Magnetotelluric observations across the Juan de Fuca subduction system in the EMSLAB project

A magnetotelluric (MT)transect has been obtained near latitude 45øN from the active Juan de Fuca Spreading center, across the subduction zone and Cascades volcanic arc, and into the back arc Deschutes Basin region. This paper presents the MT data set and describes its major characteristics as they pertain to the resistivity of the subduction system. In addition, we discuss the measurement and processing procedures employed as well as important concerns in data interpretation. Broadband audiomagnetotelluric (AMT)/MT soundings( approx. 0.01-500 s period) were collected on land with considerable redundancy in site location, and from which 39 sites were selected which constrain upper crustal heterogeneity but sense also into the upper mantle. Fifteen long-period MT recordings (about 50-10,000 s) on land confirm the broadband responses in their common period range and extend the depths of exploration to hundreds of kilometers. On the Juan de Fuca plate offshore, 33 out of 39 sea floor instruments at 19 locations gave good results. Of these locations, five magnetotelluric soundings plus two additional geomagnetic variation sites, covering the period range 200-10^(5) s approximately, constitute the ocean bottom segment of our profile. The feature of the land observations which probably relates most closely to the subduction process is a peak in the impedance phase of the transverse magnetic mode around 30-50 s period. This phase anomaly, with a corresponding inflection in the apparent resistivity, is continuous eastward from the seacoast and ends abruptly at the High Cascades. It signifies an electrically conductive layer in otherwise resistive lower crust or upper mantle, with the layer conductance decreasing eastward from the coast to a minimum under the Coast Range but increasing suddenly to the east of the central Willamette Basin. The higher conductance to the east is corroborated by the vertical magnetic field transfer function whose real component shows negative values in the period range 100-1000 s over the same distance. The transverse electric mode apparent resistivity and phase on the land display a variety of three-dimensional effects which make their interpretation difficult. Conversely, both modes of the ocean floor soundings exhibit a smooth progression laterally from the coastal area to the spreading ridge, indicating that the measurements here are reflecting primarily the large-scale tectonic structures of interest and are little disturbed by small near-surface inhomogeneities. The impedance data near the ridge are strongly suggestive of a low-resistivity asthenosphere beneath resistive Juan de Fuca plate lithosphere. Approaching the coastline to the east, both impedance and vertical magnetic field responses appear increasingly affected by a thick wedge of deposited and accreted sediments and by the thinning of the seawater

1. Stability and Non-Steady State of Self-Exciting Dynamos 1

Time-dependent behaviours of two conducting spheres rotating in an infinitely extended conductor are studied. Although it has been proved by Herzenberg that such a system works as a selfexciting dynamo, the steady state of it turns out to be unstable for small disturbances. In some special cases, a paradoxical result that the magnetic field continues its growth in spite of non-rotation of the spheres is obtained by the numerical integration of the nonlinear simultaneous differential equations with the aid of a relay computer. This difficulty is caused by the crudeness of approximation for the electromagnetic coupling between the two spheres. If we improve this point, it seems likely that oscillatory fields and velocities could be found. It is intended to apply this study to investigations of the magneto-hydrodynamic actions which are supposed to be in the earth's core.|最近,Herzenbergによつて,導体球の中で回転する2ケの小導体球が,self-exciting dynamo系として,磁場を維持できることが証明された.ここでは,それと類似のmodelを用い,その安定性と時間的変化を調べた.従来,非定常ダイナモの研究は,円盤ダイナモを使つてなされてきた.力武は,2ケの円盤ダイナモを結合させて,電流や角速度の向きが,逆転することを示している.電流あるいは磁場の逆転の可能性がこのような簡単なmodelに対して示された現在では,近似の度をたかめ,より現実的なmodelを用いて,非定常ダイナモを研究することが望まれる.ここでは,地球核内の流体運動を極端に理想化して,無限に拡がる導体中で,2ケの導体球が回転している場合を考え,そこに誘導される磁場や,角速度の時間的変化を調べた.このmodelに対して,定常状態は容易に求まるが,そのような定常状態は,小擾乱に対して,きわめて不安定であることが示される.電動計算凱を用いて,数値的にも確かめられたことであるが,この系は初期値の与え方によつて,2通りの変動をする.1)磁場は単調に減少し,角速度が一様に増加する場合.これは磁場が減少して,運動を抑制しようとする電磁的結合力が弱まると,球の回転が早くなり,外部から供給されたエネルギーが,全部運動エネルギーに転換される場合である.2)角速度が減少し,磁場が単調に増加する場合.磁場がある値より大きくなると,回転を抑制しようとする電磁的結合力が,運動を促進する外力に打ち勝つため,球の回転は遅められることになる.しかし,角速度は次第に減少し,磁場が無限に増大するような現象は,物理的に説明困難である.おそらく,角速度の減少と共に,やがては磁場の成長停止,減少という過程が起ると予測されるが,ここではそのような結果は得られなかつた誘導磁場の近似が十分でなかつたためであろう.近似の度を高めることによつて,振動性の磁場が得られるものと期待される

27. Stability and Non-Steady State of Self-Exciting Dynamos 2

The variation of the magnetic field and the angular velocity with time are studied for two conducting spheres rotating in an infinitely extended conductor. Induction equations are approximated by those expanded up to the second time-derivatives of the magnetic field. In some special cases, the magnetic field was found to change its polarity with diminishing amplitudes. The periods of the damping oscillation are about 1.3x104 years when the spheres of 500 km in radius are supposed to be rotating about 1100 km apart from each other in the earth's core. If the work done by the external torque is assumed to be 10-9 erg/sec.cm3, the induced mgnetic field and the surface velocity of the sphere become about I gauss and 0.7 cm/sec. respectively.|前報に引き続き,導体中で回転する2ケの導体球によつて誘導される磁場と角速度との時間的変化を調べた.本報では誘導方程式として,2次導函数までを含む近似式を採用したが,得られた結果は,前報と同様,大別して2種類の解に分類できる.一つは磁揚が減衰し,外からの駆動力のために回転が次第にはやまる場合で,他の一つは,磁場が急激に増大し,回転速度が急速に減少する場合である.2ケの球に関する現象の起り方が全く同等で,その時間的変化がゆるやかな場合,例えば電気伝導度として地球核と同程度の3×106 e.m.u.を考え,半径500kmの球が回転しているとすると,周期が5000年以上の現象に対しては,上の2種の場合しか起らないことが解析的にも予想される.2ケの球が,互いに異る強さの磁場を誘導する時の,種々の場合について電子計算機TACを使用して数値計算を行なつた.最初に2ケの球に関して非対称的な,強さの異る磁場が誘導されていても,時間の経過と共に,磁場の強さが等しくなろうとする傾向がある.それ以後は,前にのべた種類の現象のいずれかがなるものと考えられる.磁場が減衰する種類の解で,特殊な場合には,磁場の向きが交互に逆転する減衰振動がみられる.地球核内で半径500kmの球が1100km離れて回転している場合を考えると,減衰振動の局期は,1.3×104年となる.今半径500kmの球が2500km離れて存在し,地球核内で発生する熱の1%が回転力として消費されたとすると,2ケの球によつて維持される磁場と,表面速度はそれそれ1.26gauss, 0.67cm/secとなる.従来から想像されてきた値に比べると,磁場の強さは受容できる値であるが,速度の方は異常に大きい.これは剛体球のモデルによつたためであろう

14. Archaeomagnetic Study on Volcanic Rocks in Oshima Island, Japan

Variation in the geomagnetic field for the past one thousand years has been inferred from the direction of the remanent magnetization of rocks ejected at periods known from historical records. The results show an agreement with those of instrumental observations which have been conducted since the sixteenth century. Periodical changes are found both in declination and in inclination: inclination varies rather slowly within a period of about 600-700 years, while declination changes within a 400-500 year period.|最近,中村氏によつて伊豆大島のくわしい地質調査が進められ,熔岩の噴出年代が相当正確に知れるようになつた.これらの熔岩の残留磁気を測定して,過去約1000年間の地球磁場の変動を推定する手がかりを得た.歴史時代の地球磁場の変動を求めるには,高精度の測定が要求される.資料採取の際に,クリノメーターを用いることをやめ,ロックコソパスを遠方の望遠鏡で見通して,岩の方向づけをおこなつた.磁化方向の測定に際しても,種々の注意を払い,資料採取から測定までに生ずる誤差は画期的に小さくなつたと考えられる.過去約1000年の間に,偏角は1250 A.D.および1650 A.D.頃極大(約6°E)となり,1400 A.D.頃もつとも西偏したようにみえる.伏角では1600 A.D. 1000 A.D.頃極小となり,1300 A.D.に極大53°に達したようである.偏角については約400年,伏角で約600年の周期的変動が顕著である

The Westward Drift of the Magnetic Field of the Earth

Secular variations in the geomagnetic field are studied with the intention of making a clear-cut separation of the variation due to the westward drift of the non-dipole field from that due to the growth and decay of the said field. By making use of a few different methods, the most probable velocity of the westward drift is determined as 0.20°/year on average. It turns out that the major parts of the observed field variation are caused by the drift. It is not reasonable, however, to ignore the residual variation in the field which cannot be explained by the drift. Growth and decay in the non-dipole field seems to be responsible for the residual field. The field variation in historical time is also likely to be approximately accounted for by the drift, so that it is suggested that the non-dipole field has a life-time as long as several hundred years or more.地磁気永年変化中,地球磁場への西方移動によってひきおこされる変化と,磁場の消長に伴う変化とを分離する目的でこの研究はなされた.第1章 磁場が地球核と共に,中間層に対して相対的に西へ移動する場合,地表で観測される磁場の変化中には,流体運動の変化等による磁場の成長衰退のほかに,空間的に起伏のある磁場が全体として移動することによつて生ずる変化が含まれる.もし西方移動速度の空間的時間的特性が十分詳しく知れていれば,この二種類の性質の異る変化を分離することが可能である.実際には,西方移動速度に関する我々の知識は十分とはいい難いから,まず移動速度を詳しく求めることを試みた.最初に,観測された変化は大部分磁場の移動によると仮定して,ある時の磁場の分布が移動したためにおこる磁場の変化がもつともよく観測結果を説明できるよう移動速度を求める.違つた資料,異る方法によつて得られた移動速度が,互いに矛盾がなく,その上物理的に受容可能なものであれば,最初の仮定-観測された磁場の変化は主として磁場の移動による-は正当化されると見て差し支えない.実際に移動速度を求める方法としては,ある空間的領域内で,観測と期待値とを比較するやり方と,ある時間間隔内で比較する方法とがある.第2章 地球磁場に関する球函数分析の結果を用いて,種々の緯度での西方移動速度を求めた.第一の方法は,磁場の分布をある緯度圏に沿つてFourier級数で表現し,各項の位相の進み遅れを時間とともに追うことである.第二の方法は第1章で述べた方法(空間的な平均法)で,磁場自体とその変化率との解析結果を組み合わせて速度を求めるやり方である.この二種類の方法で得られた結果はきわめてよく一致する.解析をおこなつた結果m=1で表現される磁場は,異つた速度で移動する種類の磁場から構成される.約0.06°/yrで移動する赤道面双極子と,他の0.2°/yrの速度をもつ非双極子磁場とである.この両者は移動速度が明らかに異ることから発生機構も違つたものだと推定される.m=2に関する西方移動速度は南半球で急激に増大する.m=3については,北半球の高緯度地方で東向きの移動がみられる.各項の振幅分布を考慮すると,磁場全体の移動は主としてm=1の項によつて支配され,上述の特異性は現われない.第3章 50年以上の連続観測をおこなつている34ケ所の観測所の観測結果と,1945年の非双極子磁場の分布とから,第1章で述べた時間的平均法によって移動速度を求めた,X成分,Z成分について得られた値はばらつくが,Y成分に関して得られた速度分布は第2章で得られた結果とよく一致する.今磁場が世界中一様な速度で移動するとして,Y成分について得られた値を平均すると,0.202°/yrの速度が得られる.この平均速度で磁場が移動した場合に期待される変化を計算して観測値との差をとると,通常観測される変化に比べて著しく小さなものとなる.これは観測される磁場の変化の大部分が,磁場の西方移動によって生じていることを意味している.上述の観測値と計算値の差の空間的分布は,非双極子磁場の成長衰退の様子を示している.第4章 岩石磁気学的方法によつて得られた日本における約1000年間の偏角,伏角の変化,16世紀以来のパリとロンドンにおける観測,および最近のオスロにおける偏角伏角の変化と1945年の磁場の分布とを用い,前章と同種の解析をおこなった.約0.4°/yrの速度で西方移動したとすれば,日本,パリ,ロンドンの磁場の変化をよく説明できる.現在と過去とで移動速度が違っていたのではないかと推定される.また1945年の磁場の分布を数百年の過去にさかのぼつて適用できるということは,非双極子磁場がこの間安定に存在していたことを意味している.成田層およびNew EnglandのVarvesについてなされた古地磁気学的研究結果を用い,偏角変化の周期分析をおこなつた.1200年,1800年に卓越した周期が存在する,もし磁場の回転によつてこの周期が現われたと考えると,それぞれ0.3°/yr,0.2°/yrで回転していることになる.これは前に得られた結果とよい一致を示す.非双極子磁場の分布が長期にわたつて保たれることを暗示しているように思われる.以上の研究から,観測される磁場の変化は大部分磁場の西方移動によつてひき起されること,非双極子磁場の分布が数百年間にわたつて安定に存在することが結論される

Attenuation of Geomagnetic Secular Veriation through the Conducting Mantle of the Earth

On the assumption that a time-dependent electric current sheet, at the core boundary, of which the magnetic potential is equivalent to that due to magnetic dipoles distributed at random, is the source of geomagnetic secular variations, the decrease in amplitudes of the secular variation through the mantle is discussed by taking the existence of the conducting core into account. The lower harmonic components damp out more conspicuously than the higher ones. The electrical conductivity of the mantle to cause an attenuation most compatible with that inferred from the observation ranges 4.5×10-10e.m.u.≦σ≦2.0×10-9e.m.u. at the depth of 2500km.地磁気永年変化は,地球核表面を流れる電流の時間的変化によつて生ずると考えられている.磁気双極子がat randomに核表面に分布しているのと,等価な電流系を考え,その時間的変化が地表面で永年変化として観測されると仮定し,その電流系によつて地表面にできる磁気ポテンシャルが,地球中間層の電気伝導度を種々に変えることによつてどのように変化するかを求めた,中間層の電気伝導度を大きくしてゆくと,n=3迄では,低いharmonicの係数ほど,減衰度が大となり,実測より得られたポテンシャルの形にもつとも近いように,中間層の電気伝導度をきめると,2500km位の深さで4.5×1O-10e.m.u.≦σ≦2.0×10-9e.m.u.という値が得られた

17. Synthesis of the Non-dipole Components of the Earth's Magnetic Field from Spherical Harmonic Coefficients

The non-dipole components of the earth's magnetic field are synthesized from particular sets of spherical harmonic coefficients for 1885 and 1945, and compared with those of charted data. It has been confirmed that the synthesized field can well approximate the observed field. The standard deviations of the differences between the synthesized and charted vertical components are obtained as 1360γ for 1885 and 778γ for 1945, indicating that the total approximation errors are about 19 percent of the root-mean-square intensity of the non-dipole field itself for 1885 and 11 percent for 1945. Gauss-Schmidt coefficients of different analyses are examined to estimate between-analyses errors. It follows that for most of the analyses in the 19th century the Gauss-Schmidt coefficients can be synthesized up to n=m=4 with an uncertainty of about 20%, whilst for those in the 20th century, they can safely be used at least up to n=m=6 with an uncertainty from several to ten percent.|球函数解析結果を逆に合成して,地球磁場を十分な精度で近似できれば,かなり古い時代にさかのぼつて地球磁場の永年変化を詳細に調べることができる.1885年と1945年のいくつかの解析をとりあげ,ガウス・シュミット係数から非双極子磁場を合成して磁気図より読み取つた値と比較した.その結果合成磁場でかなりよく近似できることがわかつた.合成磁場と観測磁場の差をとり,その標準偏差を求めると,1885年に対して1360γ,1945年に対して778γで,非双板子磁場自体の自乗平均のそれぞれ19%および11%となる.異なる解析間の誤差を見積るために,同時代の解析で相対応するガウス・シュミット係数を比較検討した.19世紀の解析についてはn=m=4まで合成することが可能で約20%の誤差で磁場を近似できる.これに対して,20世紀の解析では少くともn=m=6迄とることができて,数%から10%の誤差におさまることが明かになつた