[論文レビュー] Geodynamics and Rate of Volcanism on Massive Earth-like Planets

Edwin S. Kite, Michael Manga+1 more|Sep 13, 2008

Astro and Planetary Science被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、質量 0.25–25 M⊕ の巨大な地球型系外惑星におけるボルケニズムの放出を、熱的進化と溶融力学のモデル化により検討した。プレート・テクトニクスが主系列星の寿命にわたりボルケニズムを維持する一方、スタティック・リッド惑星では急速で短期間のボルケニズムを示す。主な結果として、地殻厚さの質量依存性が弱く、揮 Exactな脱ガス効率において初期の深部溶融が重要な役割を果たすことが明らかになった。

ABSTRACT

We provide estimates of volcanism versus time for planets with Earth-like composition and masses from 0.25 to 25 times Earth, as a step toward predicting atmospheric mass on extrasolar rocky planets. Volcanism requires melting of the silicate mantle. We use a thermal evolution model, calibrated against Earth, in combination with standard melting models, to explore the dependence of convection-driven decompression mantle melting on planet mass. Here we show that (1) volcanism is likely to proceed on massive planets with plate tectonics over the main-sequence lifetime of the parent star; (2) crustal thickness (and melting rate normalized to planet mass) is weakly dependent on planet mass; (3) stagnant lid planets live fast (they have higher rates of melting than their plate tectonic counterparts early in their thermal evolution) but die young (melting shuts down after a few Gyr); (4) plate tectonics may not operate on high mass planets because of the production of buoyant crust which is difficult to subduct; and (5) melting is necessary but insufficient for efficient volcanic degassing - volatiles partition into the earliest, deepest melts, which may be denser than the residue and sink to the base of the mantle on young, massive planets. Magma must also crystallize at or near the surface, and the pressure of overlying volatiles must be fairly low, if volatiles are to reach the surface. If volcanism is detected in the Tau Ceti system, and tidal forcing can be shown to be weak, this would be evidence for plate tectonics.

研究の動機と目的

• 質量 0.25 から 25 地球質量の範囲にある巨大な地球型系外惑星における長期的なボルケニズムのガス放出率を予測すること。
• 惑星質量がマントル溶融、地殻生成、ボルケニズムの持続可能性に与える影響を評価すること。
• 上昇した地殻の浮力と沈み込み抵抗の増加を考慮した場合、高質量惑星でもプレート・テクトニクスが機能するかを評価すること。
• 揮発性物質がマントルに戻って沈むのではなく、表面に効率的に放出される条件を特定すること。
• 太陽系外の岩石惑星の大気の質量と組成を解釈するための地球物理学的フレームワークを提供すること。

提案手法

• 地球の地球物理学的特性に適合した熱的進化モデルを用いて、時間経過に伴うマントル温度と熱フラックスをシミュレートした。
• 圧力と温度の関数として部分溶融を計算するために、3つの標準的な溶融モデル（例：MB88）を用いて膨張溶融をモデル化した。
• 溶融開始の指標としてマントルの潜在的温度（Tp）を用い、零圧での固体化点温度によって制約した。
• 地殻厚さと溶融率を、惑星質量、重力、対流様式（プレート・テクトニクス対スタティック・リッド）の関数として計算した。
• マグマに伴って運ばれるエネルギーを考慮し、特徴的な温度 Tν ≈ 43 K を用いた粘性パラメータ化を実施した。
• 初期の揮発性物質を豊富に含む溶融岩が固化するかマントルに沈下する前に表面に到達できるかを評価することで、ボルケニズムによるガス放出効率を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 惑星質量は、地球型惑星におけるマントル溶融と地殻生成の速度および持続期間にどのように影響するか？
• RQ2 地殻の浮力が増加し、沈み込み効率が低下する高質量惑星（≥2 M⊕）において、プレート・テクトニクスが持続可能か？
• RQ3 溶融が発生しても、なぜ高質量惑星の初期深部溶融が揮発性物質を効率的に脱ガスできないのか？
• RQ4 スタティック・リッド対流とプレート・テクトニクスは、恒星の主系列星寿命にわたってどのようにボルケニズム的進化を示すか？
• RQ5 効率的な大気ガス放出に必要な条件は何か？ また、それらは惑星質量と地球物理学的状態に応じてどのように変化するか？

主な発見

• プレート・テクトニクスを有する巨大な地球型系外惑星では、母星の主系列星寿命にわたりボルケニズムが持続する。
• 地殻厚さと質量正規化された溶融率は、惑星質量にほとんど依存せず、0.25–25 M⊕ の範囲で同じようなボルケニズム効率を示す。
• スタティック・リッド惑星では初期に高い溶融率を示すが、急速な冷却と持続的対流の欠如により、数十億年以内にボルケニズムが停止する。
• 高質量惑星では、浮力の高い地殻が形成され、沈み込みを妨げ、リサイクルを阻害するため、プレート・テクトニクスを維持できない可能性がある。
• 溶融自体では効率的な脱ガスが不十分である。初期の揮発性物質を豊富に含む溶融岩が、残留物より密度が高い場合、特に若く質量の大きな惑星ではマントル底部に沈下する可能性がある。
• 揮発性物質が表面に到達するためには、マグマが表面付近で固化し、上層部の揮発性圧力が低いままである必要があるが、これは高質量惑星では保証されない。