固体地球物理学概論 (2024年前学期) 第13回

プレート沈み込み帯のダイナミクス (沈み込むプレート・マントル対流の層構造)

マントル対流の層構造?

プレート沈み込み帯で起こる地震の分布

深発地震の震源の分布と、プレートの沈み込みが対応している。「和達-ベニオフ帯」
深発地震が発生するのは上部マントル内のみで、下部マントルでは発生しない。
深さ 700 km 付近での深発地震の起こり方から、プレートは沈み込みを妨げる力を受けているように見える

ということは、

プレートは下部マントルに沈み込んでいない??
マントル対流は上部マントルと下部マントルの上下2層に分かれている?

最近の地震波トモグラフィーで、スラブ (沈み込んだプレート) はどうみえる?

太平洋スラブは深さ 660 km (上部マントルと下部マントルの境界) 周辺で「横たわっている」ように見える
「停滞スラブ」または「スタグナントスラブ」
ただし全てのスラブがそうなる訳でもない

では、深さ 660 km の位置でスラブに何が起こっているのだろうか?

マントル物質の相転移

第10回および第11回も復習しておくとよい。

マントル遷移層上面に相当する相転移

かんらん石の成分の1つである Mg₂SiO₄ は、マントル遷移層に相当する温度・圧力条件下で、次のような相転移を起こすことが知られている。

Ol (オリビン; かんらん石) ↔ Wd (ウォズレアイト) ↔ Rw (リングウッダイト)

相転移に伴う密度の増加は
- Ol ↔ Wd で約 8 %
- Wd ↔ Rw で約 2 %
特に Ol ↔ Wd 相転移は、遷移層上面に対応づけられている。

マントル遷移層下面に相当する相転移

かんらん石の成分の1つである Mg₂SiO₄ は深さ約 660 km 付近の温度・圧力条件下で、次のような分解相転移を起こすことが知られている。

Mg₂SiO₄ (リングウッダイト) ↔ MgSiO₃ (ブリッジマナイト) + MgO (ペリクレース)

相転移に伴う密度の増加は約 10 %
この相転移は、遷移層下面に対応づけられている。

マントル物質の相転移とマントル対流

単純な熱対流であれば

周囲より 冷たい ところは重いので沈む
周囲より 温かい ところは軽いので浮く

で OK なのだが、相転移がある場合には話はより複雑になりえる。特に、温度の違いによって相転移の起こる場所・深さが変わる場合が重要。

相転移の「クラペイロン勾配」とは?

右図のように高圧相と低圧相の相境界線を描いたとき、この傾きの逆数 \(\dfrac{dP}{dT}\) を一般に「クラペイロン勾配」と呼ぶ。これは相転移の起こる圧力が温度によってどう変わるか? を表わす指標であり、地球科学の多くの場面では MPa/K という単位で与えられる。また相転移の熱力学 (詳しくは後期の「固体地球物理学」で) によると \begin{equation} \dfrac{dP}{dT}=\dfrac{低圧相と高圧相のエントロピーの差}{低圧相と高圧相の体積の差} \tag{9.24} \end{equation} という関係がある。なおこの関係は「クラウジウス-クラペイロンの式」と呼ばれる。