13.海底熱水活動hydrothermal activity

•海底熱水系の紹介 what is hydrothermal activity?•熱水循環の仕組み Outline of hydrothermal circulation•熱水系の果たす役割（ 冷却・物質循環・生態系）Role•熱水循環のメカニズム（物理・規制要因）Mechanism•Field Examples

海洋底ダイナミクス2018冬学期

What is hydrothermal activity

hydrothermal activity

Courtesy of Dr. K. Takai

Indian Ocean : Kairei Hydrothermal Field : max 400°C

ブラックスモーカーとチムニー黒煙の正体は沈殿した硫化物

噴出温度は300-400℃、速度は約1m/s

えびに囲まれたブラックスモーカー（大西洋中央海嶺TAG熱水マウンド）

Known site of hydrothermal venting (2015)

S. Beaulieu, K. Joyce, J. Cook, and S.A. Soule, Woods Hole Oceanographic Institution, 2015; funding from Woods Hole Oceanographic Institution, U.S.

National Science Foundation #1202977, and InterRidge.

InterRidge Vents Database Ver. 3.4 https://vents-data.interridge.org/maps

海嶺の構造

熱水循環の仕組み -1

• 海底に噴出したマグマが急冷されて溶岩となる。

• その際、溶岩には無数のクラックが生じる。

• そこに海水が浸入する。

熱水循環の仕組み -2

• 溶岩の割れ目を通じて、海水が浸入する。

• 海水は高温になり、浮力が生じて上昇し、海底に噴出する。

熱水循環の仕組み -3

• 高温の海水は、周囲の岩石と反応して金属を溶かし込む。

• 上昇する熱水は、地中や海底において海水（２℃〜４℃）と混合して急冷される

• 熱水中の金属などが地中や海底に沈殿する（熱水鉱床）

event plumes @ northern Lau spreading center

(VENTS program,http://www.pmel.noaa.gov/vents/PlumeStudies/ne-lau/index.html )

熱水循環の時空スケール・滞留時間

3D hydrothermal circulation for the fast-spreading ridge (Hasenclever et

al., 2014 Nature)

熱水循環の時空スケールは、熱源の大きさと系の熱・水理特性に依存する。

熱水噴出域のごく近傍からの吸い込みは無視できないべきで、そのような状況下で近距離循環（～短い時定数）と遠距離循環（～長い時定数）の比率を推定したい。

また、熱水の滞留時間を知ることは、化学的に推定された熱水の起源を説明したり、溶解・沈殿作用の度合いを推定するために重要である。

熱水系の果たす役割

• 地球を冷やす

• マグマの冷却と固化を熱水循環によって促進

• 海嶺軸付近では、熱水循環によって運ばれる熱が全体の3/4

• 海洋地殻全体の放熱量のうち，1/3が熱水循環による

• 海洋と固体地球の間の物質のやりとり

• 海水中の元素（Mg, Pなど）を固体地球へ、岩石中の元素（Mn, Feなど）を熱水プルームを通じて海洋へ

• 特異な生態系を維持

• 熱水の含む物質と熱水循環の生み出す温度場が、光合成に頼らない「地球を食う」生態系を支える

(Stein and Stein, 1996)

conductive cooling (theoretical)convection

“Long-standing mysteries” 1/2 (Tivey, M., Oceanus, 42, 2004)

• When scientists in Alvin discovered the first active hydrothermal system in 1977 at the Galápagos Rift, they found warm fluids, later determined to be a blend of cold seawater and hot vent fluids, seeping from seafloor crust. Never-before-seen organisms were present at the vents, including large clams and tall, red-tipped tubeworms.

• In 1979, a second active hydrothermal system was discovered along the East Pacific Rise. At that site, much hotter fluids (350°C) jetted from tall rock formations composed of calcium sulfate (anhydrite) and metal sulfides. When the clear hot fluid jetting from these chimney-like structures mixed with cold seawater, fine particles of dark metal sulfides precipitated out of solution, creating the appearance of black “smoke” (hence the name “black smoker chimneys.”)

“Long-standing mysteries” 2/2 (Tivey, M., Oceanus, 42, 2004)

• The discovery of these vent systems immediately answered a question long posed by geophysicists: How is heat transferred from Earth’s interior to the oceans? Earlier studies had shown that, contrary to model predictions, not as much heat was being transferred by conduction (particle-to-particle transfer) near the ridge crests.

• Scientists hypothesized that heat was also transferred by convection, as fluid circulated within the crust near mid-ocean ridges. Sure enough, cold seawater is entering cracks and conduits within seafloor crust. It is being heated by underlying rocks and rising and venting at the seafloor, carrying significant amounts of heat from Earth to ocean.

熱水系の果たす役割

• 地球を冷やす

• マグマの冷却と固化を熱水循環によって促進

• 海嶺軸付近では、熱水循環によって運ばれる熱が全体の3/4

• 海洋地殻全体の放熱量のうち，1/3が熱水循環による

• 海洋と固体地球の間の物質のやりとり

• 海水中の元素（Mg, Pなど）を固体地球へ、岩石中の元素（Mn, Feなど）を熱水プルームを通じて海洋へ

• 特異な生態系を維持

• 熱水の含む物質と熱水循環の生み出す温度場が、光合成に頼らない「地球を食う」生態系を支える

(Tivey, 2007, Oceanography)

Contribution to global mass flux

hydr

othe

rmal

fluvial

hydrotheramal dominant

熱水系の果たす役割

• 地球を冷やす

• マグマの冷却と固化を熱水循環によって促進

• 海嶺軸付近では、熱水循環によって運ばれる熱が全体の3/4

• 海洋地殻全体の放熱量のうち，1/3が熱水循環による

• 海洋と固体地球の間の物質のやりとり

• 海水中の元素（Mg, Pなど）を固体地球へ、岩石中の元素（Mn, Feなど）を熱水プルームを通じて海洋へ

• 特異な生態系を維持

• 熱水の含む物質と熱水循環の生み出す温度場が、光合成に頼らない「地球を食う」＝化学合成生態系を支える

TAG hydrothermal field, Mid-Atlantic Ridge

生態系を育む：地球を食べるものたち

電子供与体 電子受容体e-酸化還元電位低 酸化還元電位高

H2SH2

NO2-

SO32-

Fe2+

O2

NO3-

CO2

ATPの合成

* 光合成のように外部エネルギーを必要としない

hydrothermal deposits 堆積性熱水鉱床：資源を産する

磁硫鉄鉱硬石膏

黄銅鉱閃亜鉛鉱硫黄

黄鉄鉱

非晶質シリカ重晶石、黄鉄鉱

閃亜鉛鉱黄銅鉱黄鉄鉱鉄マンガン水酸化物

(Haymon and Kastner, 1981)

metal sulfide ores 金属硫化物鉱体

黄鉄鉱 pyrite FeS2 閃亜鉛鉱 sphalerite (Zn, Fe)S 硬石膏 anhydrite CaSO4

黄銅鉱 pyrite CuFeS2 磁硫鉄鉱 pyrrhotite Fe1-xS重晶石 barite BaSO4

写真はWikiから

black smoker chimneys

(Tivey, 2007, Oceanography)

(Tivey, M., Oceanus, 42, 2004)

Black smoker and clear (white) smoker

(Indian Ridge：JAMSTEC)

• 270-403°C

• mature hydrothermal system• heavy metals etc. are dispersed by plume

• 150-290°C

• young system and/or sedimented ridges• hydrothermal ore deposits (Au, Ag, Zn, Cu, Sn)

熱水循環はなぜ起こるか

• 間隙のある堆積物のブロックを考える。

• これを水中においても、そのままでは何も起こらない。これは固体流体ともに力がバランスしているためである。つまり動く理由がない。これを動かすためには、何らかの力を与えて、バランスをくずす必要がある。

熱水循環がなぜ起こるか(2)

• 熱水の流動しやすさは、レーリー数Raが決める。

• Raは温度差、透水率、粘性、などの関数で、これがある臨界値を越えると、対流が発生する。

• 熱水地帯では、下部にあるマグマなどの熱源により海水が地殻内部で加熱されて浮力により軽くなり、上昇する。

• 間隙水の流動の挙動を実際に決定するのは、経験的に決められた法則（ダルシー則）である。

• また全体の熱構造を決めるのは、対流の効果を考えたエネルギー保存則による。

堆積物中の間隙水の対流が発生するための条件

• ρf= 流体の密度• g = 重力加速度• k = 透水率（浸透率）• β = 体膨張係数• ΔT = 温度差• μ = 粘性係数 Pa・s• κm = 熱拡散率• h = 代表長さ

Ra>Ra,crであると対流が発達Ra,crは対流の波長に依存するが，ある波長の時に最小値になるその時の波長λ=2b，その時のRacr=4π2~40

流体の流れを規定する：ダルシー則と浮力Controlling the flow: Darcy’s law & Buoyancy

• 一定の間隙を持った物質に圧力勾配がかかるとき、その媒質の透水率と流体の粘性率に応じて間隙中の流体が移動する。その速度を規定する法則

• 垂直方向には重力がかかるため、これとつりあっている分を除いた圧力等の異常により水が流れる

• この密度の部分が温度依存性（熱膨張）をもつため、浮力となって熱水循環に寄与する

熱水循環の保存則

• 質量保存（連続の式） Conservation of Mass (incompressible fluid):• 熱膨張による体積変化が小さいとして，それを無視する（Boussinesq

approximation)

• 熱エネルギー保存 Conservation of Energy• 流体の移動が「じわじわ」と起こっている場合には、流体の温度は周囲の固体とほぼ熱平衡を保っている。それでも，流体が移動していくので、純粋に熱伝導の場合よりも熱輸送の効率が良くなる

まとめ：熱水循環を解く方程式群Series of Equation for hydrothermal circulation

• Conservation of Mass (incompressible fluid):

• Conservation of Energy

• Darcy’s Law

• Buoyancy

𝜌 𝑐 𝜕𝑇𝜕𝑡 + 𝜌 𝑐 𝒖 ⋅ 𝛻𝑇 = 𝛻 𝜆 𝛻𝑇 + 𝐴,𝜌 𝑐 : 𝐻𝑒𝑎𝑡 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑦 𝑜𝑓 𝑡ℎ𝑒 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎,𝜌 𝑐 : 𝐻𝑒𝑎𝑡 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑦 𝑜𝑓 𝑡ℎ𝑒 𝑝𝑜𝑟𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑

𝛻 · 𝒖 = 0 uρm ,cpm

ρf ,cpf

𝒖 = − 𝑘𝜇 𝛻𝑝, 𝒖: 𝐷𝑎𝑟𝑐𝑦 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡𝑦 𝑚 𝑚 · 𝑠 , 𝑘: 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑒𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑡𝑦 𝑚 , 𝜇(𝑇): 𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑡𝑦 𝑃𝑎 · 𝑠 , 𝑝: 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑖𝑟𝑒 (𝑃𝑎)𝛻𝑝 = 𝜕𝑝𝜕𝑥 , 𝜕𝜕𝑧 𝑝 − 𝜌 𝑔𝑧𝜌 = 𝜌 1 − 𝛽 𝑇 − 𝑇𝜌 : 𝐹𝑙𝑢𝑖𝑑 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑦 𝑎𝑡 𝑇 = 𝑇 , 𝛽 𝑇 : 𝑇ℎ𝑒𝑟𝑚𝑎𝑙 𝑒𝑥𝑝𝑎𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡

解き方

T

p u

ρfμ

T 𝛻 · 𝒖 = 0𝜌 𝑐 𝜕𝑇𝜕𝑡 + 𝜌 𝑐 𝒖 ⋅ 𝛻𝑇 = 𝛻 𝜆 𝛻𝑇 + 𝐴

𝒖 = − 𝑘𝜇 𝛻𝑝𝜕𝑢𝜕𝑧 − 𝜕𝑣𝜕𝑥 = − 𝑘𝑔𝜌𝜇 𝜕𝑇𝜕𝑥

𝜌 = 𝜌 1 − 𝛽 𝑇 − 𝑇

Permeability

Permeability inferred from borehole experiments and numerical study

(Fisher, Davis and Becker, 2008 JGR)

(Spinelli et al., 2004)

堆積物は最上部(数十メートル）以深は流れにくい

Permeability near ridges

Permeability inferred from borehole experiments and numerical study

(Fisher, Davis and Becker, 2008 JGR) (Fisher, 2000 Nature)

基盤・堆積層・海山Oceanic crust / Sediment / Seamount

(A) Buried basement highs can cause conductive refraction, increasing heat flow through overlying sediments.

(B) Recharge of cold bottom water into the seafloor lowers heat flow in nearby areas, with heat flow rising as fluids in the underlying aquiferflow laterally, mix vertically, and are heated.

(C) Outcrop-to-outcrop circulation lowers seafloor heat flow immediately adjacent to areas of local recharge, and raises seafloor heat flow immediately adjacent to areas of hydrothermal discharge.

Fisher and Harris, 2010; Geofluids

Hydrothermal recharge and discharge across 50 km guided by seamounts on a young ridge flank (Fisher et al., 2003 Nature)

• 堆積物に覆われた海嶺軸近くの海山：海水の吸い込み口・熱水排出口 の両方になりうる．

基盤・堆積層・海山Oceanic crust / Sediment / Seamount

Fisher and Harris, 2010; Geofluids

熱水の滞留時間

噴出する熱水のほとんどは、そのごく近傍から吸い込まれる海水が、そのまま循環しているようである。そのresidence timeは100-1000年のオーダーであるが、一方で「外部」（1.5km離れた場所）から供給される海水は30,000年経過してもまだ熱水域に到達しない。計算は予察的ではあるが、長寿命の流体を存在させるのはかなり困難である。

熱水系を規制するものは何か

熱源

母岩

循環経路

マグマ、地下深部、潜熱

玄武岩、超苦鉄質岩、堆積物

断層分布、堆積層

地質・地球物理学的背景が熱水系の多様性を生み出している

熱水活動は火成活動に規制されているのか？

両側拡大速度[mm/yr]

熱水

サイ

ト数

/100

km

両側拡大速度[mm/yr]

熱水

サイ

ト数

/100

0km

3 M

yr

Baker(2004)y=0.98+0.015x Global Trend

マグマ生産量が少ない割に低速系では熱水活動がさかん

構造運動の卓越する拡大系での熱水系の発見

Escartin et al.(2008)

玄武岩マグマ以外の熱源•ガブロ貫入岩の冷却•上部マントルの冷却

断層増加による浸透率の変化蛇紋岩化

海嶺軸の中心部

• Neo Volcanic Zone: 最も新しい火山活動の場

• マグマ活動に主に規制される熱水活動

• 比較的小規模短命

テクトニックセッティングの例 その１

Haymon and White (2004)

Ferrini et al.(2007)White et al.(2006)

• lava flowを伴う中軸fissure内• 高温小規模熱水噴出孔

Tivey(2007)

East Pacific Rise 9°N

segment cente

segment end

segment end

中軸谷壁~オフアクシス

テクトニックセッティングの例 その２

中軸谷内で断層崖に沿って

NTO(non-transform offset)

断裂帯に沿ったオフアクシス域

deMartin et al.(2007)

• マグマ活動の中心から離れた軸谷の縁• 巨大・長寿命（間欠的か）• 高温熱水• 大規模正断層の存在

courtesy of Dr. R. Sohn

Mid-Atlantic Ridge : TAG

Mid-Atlantic Ridge Rainbow

• Segment境界にある高まりの西斜面

• 蛇紋岩が母岩（高まりの頂部は古い玄武岩の報告あり）

• 高温熱水あり、1.2万年前〜

Eúlalia et al.(2000)

Szitkar et al.(2014)

Mid-Atlantic Ridge Lost City

• Off-axis (断裂帯沿）• 蛇紋岩が母岩• 低温(~90°C)

Kelley et al.(2005)

McCaig et al.(2007)

すべては繋がっている

生態系

熱水

母岩の化学組成、地殻構造

テクトニクス

海嶺の進化