全球マントル減衰の三次元モデル：地震正常モードを用いた研究

学術的背景

地球内部の構造とダイナミクスは、地球科学の研究における核心的な課題の一つです。マントル対流（mantle convection）は、プレート運動、火山噴火、地震などの現象を駆動する主要なメカニズムです。しかし、従来の地震トモグラフィー（seismic tomography）モデルは、主に地震波速度（wave velocity）の変化に依存しており、マントル構造の熱源（thermal origin）と成分源（compositional origin）を区別することが困難です。温度変化と成分変化は、通常、圧縮波とせん断波の速度に同じ比率で影響を与えるため、波速のみに依存するモデルではマントル構造の解釈に限界があります。

マントル対流の進化をさらに理解するために、研究者は地震波の減衰（attenuation）データを組み合わせる必要があります。減衰とは、地震波が地球内部を伝播する過程でのエネルギーの固有の損失を指し、温度、部分溶融、結晶粒径などの物理的特性に敏感ですが、成分変化に対する応答は弱いです。したがって、減衰データはマントル構造の熱源または成分源に対する新しい制約条件を提供することができます。しかし、現在の三次元減衰モデルは主に上部マントル（upper mantle）に集中しており、下部マントル（lower mantle）の減衰研究はまだ限られています。

論文の出典

この論文は、Sujania Talavera-Soza、Laura Cobden、Ulrich H. Faul、Arwen Deussによって共同で執筆され、それぞれUtrecht University、Massachusetts Institute of Technology、Vassar Collegeに所属しています。論文は2024年にNature誌に掲載され、タイトルは《Global 3D model of mantle attenuation using seismic normal modes》です。

研究のプロセスと結果

1. 研究の目的と方法

本研究の目的は、地震正常モード（seismic normal modes）を用いて全球マントルの三次元減衰モデルを構築し、マントル構造の熱源と成分源を明らかにすることです。正常モードは地球全体の振動モードであり、地球内部の大規模な構造変化を捉えることができます。体波（body waves）や表面波（surface waves）とは異なり、正常モードは弾性（elastic）と非弾性（anelastic）構造の変化を同時に測定できるため、従来の方法で生じるエネルギー再分配（例えば、フォーカシングや散乱）による誤差を回避できます。

研究では、二段階の反転法を採用しました： 1. 第一段階：正常モードスペクトル（normal-mode spectra）を反転して分裂関数（splitting functions）を測定します。分裂関数は、地球内部の横方向の不均一性（lateral heterogeneity）による周波数分裂現象を記述します。研究者は104回の大地震のスペクトルデータを測定し、16個の非弾性分裂関数を取得しました。 2. 第二段階：これらの分裂関数を利用して三次元減衰モデルを構築します。研究者は球面調和関数（spherical harmonics）とBスプライン（B-splines）を使用してモデルをパラメータ化し、最終的に上部マントルと下部マントルを含む三次元減衰モデルを得ました。

2. 主な結果

上部マントルの減衰特性

上部マントルでは、高減衰領域と低波速領域が高い相関を示し、これらの領域では熱源が支配的であることが示されました。例えば、中央海嶺（mid-ocean ridges）の下のマントルは、高減衰と低波速の特性を示し、これは以前の研究結果と一致しています。これらの結果は、上部マントルの減衰が主に温度変化によって駆動されていることを示しています。

下部マントルの減衰特性

下部マントルでは、上部マントルとは逆の現象が観察されました：高減衰領域は環太平洋地域（circum-Pacific region）に現れ、これらの地域では地震波速度が高いです。一方、大型低せん断波速度領域（LLSVPs、Large Low Shear Velocity Provinces）は低減衰特性を示しました。実験データとの比較を通じて、研究者は環太平洋地域が比較的冷たく結晶粒径が小さい領域であるのに対し、LLSVPsは比較的熱く結晶粒径が大きい領域であると推測しました。

鉱物物理モデル

これらの観測結果をさらに説明するために、研究者は実験データに基づく粘弾性モデル（viscoelastic model）を使用して計算を行いました。その結果、温度が上昇するか結晶粒径が減少すると、せん断波速度が低下し減衰が増加することが示されました。環太平洋地域の高減衰と高波速の特性は、低温と小さい結晶粒径によって説明でき、LLSVPsの低減衰と低波速の特性は、高温と大きい結晶粒径によって説明できます。

3. 結論と意義

本研究は、全球マントルの三次元減衰モデルを初めて構築し、上部マントルと下部マントルの減衰特性の顕著な違いを明らかにしました。研究結果は、上部マントルの減衰が主に温度変化によって駆動されているのに対し、下部マントルの減衰は温度と結晶粒径の両方の影響を受けることを示しています。これらの発見は、マントル対流の進化を理解するための新しい視点を提供し、特にLLSVPsが長期にわたって安定したマントルの「アンカー」（mantle anchors）としての役割を理解する上で重要です。

4. 研究のハイライト

• 全球三次元減衰モデル：上部マントルと下部マントルを含む全球三次元減衰モデルを初めて構築し、既存の研究の空白を埋めました。
• 正常モードの応用：地震正常モードを使用して減衰を測定し、従来の方法で生じるエネルギー再分配による誤差を回避しました。
• 鉱物物理モデルの結合：実験データと粘弾性モデルを組み合わせ、温度と結晶粒径がマントル減衰に与える影響を明らかにしました。

5. その他の価値ある情報

研究では、LLSVPsの高い粘度と粗い結晶粒径が、地球初期のマグマオーシャン（magma ocean）の結晶化プロセスに関連している可能性も指摘されています。さらに、環太平洋地域の高減衰特性は、沈み込むプレート（subducting slabs）の蓄積に関連している可能性があり、これらのプレートは下部マントルに進入する際に相転移（phase transformation）を経験し、結晶粒径が再調整されることが示唆されています。

まとめ

本研究は、地震正常モードと鉱物物理モデルを組み合わせることで、全球マントル減衰の三次元構造とその物理的メカニズムを明らかにしました。これらの発見は、マントル対流の進化に対する理解を深めるだけでなく、今後の地球ダイナミクス研究の新しい方向性を提供します。