固体地球惑星科学概論 2018

1. 固体地球惑星の構造 2. プレートテクトニクスの基礎概念 3. プレート運動とマントル対流 4. プレート運動論とプレートモデル 5. プレート境界過程 6. 海洋地殻の形成 7. 大陸地殻の形成

8. 固体地球内部の物質循環

9. コアの運動と地磁気

10.過去のプレート運動と造山運動

11.固体地球の進化

12.初期地球史

13.地球型惑星の形成

14.期末試験

1

プレート境界過程• プレート境界のタイプとプレート運動との関係を復習する

• 実際のプレート境界はどのような構造をしているか？

• それぞれのタイプのプレート境界では、どのような地質現象が観察できるか？

2

プレート境界

|v|=|w|・sinΔ・R

収束型 convergent boundary

発散型 divergent boundary

すれ違い型 strike-slip boundary

オイラー極　Euler Pole

先週の復習

3

グローバルプレートモデル

4

主なプレート境界のタイプ

発散境界 収束境界 すれ違い境界5

プレート境界の３類型

収束型 convergent boundary

発散型 divergent boundary

すれ違い型 strike-slip boundary

島弧・海溝系

大陸間山系中央海嶺系

リフト系断裂帯

トランスフォーム断層系(Understanding Earth, Sliver&Jordan 2003)

6

プレート境界の３類型

収束型 convergent boundary

発散型 divergent boundary

すれ違い型 strike-slip boundary

島弧・海溝系

大陸間山系中央海嶺系

リフト系断裂帯

トランスフォーム断層系(Understanding Earth, Sliver&Jordan 2003)

7

(Understanding Earth, Sliver&Jordan 2003)

中央海嶺系　　Mid-Ocean Ridge

リフト系　　Rift

大西洋中央海嶺

東アフリカ地溝

発散型境界の2類型

8

(Faulting and Magmatism at Mid-Ocean Ridges, Ed. Back et al., 1998)

中央海嶺系：東太平洋海膨

9

http://www.sciencehub4kids.com/east-african-rift-valley-lesson-for-kids/

(USGS)

リフト系：東アフリカ地溝

10

(Muller et al., 2008)

東太平洋海膨

最大150mm/yr

大西洋中央海嶺

20~40mm/yr

南西インド洋

15mm/yr

海底年代と海底拡大速度

11

海嶺を横切る地形断面とプレート運動速度

水深

[m]

中央海嶺からの距離[km]

大西洋中央海嶺北部

(ユーラシアー北米プレート）

22[mm/yr]

太平洋南極海嶺

(太平洋-南極プレート）

87[mm/yr]

東太平洋海膨

(太平洋-ナスカプレート）

143[mm/yr]

12

プレート境界の３類型

収束型 convergent boundary

発散型 divergent boundary

すれ違い型 strike-slip boundary

島弧・海溝系

大陸間山系中央海嶺系

リフト系断裂帯

トランスフォーム断層系(Understanding Earth, Sliver&Jordan 2003)

13

トランスフォーム断層

(Wilson, 1965)

(Skinner, Dynamic Earth, 2004)

• 発散境界もしくは収束境界をつなぐ• 一般的な「横ずれ断層」とは断層運動のセンスが一見逆

14

トランスフォーム断層のさまざまなタイプ

海溝どうし, 海溝と海嶺を繋ぐ• ＝長さは変化する

中央海嶺どうしを繋ぐ＝長さは不変

(Wilson, 1965)

(Skinner, Dynamic Earth, 2004)

15

トランスフォーム断層と断裂帯

海嶺

トランスフォーム断層

断裂帯

海嶺

断裂帯

断裂帯 fracture zone

16

陸上で見られるトランスフォーム境界

サンアンドレアス断層

(Understanding Earth, Sliver&Jordan 2003)

(Pinet, Invitation to Oceanography 3rd Ed., 2006)

17

(Understanding Earth, Sliver&Jordan 2003)

沈み込み帯　Subduction zone 島弧ー海溝系　arc-trench system

衝突帯　Collision zone

North America Plate

収束型境界の2類型

18

衝突帯：ヒマラヤ山系

19

(Okino)

南海トラフ伊豆・小笠原海溝

日本海溝（佐々木、2004）

沈み込み帯：日本周辺

20

140˚ 145˚35˚

40˚

海溝を横切る地形断面とプレート年代/運動速度日本海溝

太平洋プレート 130-140Ma 　

97 [mm/yr]

南海トラフ フィリピン海プレート 15-25Ma　 70 [mm/yr]

21

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(Peacock, 2003)

沈み込み帯の熱構造

22

試算：古いプレートは沈み込みを続行できるか？

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" = "0 # (1$ k(T $T0))

T0 = 0[°C]

"0 = 2700[kg /m3]

Ta =1300[°C]

"a = 3300[kg /m3]

k = 3.3*10$5

T3.5 =1300* 3.5 /90 = 50.6[°C]

"3.5 = 2700 # (1$ 3.3*10$5 * (50.6 $ 0)) = 2695[kg /m3]

T48.5 =1300* 48.5 /90 = 701[°C]

"48.5 = 3300 # (1$ 3.3*10$5 * (701$1300)) = 3365[kg /m3]

"plate = ("3.5 * 7 + "48.5 *83) /90 = 3313[kg /m3] > "

左のような古い海洋プレート構造を考える一般に密度変化は熱膨張係数と温度変化から

地殻では表面を基準として

マントルリソスフェアでは底面がアセノスフェア上面温度として

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T0 = 0[°C]

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k = 3.3*10$5

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"3.5 = 2700 # (1$ 3.3*10$5 * (50.6 $ 0)) = 2695[kg /m3]

T48.5 =1300* 48.5 /90 = 701[°C]

"48.5 = 3300 # (1$ 3.3*10$5 * (701$1300)) = 3365[kg /m3]

"plate = ("3.5 * 7 + "48.5 *83) /90 = 3313[kg /m3] > "

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地殻とマントルリソスフェアの平均温度と密度は

プレート全体の平均密度は

α

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23

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島弧海溝系　arc-trench system

海溝島弧 (火山弧）

背弧 backarc

前弧 forearc

Slab スラブ

( An introduction to our dynamic planet, Rogers ed., 2008)

overriding platesubducted plate down going plate

周縁隆起帯　 アウターライズ outer rise

24

背弧海盆

backarc basin

• 背弧伸長場

• 小規模な海底拡大系

• 寿命は10-20my

• 西太平洋に集中

25

チリ型

マリアナ型

(based on Uyeda and Kanamori, 1979)

Uyeda ＆Kanamoriによる沈み込み帯の類型化

26

沈み込むスラブの行方

(Fukao et al., 2001)

670km440km

全球地震波トモグラフィー27

プレート境界過程• プレート境界のタイプとプレート運動との関係を理解する

• 実際のプレート境界はどのような構造をしているか？

• それぞれのタイプのプレート境界では、どのような地質現象が観察できるか？

28

火成活動：中央海嶺

現在マグマが噴出しているところ

sheet flow

axial valley 中軸谷(低速拡大系だけ）

中央インド洋海嶺　KH06-4

[Pictures from Columbia Univ.]

詳しいことは第6回講義• 減圧融解によるメルトの形成

29

火成活動:島弧 詳しいことは第6回講義

(Understanding Earth, Sliver&Jordan 2003)

太平洋プレート

フィリピン海プレート • 沈み込むスラブから水がウェッジに供給される

• 水を含んだマントルのソリダスは下がる

30

プレート境界の地震活動

(Understanding Earth, Sliver&Jordan 2003)

31

応力場と断層地震と断層に関する基礎の復習

(Understanding Earth, Sliver&Jordan 2003)

正断層 ＝張力場

逆断層 ＝圧縮場

横ずれ断層

32

地震のメカニズム解3次元空間で初動分布をプロット

押し波は黒丸、引き波は白丸

下半球に投影(上から覗いたと考えればよい）

(Lowrie, Fundamental of Geophysics 2nd ed., 2007)

地震と断層に関する基礎の復習

33

メカニズム解と断層の種類 ビーチボールを読む

(Lowrie, Fundamental of Geophysics 2nd ed., 2007)

正断層型

逆断層型

横ずれ断層型

地震と断層に関する基礎の復習

34

−22˚ −20˚ −18˚ −16˚ −14˚−2˚

0˚

2˚

ロマンシュトランスフォーム断層 MAR

発散境界

• 浅い

• 比較的小規模

• 単純な正断層型

震源メカニズムとテクトニクスすれ違い境界

• マントル最上部もあり

• strike-slip型

• 断裂帯では起こらない

35

収束境界：内陸側

• 圧縮場が卓越するがメカニズムは多様

• 構造不均質に依存

収束境界：プレート境界

• 逆断層型

• 巨大地震があり得る収束境界：スラブ内

• 応力方向がスラブに平行

• 水の関与

• 相転移の関与

収束境界：海側

• プレートベンディングに起因

• 浅いものは正断層型

36