スラブ内部の相転移に伴う応力場と深発地震の発生の場との関連性

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本研究では、物性値の空間分布を考慮して、スラブ内の応力場の数値シミュレーションを行った。スラブ構成物質をオリビン(Mg0.89Fe0.11)2SiO4と仮定し、差分(FD)法を用いてスラブ内の温度分布を計算し、各タイムステップごとに物性値の空間分布を反映させた。スラブ内部の応力場に影響を与える要素として、スラブと周囲のマントルの密度差により生じる正・負の浮力、沈み込むスラブの上面・下面に働く剪断力、スラブ先端がマントルから受ける抵抗力、熱応力及び不均質体積変化により生じる応力を考慮し、有限要素法(FEM)を用いて弾性応力解析を行った。正・負の浮力に起因する応力は、α相内のdown.dip tension、γ相内に卓越するdown-dip compression、γ→Pv+Mw相転移境界付近のdown-dip tensionで特徴づけられ、最大剪断応力はオリビン準安定相境界及びγ相内深部に集中し30MPa程度を示した。剪断力に起因する応力場は、α相内では圧縮場が、γ相内ではdown-dip tensionが現れ、最大剪断応力の大きさは、数MPaと非常に小さかった。スラブ先端が受ける抵抗力に起因する応力場では、down-dip compressionが卓越し、最大剪断応力はスラブ先端部で最大値を示した。熱応力及び不均質体積変化により生じる応力は、各相転移境界で応力集中が見られた。深発地震発生数と解析結果のdown-dip方向の応力を比較した結果、正・負の浮力による応力が深発地震のピークと一致し、700km以深では最大剪断応力がゼロに近づき、サイスミシティが見られないことがうまく説明されることにより、考慮した5つの要素の中で最も良い一致を示すことがわかった。また、正・負の応力に起因する応力場とハーバード大学のグループによるCMT解との比較を試み、これについてもスラブと周囲のマントルの密度差による正・負の浮力が地震学的観測データを最もうまく説明する支配的な要素であると結論づけた。