[論文レビュー] Thermal disequilibrium during melt-transport: Implications for the evolution of the lithosphere-asthenosphere boundary

Mousumi Roy|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2020

Geological and Geochemical Analysis参考文献 31被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、リソスフェア-アスノスフェア境界（LAB）におけるチャネル化した溶融物輸送時の熱的非平衡状態が、地質的スケールで下部大陸リソスフェアを著しく加熱・弱体化させ得ると提案する。1次元モデルを用いて、周期的な溶融物浸透が一時的熱再構築領域（TRZ）を生成し、定常状態での幅δ ~ [φvd⁻²τ²]を示す。このTRZはLABの熱収支に10⁻³ W/m³を超える寄与を示し、米国西部のような内陸プレート域における観測されたLAB移動と一致するスケールを持つ。

ABSTRACT

This study explores how thermal disequilibrium during melt-infiltration and melt-rock interaction may modify the continental lithosphere from beneath. Using an idealized 1D model of thermal disequilibrium between melt-rich channels and the surrounding melt-poor material, I estimate heat exchange across channel walls during channelized melt transport at the lithosphere-asthenosphere boundary (LAB). For geologically-reasonable values of the volume fraction of channels ($ϕ$), relative velocity across channel walls ($v$), channel spacing ($d$), and the timescale of episodic melt-infiltration ($τ$), model results suggest disequilibrium heating may contribute $>$ $10^{-3}$ W/m$^3$ to the LAB heat budget. During episodic melt-infiltration, a thermal reworking zone (TRZ) associated with spatio-temporally varying disequilibrium heat exchange forms at the LAB. The TRZ grows by the transient migration of a disequilibrium-heating front at material-dependent velocity, reaching a maximum steady-state width $δ\sim$ $\left[ϕvd^{-2}τ^{2} ight]$. The spatio-temporal scales associated with establishment of the TRZ are comparable with those inferred for the migration of the LAB based on geologic observations within continental intra-plate settings, such as the western US.

研究の動機と目的

• チャネル化した溶融物と岩石の相互作用における熱的非平衡状態が、リソスフェア-アスノスフェア境界（LAB）における熱収支に与える寄与を定量化すること。
• 周期的な溶融物浸透が下部大陸リソスフェアに一時的熱再構築領域（TRZ）をどのように生成するかを調査すること。
• TRZ発達の空間的・時間的スケールが、内陸プレート域におけるLAB移動の地質的観測から推定されるスケールと一致するかどうかを評価すること。
• 理想的な1次元熱輸送を用いて、溶融物豊富なチャネルと周囲の溶融物貧乏な物質との間の非平衡熱交換のダイナミクスをモデル化すること。
• チャネル化、相対速度、チャネル間隔が非平衡状態の広がりと持続時間に与える影響を評価すること。

提案手法

• 1次元の柱モデルを用いて、溶融物豊富なチャネルと周囲の溶融物貧乏なリソスフェアマントルとの間の熱的非平衡状態を模擬する。線形熱駆動項を仮定する。
• モデルには、チャネル体積分率（φ）、相対速度（v）、チャネル間隔（d）、周期的溶融物浸透時間スケール（τ）といった主要パラメータを組み込む。
• チャネル壁を通じた熱移動は熱伝達係数（k）で支配され、非平衡状態領域は時間経過とともに一時的熱勾配によって変化する。
• 熱拡散と流れのダイナミクスのスケーリング解析に基づき、TRZの定常状態での幅をδ ~ [φvd⁻²τ²]として導出する。
• 次元なし時間と正規化された温度プロファイルを用いて温度の時間的変化を追跡する。非平衡フロントの移動速度はφ = 0.1の場合にV_diseqm ≈ v/10となる。
• 熱容量（c_melt, c_grain）、体積分率（φ_f, φ_s）、ヌセルト数（Nu）といった物性は、鉱物学的および地球物理学的データに基づいて制約される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チャネル化した溶融物輸送中の熱的非平衡状態が、LABの熱収支にどの程度寄与するか。
• RQ2 非平衡加熱の空間的・時間的スケールは、内陸プレート域におけるLAB移動の地質的観測から推定されるスケールとどのように比較されるか。
• RQ3 LABに形成される一時的熱再構築領域（TRZ）の幅と移動速度は、何によって制御されるか。
• RQ4 非平衡度（D）は、チャネル間隔（d）、熱伝達係数（k）、および時間とどのように変化するか。
• RQ5 米国西部における大陸リソスフェアの観察される薄化と弱体化は、周期的溶融物浸透に起因する一時的非平衡加熱によって説明可能か。

主な発見

• 周期的溶融物浸透に伴う熱的非平衡状態は、LABの熱収支に10⁻³ W/m³を超える寄与を示し、顕著で持続的な熱入力となる。
• 空間的・時間的変動する非平衡熱交換により、LABに一時的熱再構築領域（TRZ）が形成され、非平衡加熱フロントの移動に伴い成長する。
• TRZの定常状態での幅はδ ~ [φvd⁻²τ²]とスケーリングし、φ ≈ 0.1、v ≈ 1–100 mm/yr、d ≈ 0.1–100 m、τ ≈ 10⁴–10⁶ yrのとき最大幅に達する。
• 非平衡状態領域の移動速度は、φ = 0.1の場合にV_diseqm ≈ v/10となる。これは、物質依存のフロント速度であり、チャネル内流速の一部に相当する。
• 非平衡度（D）は1/√tに従って減少し、チャネル間隔（d）に線形比例する。kが小さい（熱伝達効率が低い）ほどDは高くなる。
• 温度プロファイルから、定常状態に達するまでの時間スケールはφv/kに支配され、チャネル壁間の正規化された温度差は時間とともに最大値に達した後、減少する。