マントルの融解過程のシミュレーションの現状と課題  [in Japanese] Simulation of mantle melting processes : a review  [in Japanese]

マントルにおける溶融とメルトの分離は, メルト-固相の物理的・化学的な相互作用を含む一連の動的な過程であると考えられている。メルトの分離過程は溶融しつつある系の化学的および熱的進化に大きな影響を及ぼす。固相の結晶粒界に沿っての浸透流が卓越するときは化学的および熱的な局所平衡は成立しやすいが, まばらに分布(>10 cm)するチャンネル(浸透流中の極在化した流れや割れ目)を通してメルトが輸送されるときには, 熱的な局所平衡は成立するが, 固相中の元素拡散が遅いため化学的な局所平衡は達成されない。生成されたメルトが瞬間的にチャンネルに入り化学的に系から隔絶されると分別溶融が起こる。一方, 浸透流として輸送される場合には1次元定常状態では微量元素組成はバッチ溶融の式で表される。これらのモデル予測結果と深海底のカンラン岩の微量および玄武岩の同位体組成からは, 海嶺下では割れ目のようなまばらな通路を通しての速いメルトの輸送が卓越していることが示唆される。メルトの輸送様式は溶融の温度-圧力経路にも影響を及ぼす。あるポテンシャル温度・圧力のもとで生成されるメルト量は, メルトが化学的に隔絶される場合(すなわち分別溶融), 化学的に隔絶されない場合(バッチ型の溶融)に比べて5-15%減少する。分別溶融のように融解の進行に伴って化学組成が変化する系の相平衡は, 従来のように系の化学組成を固定して記述する方法では正確に再現されない。熱力学ポテンシャルの最小化問題を解くことによって相平衡を再現する方法は, まだ改良の余地があるものの近年進められつつある有効な方法であり, 今後発展して行くと考えられる。

Melting and melt segregation in the mantle is regarded as a series of dynamic processes, involving physical and chemical interactions between the melt and the solid phases. The style of melt segregation has large effects on chemical and thermal evolution of the melting system. If porous flow through solid grain boundaries is dominant, then both chemical and thermal local equilibria between the melt and the solid are likely to be achieved. On the other hand, if channel flow through sparsely distributed (>10 cm) melt paths in porous media or through fractures is dominant, then local chemical equilibrium is not attained owing to slow diffusion of elements in solid, while local thermal equilibrium is still achieved. Instantaneous chemical isolation of melts into channels causes fractional melting, whereas, if porous flow is dominant, trace element concentrations obey the batch melting equation in one-dimensional steady states. These predictions together with trace element and isotopic data on abyssal peridotites suggest that fast melt transportation through sparsely distributed paths such as fractures is dominant beneath mid-ocean ridges. The style of melt transport also affects the melting P-T path: chemical isolation of melts (fractional melting) decreases the degree of melting at a given potential temperature and pressure by 5-15%, compared to the case where no chemical isolation occurs (batch-type melting). The phase relation in the system with variable compositions, such as in fractional melting, can not be predicted correctly by a conventional parameterization that assumes a fixed composition of the system. The phase relation can be reproduced by solving a minimization problem of thermodynamic potentials, which is a powerful method and is now beeing developed, although it has some disadvantages at present.