It has been widely accepted for many years that the gross morphology of the mid-ocean ridge spreading centers varies with the spreading rate. Over the last decade, several exceptions to the spreading rate dependency have been reported. For example, oceanic core complexes where lower crust and/or upper mantle rocks are exposed along long-lived detachment faults are discovered along many ultraslow to intermediate spreading ridges. Ridges adjacent to hotspots show fast spreading type axial morphology and anomalous thick crust regardless of spreading rate. These observations suggest that the melt supply controls the morphology and structure of oceanic lithosphere. Another exception can be observed in ultraslow spreading ridge where the full spreading rate under 20mm/yr, which has remarkable features that have not been observed in other faster mid-ocean ridge. In the off-axis area of Southwest Indian Ridge (SWIR), the "smooth seafloor" with little or no axial volcanism was found and considered to form at minimal melt supply. On the other hand, large explosive volcanoes sometimes fill the axial valley, indicating focused melt supply. Although the magmatic activity is proportional to the spreading rate in general, so these findings suggest that a spreading rate is not only parameter to control the oceanic crustal formation. Numerical modeling can partly explain the variety of ridge process by changing melt supply rate, which is the rate of dike opening specified by the fraction of plate separation rate. However, the quantitative estimation of actual melt supply based on the field data and the investigation of its influence on the structure and tectonics have not been done so much.

The aim of this thesis is to understand how the variation of melt supply affects ridge structure using geophysical observations (bathymetry, geomagnetism and gravimetric). To tackle this theme, ultraslow spreading ridge is a suitable place because it has been suggested that unusual structure is mainly caused by the variation of melt supply under exceptionally slow spreading environment.

The survey area of this study is an about 300km length ridge portion of SWIR, 35-40°E located between Prince Edward fracture zone and Eric Simpson fracture zone. This segment is fully covered by prominent geoid high anomaly, and the Marion Island, the nearest the hotspot (37・51'E 46・52'S) from the ridge, is now located on 28 Ma crust about 250km south from the SWIR. In addition, low Na8.0 along the axis within the geoid high area has been reported. These facts suggest that the survey area might have been under relatively high melt supply environment in spite of its ultraslow spreading rate and that the area is a natural laboratory to observe the temporal and spatial variation of melt supply and their effect on mid-ocean ridge process.

New swath bathymetry, magnetic data and gravimetric data were acquired in 2008 and 2010 by scientists aboard R/V Hakuho-Maru (KH07-04, Leg2 and KH09-05, Leg4). Basement dredge, seismic survey and electromagnetic survey were also conducted during these cruises. Several long, flow-line parallel geophysical profiles were also acquired during the transit, so the bathymetry and magnetic data were used to estimate long term history of spreading rates. Based on the analysis of newly obtained geophysical data and the integration with model studies and previous datasets, I draw the following conclusions;

1) The survey area consists of three orthogonal spreading subsegments and two oblique spreading subsegments. Orthogonal spreading subsegments might have received more melt than oblique subsegments. Crustal thickness variation derived from gravity, magnetization intensity and seafloor morphology suggest that the melt supply rate is different in each subsegment and varies with time and space. The focused melt supply process has been occurred at least for 7 Myr.

2) The continuity of morphology and magnetic isochrones from western subsegment to oblique subsegment suggest that oblique spreading geometry is not a stable structure at least in the survey area. The current oblique subsegment could be orthogonal spreading segment around 3-4 Ma. Then the place of focused melt supply started to move westward, followed by the formation of oblique subsegment. The westward movement of focused melt upwelling also causes the V-shaped topographic high in off-axis area. Ridge obliquity could suppress the extracting melt to the surface and this effect may encourage the further melt focusing to the adjacent orthogonal subsegments.

3) Long term variation of spreading rate since 80 Ma is revealed by using transit line. The result suggests that the spreading rate has not been constant and the ultraslow spreading in this area might suddenly start at C6Bn.

4) Several observed seafloor morphology and structures resemble to what could be seen at hotspot affected ridges. Axial crustal thickening and axial morphological transition could be seen. A V-shaped topography pointing away from the hotspot is also recognizable but, the shape is irregular and it does not accompany with the elongation of volcanic subsegment. Petrological studies reported that basaltic rocks recovered from oblique subsegment contain more enriched trace elements than the other subsegment. This indicates high melt supply. but the geochemical signature could not be explained simply by mixing N-MORB and Marion hotspot trace element.

5) It is clear that the magmatic fraction derived from tectonic strains that are calculated from seafloor lineaments are different from what is used in the numerical modeling. The former contains lithospheric rheology but the latter does not. So these magmatic fractions cannot compare directly. In addition, seafloor morphology cannot explain the magmatic fraction alone. It is also clear that the axial lithospheric thickness relates fault spacing, under the condition of fixed magmatic fraction.

Seafloor morphological asymmetry at the segment end may be explained by the asymmetry of thermal structure between IC and OC, because the thermal structure can change the fault spacing and heave. But to confirm this explanation, precise measurement of seafloor lineaments is essential.

平成22年8月9日、佐藤太一氏の博士論文Faulting and melt supply at the ultra-slow spreading Southwest Indian ridge 35-40E, based on geophysical mapping and modeling(地球物理観測およびモデリングに基づく南西インド洋海嶺東経35-40度の断層活動とメルト供給量に関する研究)の審査を行った。

本論文は、研究船を用いた地球物理マッピング探査より得られた海底地形・地磁気・重力をもとに、中央海嶺の速度のエンドメンバーである超低速拡大海嶺の形成過程を火成活動と断層運動のバランスに着目して論じたものである。論文は以下の6章から成り立っている。

第一章はイントロダクションである。中央海嶺の海底地形および海洋性地殻構造の多様性は概ね海洋底の拡大速度で決まるとされるが、拡大速度とメルト供給量のバランスが重要であることを提示している。このことは、近年の数値モデリング研究からも示唆されてはいるが、定量的に観測の立場から検証した例はほとんどない。メルト供給量の変化が海洋底拡大に与える影響を明らかにするためには、拡大速度が一定かつメルト供給量が時空間的に大きく変動する場所での研究が重要である。佐藤氏は、超低速拡大海嶺でかつ、メルト供給量が多いと示唆される地域を調査することが適切だということを提案し、研究海域を南西インド洋海嶺海嶺東経35-40度に設定したことを述べている。

第二章では、中央海嶺に関する既存研究のうち、メルト供給量の変化に着目した観測研究、数値モデリング研究を中心としたレビューを行った。特に、超低速拡大海嶺ではセグメンテーション、海底地形、海洋性地殻の構造がより高速の海嶺とはっきりと異なることを挙げ、この差異はメルト供給量の変化に起因する可能性を示している。また、観測研究の対象とした南西インド洋海嶺の地域的な背景についても既存研究に基づく総合的なまとめを行っている。

第三章では、行った解析の方法を詳述している。地形・地磁気・重力のデータ処理については、現在の海底マッピング解析における最高レベルの解析を行っており、また断層の分布と断層運動によって解消される歪みについて定量的な見積もりを行っている。

第四章では、観測で得られた地形・地磁気・重力データの解析結果について詳しい記載を行っている。海底地形の特徴から、研究海域が5つのセグメントに分かれていること、プレート運動方向に直交するセグメントと斜交するセグメントが存在することを示し、各セグメントの構造を詳細に記載した。地磁気データからは、海底の磁化強度分布および海洋底拡大速度を見積もり、セグメント毎に磁化強度分布が異なること、拡大速度は概ね均一でやや拡大非対称があることを明らかにした。重力データからは、残差マントルブーゲー異常を算出し、重力的に海洋性地殻の厚さ変化を見積もり、地殻の厚さが時空間的に変動していることをはっきりと示した。また、海底地形のリニアメントを抽出し、断層の間隔と高さを計測することにより、対象海域のTectonic strainを見積もった。

第五章では解析結果に基づき、以下の点について議論を行っている。まず、地形・地磁気・重力データそれぞれから得られた各セグメントおよび各時代の特徴は整合的であり、研究海域のメルト供給量は空間的には50km, 時間的には200万年程度のスケールで大きく変化していることを論じた。次に、本海域で発見された斜交拡大海嶺は、数百万年前は直交拡大海嶺であったことを示し、斜交拡大が安定した構造でなく一時的な構造であることを指摘した。斜交拡大の安定性に関する既存研究は少なく、これは重要な知見である。斜交拡大系の進化は、メルトの供給の変化が中央海嶺のセグメンテーションを変える可能性があることもあわせて論じられている。さらに、地形観測データから推定したTectonic strainから求めたmagmatic fraction Mと、既存の数値モデリングで用いられているパラメタMの比較をおこない、観測から求めたMと数値モデリングのMとは直接比較できないこと、海底地形・海洋性地殻の構造は拡大速度とMだけでは決まらず、拡大軸下のリソスフェアの構造、特に温度場がFault heaveとspacingにとって重要であることを示した。

第六章では、結果と考察によって得られた結論をまとめている。

本研究は、新しい海底地球物理データに基づき、超低速拡大系のテクトニクスと中央海嶺系におけるマグマ活動とテクトニックな拡大のバランスに関する詳細な検討を行っている。対象とする海域は世界的に注目を集めている場所であり、得られた結果は中央海嶺研究に重要な知見をもたらした。また、メルト供給量を観測的に見積もる研究はこれまでほとんどなく、数値モデリング研究との比較により中央海嶺プロセスの理解がさらに進むと考えられる。

本研究は観測航海の性質上は共同研究者との共同研究となるが、申請者自身が計画立案時から参画し、博士論文に関わる地球物理マッピングデータに関しては計画・観測・解析をほぼ単独で行っている。

従って、博士(理学)の学位を授与できると認める。