マントルは固体ですが、海洋地殻はどのようにしてマントルに沈み込んだのでしょうか?

知乎には「マントルは固体なのに、海洋地殻はどうやってマントルに沈み込んだのか？」という質問があります。

私の意見では、これは密度と粘度の違い、そして温度と時間という 2 つの非常に重要な要素によるものです。ゆっくりお話ししましょう。

短縮版

現在の理解によれば、マントルは確かに固体ですが、より高い温度とより長い地質学的時間スケールでは、マントルは相対的に流動する可能性があります。

海洋リソスフェアの長期にわたる進化により、徐々に冷却、厚化、岩石の相変化が起こり、密度が増加し、密度と粘性が比較的小さい特定の深さでマントルに沈むことができます。

初期の地質史は垂直構造であった可能性があり、その後、初期のプレートテクトニクスから現代のプレートテクトニクスの進化段階に移行しました。 |ゲリヤ、2019

パート1

時間の力

まず最初に時間の力についてお話ししたいと思います。

地質学的進化は数千万年にわたることが多いため、時間スケールの観点は非常に重要です。

より大きな時間スケールで見ると、古代ギリシャの哲学者ヘラクレイトスが言ったように、 「すべては流れていく」のです。

たとえば、猫は固体のように見えますが、流動することもできます... まあ、例を変えてみましょう。

たとえば、生地は固体ですが、流動性があることがわかっています。

なぜなら、生地をしばらく放置しておくと、生地自身の重力と大気圧の作用により生地が流動し、徐々に平らになっていくからです。

あまり時間をかけずに、このプロセスを自分の目で確認することができます。

適切な図が見つからなかったため、チーズのレオロジー図を使用しました (境界条件が追加されているため、流れがあまり明確ではありません) |セルバーストーン、2005

しかし、生地を数秒間見つめるだけでは、変化に気づくのは難しいです。

ただし、あなたがボルヘスの小説『博識なフネス』に登場するフネスでない限りは。

フネスは並外れた記憶力を持っており、物事の細部まですべて覚えることができます。彼はまるでビデオのリプレイを見ているかのように、その日の出来事を細部まですべて覚えているため、ある日に何が起こったのかを思い出すのに丸一日かかります。彼は静かに腐敗が進行していくのを見ることができた。彼の世界では、あらゆるものの進化は、2倍の速度で進む高解像度のビデオのようなものです。

フネスは、虫歯、歯の腐食、疲労が静かに進行していくのを目にし続けた。彼は死と湿気の進行について次のように記している。

一見すると、テーブルの上に 3 つのワイングラスが置かれているのがわかります。フネスはブドウの木のすべての枝、果実の房、そしてブドウの実一つ一つを見ることができます。彼は、1882 年 4 月 30 日の夜明けの南の日の出の形を思い出し、それを、一度だけ見たことのある革装丁の本の質感や、カブラル川の前夜にリオネグロ川で船のオールが起こしたさざ波と記憶の中で比較しました。それらは単なる思い出ではありませんでした。それぞれの視覚イメージは、筋肉、温かさ、冷たさなどの感覚と関連付けられていました。彼は自分の夢をすべて再現することができます。彼は一日の状況を二、三度再現した。決して漠然とではなく、毎回丸一日かかりました...私たちが完全に認識できるイメージは、黒板の上の円、直角三角形、菱形です。イレネオは、長い通夜の間に、なびく馬のたてがみ、山の動物の後ろ足立ち、絶えず変化する炎と無数の灰、そして死者のさまざまな顔を見ることができた。彼は空にいくつの星を見ているのだろうか。

もし我々がフネスのような能力を持っていたら、我々の目には常にお金が流れ込んでいただろう。

水、油、生地などが流れるだけでなく、氷、ガラス、岩なども流れます。

油と生地の流動性は数分で観察できます。

氷河や塩川の流れを観察するには数週間、数か月、あるいは数年かかります。

流れる氷河

何世紀にもわたって、ガラスや岩が流れていく様子を見ることもできます。

たとえば、ヨーロッパの中世の大聖堂のガラスは変形しています。多くの古代の公園にある大理石のベンチは、自身の重さと観光客の重さによる長期的な影響で沈んだり曲がったりしています。

地質学的進化の時間は通常、数百万年 (Ma) 単位で測定され、このゆっくりとした変形は「クリープ」と呼ばれます。地質学で理解されている岩石流動とは、変形が徐々に継続的に蓄積され、塑性変形のプロセスとなることです。

たとえば、下の図では、岩石は圧縮されていますが、壊れるのではなく、しわが寄っています。

このような褶曲構造は今でも自然界で見ることができますが、当時の圧縮力はずっと前に消えてしまい、変形した岩石に記録された過去のものとなっています。

力によって引き起こされるこの種の変形は、力が除去された後も維持されるため、通常は塑性変形と呼ばれます。

この塑性変形は、実際には力の作用による岩石の「流れ」です。

マントルとリソスフェアは両方とも固体ですが、地質学的時間スケールでは流動しており、この流動は変形した岩石に記録されています。

短時間で、簡単にチョコレートを生地に詰めることができます。

同様に、長い時間をかけて、海洋リソスフェアも沈み込みを通じてマントルに入り込む可能性があります。

つまり、多くの材料は固体ですが、実際には、かなり長い時間をかけてゆっくりと変形しているのです。特定の時間スケールでは、多くの物質は流体のように動作します。

「粘度」という用語は通常、物質の流動性を説明するために使用されます。

パート2

移動祝祭日—粘性

粘度は物質の流動性を指します。あらゆる流体には粘性があります。

インターネットで一般的な物質の粘度表を検索してください。

室温では、水の粘度は 1 cP です。

49°Cではチョコレートの粘度は17000cPです。

これを利用して、一般的な物質の流動性の違いを感じることができます。

前述の通り、岩石も地質学的時間スケールで流動するため、岩石にも粘性がありますが、この粘性は非常に高くなります。

どれくらいの大きさですか？

室温での水の粘度は1cP=10^-3Pa·Sです。

上部地殻岩石の粘度は約 10^22Pa·S であり、これは室温の水の粘度と約 25 桁も異なります。

岩石の粘度は、49°C のチョコレートの粘度と約 20 桁異なります。

マントルの粘度は約10^21Pa·Sです。

ご想像のとおり、地質学的時間スケールの視点がなければ、それはまったく想像もできないことです。

温度も重要な要素です。

温度は岩石の粘度に大きな影響を与えます。

温度が上昇すると岩石の粘度が低下し、より流動的になります。

例えば、室温のガラスは粘度が高く、流れにくいです。外部からの力が加わると、曲がるよりもむしろ壊れる可能性が高くなります。

しかし、ガラスの温度が上昇すると徐々に柔らかくなり、粘度が大幅に低下して曲がりやすくなります。

下の図に示すように、地殻内の岩石は地質学的時間スケールで温度が徐々に上昇します（地殻が厚くなり、放射性元素が温まります）。 80Myr（8000万年後）以降、地下30kmの深さにある花崗岩の粘度は5桁低下する可能性があります。

時間と温度の上昇に伴う二重層地殻の粘度変化 |ゲリヤ、2002

では、この流れを動かす力は何でしょうか?

プレート運動による水平方向の地殻変動の力は、見えざる手のようなものです。

しかし、研究によれば、中央海嶺の推力は沈み込むプレート自体の抗力よりも一桁小さいことが示唆されている。

この下向きの抗力は重力であり、本質的には密度の違いによって生じます。

パート3

透明なものは浮き、濁ったものは凝縮する - 密度の違い

三国志演義では、秦軻が東呉から派遣された張文に尋ねた。

「先生、あなたは東呉の有名な学者です。私に天のことを尋ねているのだから、天の理はわかっているはずです。…軽くて澄んだものは浮かんで天となり、重くて濁ったものは下に凝結して地となります。…天は軽くて澄んで浮かんでいるのに、なぜ北西に傾いているのでしょうか。私も軽くて澄んでいる以外に何があるのか​​知りません。教えていただければ幸いです。」張文は答えられなかった。

残念なことに、呉の使節である張文は地質学を学んでいなかった。そうでなければ、秦密に「天は北西に傾き、地は南東に沈んだ」理由を説明できたはずだ。

その中には、「軽くて澄んだものは浮かんで空となり、重くて濁ったものは凝縮して地となる」とあります。これは、混沌から清濁の区別に至るまで、道教における天地観の基本原則です。実は、密度の差によって決まるのはアルキメデスの浮力の原理です。

底に油の入ったカップがあります。油の上に水を注ぎます。しばらくすると油が浮き上がって水面に残ります。

逆に、水が油の下に沈むことも理解できます。これは密度の逆転であり、レイリー・テイラー不安定性とも呼ばれ、非常に単純で理解しやすい原理です。レイリーは後に、気体密度の研究とArの発見により、1904年にノーベル物理学賞を受賞した。

レイリーとテイラー 1883、数ページのみ抜粋

例えば、ダイアピル現象など、地質学における多くの現象はこの原理によって説明できます。

マグマはダイアピル化し、塩はダイアピル化し、深部の岩石混合物はダイアピル化し、深さ 100 km の超高圧の固体岩石は地表にダイアピル化します。

これらはすべて密度の違いによって発生し、浮力を生み出します。

左中央の画像出典: Fossen、2016 年右の画像出典: Marschall、2012

逆に、相対密度の高い重い物体は相対密度の低い物質に沈みます。これを地質学では「負の浮力」と呼びます。

簡単に言えば、沈没することを意味します。

学術的な仕事には、常識的な原則を概念化することがしばしば含まれることがわかります。

スラブの崩壊とマントルへの沈み込みは、通常、負の浮力によって起こります。

比較的閉鎖的なシステムで、泥の上に小石がいくつか撒かれているものとします。重力の作用により、小石は徐々に泥の中に沈んでいきます。

同様に、海洋リソスフェアの密度がその下のマントルの一部よりも高い場合、海洋地殻は石が泥の中に沈むように、その下のマントルの中に沈む可能性があります。

そこで疑問なのは、海洋リソスフェアの密度はマントルの密度と比べてどうなのかということです。

実際、海洋リソスフェア、特に古代の海洋リソスフェアの密度は、その下のマントルよりもわずかに大きい（少なくともその下の 100 km の深さのマントルよりも大きい）。

海洋リソスフェアの年齢はその厚さに関係しています。古くて厚いほど、全体の温度は低くなり、平均密度は高くなります。これを理解するのは難しいことではないはずです。

これは海洋の沈み込みプロセスに2つの影響を及ぼします。

（１）海洋リソスフェアの比較的高い密度は、海洋大陸遷移帯に重力不安定性を生み出し、海洋の沈み込みを引き起こします。

（２）沈み込みが始まった後、沈み込み帯に入るプレートの密度が高くなるほど、プレートにかかる重力抵抗が大きくなり、マントルの深部への沈み込みが容易になる。

デジタルシミュレーション研究により、他の要因が変わらない場合、海洋地殻の年齢が増加すると、同じ深さで初期の海洋リソスフェアが古いほど、沈み込むプレートの全体的な密度が高くなり、その結果、プレート張力が大きくなり、沈み込むプレートの沈み込み角度が大きくなることが判明しました。

黄府彭峰、2016年 (1Ma=100万年)

さらに、海洋リソスフェアが下部マントルに沈むためには、下層のマントルの粘性が低いという別の条件を満たす必要があります。

石の密度はプラスチックの密度より大きいにもかかわらず、石がプラスチックの中に沈み込むことは困難であるのと同じです。

プラスチックを加熱して柔らかくすると、つまり粘度が下がると、石はプラスチックの中に沈みます。

同様に、より深く、より高温のマントルは粘性が低いため、海洋地殻は一定の深さでマントルに沈むことができます。

海洋リソスフェアが古くなり、リソスフェアの密度が増加するという前述の状況に加えて、

もう一つの非常に重要な変化は岩石の相変化であり、これも岩石の密度の出現につながります。

パート4

変成作用 - 岩石の相変化

カフカの代表作『変身』、英訳『変身』。

地質学では、変成作用は「metamorific」と呼ばれます。

小説の主人公グレゴールは、ある朝目覚めると、自分が巨大なカブトムシに変わっていることに気づいた。

人間からカブトムシへの変化は、変態（形の変化）ほど単純ではなく、種さえも変化していることは明らかです。これが「変態」、つまり相転移です。

岩石が一定の深さまで沈み込むと、高温高圧下で変形の蓄積だけでなく流動も起こります。

鉱物の相変化、つまり変成作用も起こります。たとえば、玄武岩からエクロジャイトへの変化。

このプロセスは固体から固体への相転移であり、その結果、岩石の密度が大幅に増加します。

この物質変換の化学的相変化過程は物理的機械的運動の駆動機構でもあり、エクロジャイト相変化の駆動機構はエクロジャイトエンジンと呼ばれています。

地殻とマントルの密度とせん断波速度の成層構造（a）とエクロジャイト剥離サイクルの駆動力メカニズム（b）（Li Sanzhong（2019）に基づいてAnderson（2007）から改変）

すべてのエクロジャイトがマントルに入った後も沈み続けるわけではありません。ほとんどの場合、

深さ410kmでは、エクロジャイトの密度は周囲のマントルの密度よりも低いため、深さ410kmに蓄積され集まります。

もちろん例外もあります。熱変化や鉱物相変化などの要因により、沈み込んだ物質の一部は660kmの深さまで沈み続ける可能性があります。

沈み込んだ物質が多く集まる深さ410～660kmのマントルは、マントル遷移層とも呼ばれます。

ハイブリッドマントル対流パターン図 | Li Jianghai、2019 年、Chen Jiuhua、2016 年を改変。タックリー、2008

沈み込んだ物質の一部はマントルと核の境界に達することもあります。

これが沈み込んだ物質の運命である。

地震トモグラフィーによって明らかになった遷移帯の沈み込むスラブの幾何学的特徴 | Li Jianghai、2019年 Goes、2017年より改変

相変化によって岩石の密度が増加するほかに、部分溶融による抽出効果という別の効果があり、これが残留物の密度の増加につながります。

岩石を加熱すると、融点の低い鉱物が最初に溶けて液体になります。地殻変動による圧力で生じた浮力や浸透の影響で、最初に溶けた液体が移動します。

浸透とは、水を含んだスポンジを手で絞ったような感じで、そこから水が流れ出る現象を指します。残った高融点の鉱物は固体のままであり、これを残留物と呼びます。これらの残留物体は密度が高く、残りの岩石の密度も増加します。

岩石が部分的に溶け、溶けた部分（黄色）が徐々に抽出され、残留物（灰色）が残ります。 |オリヴィエ・ヴァンデルハーゲ、2009年

溶融岩石の組成が増加するにつれて部分的に溶融した岩石の密度が増加する |オリヴィエ・ヴァンデルハーゲ、2009年

米と砂の混合物の総密度に似ており、純粋な砂の密度よりも低くなります。

さらにもう少し言うと、海洋リソスフェアがマントルに沈むことに加えて、岩石の相転移を起こしているエクロジャイト相、あるいは溶融抽出後に残った大陸リソスフェアの下部も分離してマントルに沈みます。この現象は「層間剥離」と呼ばれます。

例えば、北中国クラトンの破壊に関する主流の見解の一つは、リソスフェアの底部の剥離である。

チェン・リン、2020年;胡、2018年

つまり、岩石の相変化と部分溶融残留物は、海洋リソスフェアの「変形記録」である海洋リソスフェアの密度のさらなる増加につながります。

このように、比較的高い密度を持つ海洋リソスフェアは、より大きな時間スケールでの「負の浮力」の作用により、比較的低い粘性と密度で、比較的深い深さでマントルに沈むことができます。

この記事への参照は図のキャプションに記載されています。

上記はあくまでも私の個人的な理解と学習経験であり、無茶なことはしていないのでご容赦ください。

この記事は、Zhihuの回答者@铜马弓手による「マントルは固体ですが、海洋地殻はどのようにしてマントルに沈み込んだのでしょうか？」への回答から引用したものです。

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