Part I: Origin of arc magmas in the Sengan region, Northeastern Japan

Subduction zone is considered to be a major site of material flux into the mantle and also a major site ofmaterial fractionation of the Earth. Understanding chemical and physical processes in subduction zone is a key toinvestigate dynamics and material/thermal evolution of the Earth. Recently, in addition to subducting slab depthrelated across-arc two-dimensional structure, along-arc periodical melting structure in the mantle wedge and crustwith wavelength of 50 km have been suggested based on geological and geophysical studies, in the northeasternJapan arc.

In this study, three-dimensional thermal and compositional structure of mantle wedge and crust beneath thevolcanic front of northeastern Japan is investigated with analysis of arc magmas at spatial scale equivalent to thatof observed periodical structure. Detailed analyses of volcanic rocks have been carried out in a volcanic clustercalled Sengan region, in the northeastern Japan. The Sengan region is a volcanic region of 30 km-30 km in areaand consists of 45 Quaternary volcanoes, including those aligned on the volcanic front. Basaltic and andesiticvolcanic activities have continued in the last 2 m.y. after the eruption of voluminous Tamagawa welded tuff(dacite to rhyolite) at 2 m.y.

Characteristics of whole rock compositional variations are investigated in each volcano, based onequilibrium analysis between core composition of phenocryst and its host rock, texture and zoning profile ofphenocryst minerals, mass-balance calculations and phase relation analysis. In many volcanoes in Sengan region,it is shown that whole rock compositional trend approximates liquid line of descend from mantle derived magmaand groundmass composition/observed phenocryst assemblages represent shallower H2O saturated crystallizationduring ascent. Fractionation conditions of these volcanoes are estimated with mass-balance calculation andthermodynamic calculation simulating fractional crystallization (Ghiorso and Sack, 1995). On the other hand, insome volcanoes, evidences for magma-mixing between mantle derived basaltic magma and crustal derived felsicmagma are observed. Primary melt compositions of each volcanoes are estimated from analyzed rockcompositions by correcting fractionation or minimizing effect of magma-mixing in each volcano.

To investigate mantle condition, temperature, pressure and H2O content of mantle melting are estimatedfrom observed major element composition of volcanic rocks utilizing thermodynamic model pMELTS (Ghiorso etal., 2002). Melting conditions are searched to minimize the difference between the compositions of partial meltcalculated at a given temperature, pressure, H2O-content and the primary magma estimated from the observedvolcanic rocks. Beneath the Sengan region, melting temperatures are estimated to be 1268 to 1388 degree andmelting depth is estimated to be 1 to 2 GPa. Temperature and pressure of melting show no clear systematics in themantle beneath the region when estimation error is considered. H2O contents show systematics in the volcanicregion. H2O content are estimated to be higher beneath the central part with up to 0.7 wt. % and lower beneath theouter rim with 0.3 to 0.1 wt. %. Trace element compositions also suggest degree of addition of slab derived fluidis higher beneath the central part than the outer rim.

Beneath the central part, the voluminous magma underplated to the crust may induce middle to lowercrustal melting. So, primary magma undergo magma mixing beneath the central part. On the other hand, beneaththe outer rim, Mantle derived low-degree of melting magma ascended to the surface in relatively cool and rigidcrust and underwent olivine dominant fractionation without inducing crustal melting. Based on inferredtemperature, pressure and H2O content and previously reported phase diagram of mantle peridotite, temperatureand H2O content in a mantle wedge beneath the Sengan region is discussed. Gradient of H2O concentration withrange of 0.1 to 0.7 wt. % is necessary for observed along-arc three-dimensional melting structure in the mantlewedge. The H2O content is about 0.7 wt. % beneath the volcanic zone and lowers toward the surrounding nonvolcaniczone.

Part II: Thermodynamic modeling of mantle melting

Partial melting of mantle peridotite is an important process for both material fractionation and cooling ofthe Earth, yet there remain a number of fundamental questions for the actual processes. Thermodynamic modelingis a useful approach to describe the phase relation, mass balance and energy balance of mantle melting. However,there exists number of problems to handle phase relation, mass balance and energy balance of mantle melting withpreviously constructed thermodynamic models. In this study, newly calibrated thermodynamic parameters ofsilicate liquid with revised equations for apparent molar Gibbs energy and new energy minimization calculationalgorism are provided to make better descriptions of energy balance between silicate liquid and minerals duringmantle melting.

In this study, compositional space of SiO2-Al2O3-FeO-Fe3O4-MgO-CaO with mineral assemblage of spinellherzolite (olivine, clino-pyroxene, ortho-pyroxene and spinel) is employed to describe mantle melting. Theequations of silicate liquid have been established with a revised formulation to improve the reproducibility ofapparent molar Gibbs energies of pure liquid at a given temperature and pressure. In revised equation, apparentmolar Gibbs free energies of silicate liquid end-components are anchored to the experimentally well-definedGibbs free energies of solid components. Values of apparent molar Gibbs free energies of silicate liquid endcomponentsare described as difference between Gibbs free energies of corresponding solid components. With theequation, specific heat and compressibility of silicate liquid are newly calibrated in this study. Meltingtemperature and enthalpy of melting is also calibrated if melting temperature of the component has not beendetermined. Parameters are calibrated with previously reported high pressure melting experiment of peridotite andpreviously reported thermodynamic properties of rock forming minerals. New energy minimization algorism isalso developed to make better prediction of phase relation and energy balance for melt-absent and melt-presentsystem. Stable phase assemblage and composition to minimize Gibbs free energy of the system at giventemperature, pressure and whole rock composition are calculated with the new algorism.

Thermodynamic calculation model of mantle melting is established with the revised equation, calibratedparameter and new algorism. Mass-proportion of silicate liquid and residual solid phase and composition ofanhydrous mantle peridotite at given temperature, pressure and whole rock composition are computed with thenewly establishes model. The model predicts relationship between composition of the system, temperature andphase relation, including melting degree well.

本論文は2部構成である。第1部は、東北地方の仙岩地域と呼ばれる、第四紀火山フロント上の火山密集地に分布する火山噴出物の解析から、これらのマグマを生成したマントル及び下部地殻の温度・圧力条件、含水量の3次元分布を明らかにしたものである。第2部はマントル物質、特にspinellehrzoliteの融解に関わる相平衡、質量やエネルギーの収支を求めるための熱力学的モデルの再構築を行ったものである。

第1部では、まず、仙岩地域各火山の噴出物を多数採取し、全岩化学組成、鉱物化学組成を求めた後、各火山におけるマグマの分化トレンドを確立する。この操作において、それぞれの火山における火山岩の全岩化学組成が示すトレンドはマントルの融解で生産された初生マグマの結晶分化トレンドに対応するとみなせると結論する。その上で、結晶分化トレンドを延長し、マントルかんらん石と共存できる組成を示すまで復元作業をおこない、各火山に関しての初生マグマ組成を求める。この手法そのものは目新しいものではないが、斑晶鉱物が結晶分化の際の残存鉱物ではなく、低圧下で結晶化したものであり、全岩化学組成そのものが結晶分化の各過程における液組成を代表するという考え方は新しい。このことを結論づけるために、さまざまな観点から岩石学的検討を行っており、初生マグマの推定が大きく異なることはないと考えられる。このようにして求めた初生マグマと、既存の熱力学モデルであるpMELTSを使用したマントル物質の融解シミュレーションから求まるマグマとの化学組成差が最小となるような温度・圧力条件、融解度、含水量を求めた。このようにして、仙岩地域の中心部で火山噴出物量の最も多い地域ではマントル中の含水量が最も多く0.7%に達し、周辺部では0.3-0.1%にまで減少することを見いだした。また、仙岩地域の下でマントルが融解し、マグマが生産されている部分の圧力は1-2GPaで、融解温度は1268-1388℃であることが求められた。更に仙岩地域中心部の下部地殻ではマントルからの多量のマグマ供給により部分融解していることも結論された。また、このようにして得られたマントル内の含水量分布と地震波低速度域の対応関係があることから、マントルウッジへのスラブからの水の供給量の高い部分が部分融解をともなう低速度層に相当すると結論づけた。

第2部ではマントル融解プロセスの熱力学的モデルの構築を行った。このような熱力学的モデルは過去にも提唱され、多くの支持を受けているモデルがあるが、シリケイトメルトの比熱や圧縮率の取り扱いに問題があり、マントル物質の融解現象を記述する際に、融解度と温度の関係などの点で高圧実験結果を再現することが困難であった。本論文では、マントルシステムをSiO2-Al2O3-FeO-Fe203-MgO-CaOの組成空間におけるspinellehrzoliteに限定し、シリケイトメルトの自由エネルギーの新しい定式化と、パラメータのキャリブレーションを行った。本論文での新機軸の一つはこれまでのモデルではメルトの非理想性パラメータの中に繰り込まれ、明示的に表現されることのなかった比熱、圧縮率に関して高圧実験結果を活用してキャリブレーションを行った点である。この結果、マントルの融解プロセスにおけるメルトの化学組成、温度、相関系、融解度等を既存のいかなる熱力学モデルよりも厳密に、高圧実験結果を再現することが可能になった。

第1部で用いた既存の熱力学的モデルがマントル融解度を求めるためには不十分であることを認識して、第2部で熱力学モデルの構築を目指したものであるが、高圧実験が不十分なH20などの一部成分に関してはパラメータの決定を行っておらず、島弧マグマのシステムに直接適用するには至っていない。このため、2部構成となったものである。このように、1部と2部とはある意味整合性が欠けるが、今後、高圧実験の結果が利用できるようになれば、第2部で開発したモデルを含水システムにも適用できるように高度化することは容易であり、第1部で展開した議論の精緻化ができるはずである。そのための重要な基盤を作り上げたという点で、十分評価に値する。

以上のように、論文提出者はスラブからの水の供給量の違いによるマントルウエッジ内の含水量の3次元的分布が、マグマ生成量の違いを引き起こしている事を示し、島弧の火山テクトニクスおよび火山岩岩石学の発展に寄与する重要な成果をあげるとともに、今後この種の議論を更に精緻化するためのマントル物質の融解に関する熱力学的基本モデルを作り上げた。

なお、本論文第1部は、岩森光との共同研究であるが、論文提出者が主体となって分析及び検討を行ったもので、論文提出者の寄与が十分であると判断する。

したがって、博士(理学)の学位を授与できると認める。