濃度の増加が観察された一方、異なった生成物ができることを明らかにした。玄武岩―水の系では、Caザクロ石と灰長石が生成し、曹長石成分が溶脱したポアが形成された。一方で、海水の実験では、無水石膏が析出し、さらに、海水中のMg成分が玄武岩と反応して、全体的に緑泥石が生成した。このような異なった反応経路を岩石学的、溶液化学的アプローチで解析を進めている。また、かんらん岩のシリカ交代作用の実験をモデル化し、強力な機械学習の方法である交換モンテカルロ法と交差検証を用いることで、複雑な反応系のカイネティクスの逆解析とモデル選択を行い、その手法についてはすでに論文化している。
蛇紋岩の脱水実験を昨年度よりも高温で行い、実験物の前後で同じ場所をSEM-EBSDによる詳細な解析を行った。その結果、ブルース石脈における細粒のかんらん石粒子が核形成と、そこから派生したかんらん石脈が観察された。このような脈は、マントルウェッジ条件での流体発生―移動プロセスの直接的な流路になり得る。
天然の変成岩研究では、モンゴルのオフィオライトの2次かんらん石が特徴的な流体の流入に伴い直方輝石から生成したことを示した。さらに、モンゴルのチャンドマン地域のエクロジャイトと三波川変成帯の様々な岩石（泥質片岩、塩基性片岩、エクロジャイト）について、X線CTを取得し、結晶サイズ分布を取得し、また、その結晶サイズ分布をつくるフォーワードモデルを作成中である。
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| Strategy for Future Research Activity |
天然の変成岩、蛇紋岩と人工的に作成した岩石組織の解析を、主に粒子サイズ分布に着目して進める。天然の岩石では、三波川変成帯とモンゴルのチャンドマンエクロジャイトのざくろ石の解析を進める。その上で、天然と実験的に作成された２次カンラン石、また、水熱実験で作られたざくろ石やマグネタイトについても解析を試みる。解析としては、まず、核形成、結晶成長、またオストワルド成長を考えた結晶サイズ分布をつくるフォーワードモデルをつくる。結晶成長がサイズに依存するものとしないもの、また、空間分布まで考慮するモデルなど複数のモデルが提唱されているが、はじめからどれかにしぼるのではなく、できるだけ多くのモデルをつくる。その上で、機械学習の技術を使って逆解析とモデル選択を行う。現時点では、すでに、蛇紋石の交代作用で試みた交換モンテカルロ法と交差検証を組み合わせた方法か、近似ベイズ計算を用いるものを検討する。
さらに、流体流動と岩石反応との関係には必要不可欠な、脱水反応および加水反応に伴う亀裂や間隙の形成過程についての解析とモデリングを行う。対象としては、海洋底のかんらん岩とはんれい岩の加水反応、地殻の超臨界条件での岩石―水相互作用、沈み込み帯での脱水花穂反応などである。これらの反応に伴って形成する亀裂ネットワークを定量的に評価する方法を確立するとともに、反応過程を明らかにしながら、破壊―流体流動―反応のフィードバック過程について、離散要素法を用いたモデリングを行う。天然とモデリングのパターンを機械学習を用いて結びつけることで、天然岩石からの情報抽出を試みる。
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[Presentation] Hydrothermal Alteration of the Crust-Mantle Transition and Upper Mantle in the Samail Ophiolite: Insights from Holes CM1A and CM2B of the Oman Drilling Project2018
Author(s)
Gretchen L. Fruh-Green, Marta Grabowska, Ryosuke Oyanagi, Kosuke Kimura, Frieder Klein, Atsushi Okamoto, Tomoaki Morishita, Nehal Warsi, Akihiro Tamura, Damon A. H. Teagle, Eichi Takazawa, Jude Ann Coogan, Peter B. Kelemen, Jurg M. Matter and the OmanDP Phase 2 Science Party
Organizer
American Geophysics Union Fall Meeting Abstracts. 2018
Int'l Joint Research
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