【研究分野】固体地球惑星物理学

【研究領域課題番号】25287110 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

マントル進化 / 火成活動 / マントル対流 / プレートテクトニクス / 比較惑星 / 数値モデリング / 三次元数値モデリング / プレート境界生成 / マグマの生成と移動 / 惑星内部進化 / 数値実験 / ３次元モデル / 三次元 / 3次元モデル / 三次元球殻モデル / 水星 / スーパー地球 / マグマ移動 / 月 / 数値シミュレーション / 地球 / 金星

【研究成果の概要】

本研究では、まず二次元モデルを用いた数値シミュレーションにより、火成活動やマントル対流の結果、地球など様々なサイズの惑星においてマントルは45億年の歴史を通じてどのように進化するかを探求した。さらに、この研究で明らかになったマントル対流と火成活動の相互作用やプレートテクトニクスによるマントルの不均質構造形成などの進化の主要な特徴が、三次元球殻マントルにおいても同様に発現するかを解明するため、三次元数値モデルを開発し、将来の惑星進化のリアリスティックなモデリングへの展望を開いた。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2013-04-01 - 2018-03-31

【配分額】16,120千円 (直接経費: 12,400千円、間接経費: 3,720千円)

【研究分野】固体地球惑星物理学

【研究領域課題番号】20340114 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

マントル進化 / マントル対流 / 火成活動 / 比較惑星 / 数値モデリング / 地球 / 金星 / 火星 / 数値シミュレーション / 水 / スーパー地球 / 地球型惑星 / 内部進化 / 地球側感惑星 / プレートテクトニクス / 地球史 / 火星の進化 / 水の循環 / プレート・テクトニクス

【研究成果の概要】

2次元火成活動・マントル対流結合系の数値シミュレーションを行い、火星のマントル進化モデルを完成すると伴に、地球のマントルは、25億年前の太古代・原生代境界におけるテクトニクスの変化に対応して、2段階にわかれて進化したというモデルを構築した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2008 - 2012

【配分額】12,870千円 (直接経費: 9,900千円、間接経費: 2,970千円)

【研究分野】固体地球惑星物理学

【研究領域課題番号】16540379 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

マントル対流 / プレートテクトニクス / 火成活動 / スーパープルーム / マントル進化 / 数値モデリング / マントルの熱・化学的状態 / 数値シミュレーション / 数値モデル

【研究成果の概要】

本研究における数値シミュレーションでは、プレート・テクトニクスと海嶺における火成活動を他に例を見ない厳密さで再現し、超大陸の分裂・巨大火成岩岩石区(LIPs)の生成など地球の進化に重要な役割を演じてきたスーパープルームを、プレート運動と海嶺火山活動の必然的な結果として再現することに成功した。さらに、スーパープルームが出現するための必要条件を明らかにするとともに、その力学的挙動が地球の進化とともにどのように変遷してきたかを予想した。具体的結果は以下の通りである。
(1)スーパープルームは、沈み込んだ海洋地殻がコア・マントル境界上に蓄積し、豊富な放射性元素による内部加熱のため高温となってできたものである。スーパープルームは組成的・熱的浮力が釣り合って、全体としては浮力を持たず、マントル深部に安定に存続し続ける。
(2)太古代の頃は、現在より豊富な放射性元素による加熱のため、スーパープルームは高温となり、頻繁にその一部がプルームとして浮上し、活発なホットスポットの火山活動を引き起こした。このときのマグマ生成は深さ千キロにまで及ぶこともあった。さらに、この火山活動は、新たなプレート境界を頻繁に生成し、プレート運動を数十億年のスケールで定常に保った。
(3)時代が下り、放射性元素による内部熱源が減衰するにつれ、スーパープルームの温度は下がり、プルーム活動は間欠的になった。このため、プルームによるプレート境界生成もより間欠的になり、プレート運動そのものも間欠的になった。
(2)のマントル深部におけるマグマ生成は太古代におけるコマチアイト生成と、(3)の間欠的なプルーム活動やプレート・テクトニクスの活動は大陸移動のウィルソンサイクルと整合的であり、今回の研究で構築されたマントル進化のモデルは、全体として、地球のマントル進化の特徴を良く捉えていると考えられる。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2004 - 2006

【配分額】3,700千円 (直接経費: 3,700千円)

【研究分野】固体地球物理学

【研究領域課題番号】13640416 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

マントル対流 / プレート・テクトニクス / 火成活動 / マントル進化 / 数値シミュレーション / プレート運動

【研究成果の概要】

本研究では、筆者がこれまで開発してきたマントル対流と火成活動の結合系のモデル(すなわちマントル大循環モデル)をプレート運動を含めることでさらに発展させ、この発展させたモデルを地球のマントル進化の問題に応用し、地球のマントル進化は2段階で起こることを強く示唆する結果を得た。第一段階守は、放射性元素の崩壊による内部加熱が十分強いため、下部マントル深部が高温となり、熱的浮力のため局所的にマントル・オーバーターンが頻繁に起こり、これによるプルーム活動のため活発な火成活動が起こり、プレート運動を含むマントル対流や海嶺の火成活動が強い非定常性を示した。しかし、内部加熱の強さがある敷居値を割り込むと(第二段階)、このマントル・オーバーターンは突然止まってしまい、プレート運動も海嶺火山活動もより定常的に起こるようになった。さらに、地球史を通じて沈み込んだスラブは下部マントル深部まで到達し全マントル対流を起こすにもかかわらず、海嶺火山活動とマントル・オーバーターンによるホットスポットの火山活動のためマントルは化学的に成層する事もわかった。すなわち、マントルの浅いところはマグマが抜けた後の「搾りかす」物質が分布し、マントルの深部には、マグマが冷えて固まった玄武岩組成の物質が多く分布することが明らかになった。この数値シミュレーションにより得られた現在のマントルの熱・化学的状態は、地球化学的・地震学的手法により明らかになりつつある現実のマントルの状態の特徴を良く捉えており、このマントル進化モデルは信頼できるモデルであることが示唆される。数値モデルで現れた、マントルの状態の第段階から第二段階への転移は地球の太古代・原生代境界に対応すると考えられる。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2001 - 2003

【配分額】4,000千円 (直接経費: 4,000千円)

【研究分野】固体地球物理学

【研究領域課題番号】10640401 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

マントル対流 / 火成活動 / 数値シミュレーション / プレート / マントル進化 / 金星 / リソスフェア / 粘弾性

【研究成果の概要】

本研究の目的は、マントルに於ける主要な熱・物質輸送の担い手であるマントル対流と火成活動の全体を一つの力学系として扱い、この力学系の数値モデルを構築することにある。特に、リソスフェアとそのプレート運動というマントル対流の最も重要な特徴をモデルに組み込み、リアリスティックなマントル対流・火成活動結合系の数値モデル、すなわち、マントル大循環モデルを構築することを試みた。まず第一に、リソスフェアは存在するがプレート運動は起こっていない金星のマントル対流・火成活動結合系の数値モデルを構築した。リソスフェアは、マントル物質の粘性率を強く温度に依存すると仮定して、その結果地表面に沿って発達する熱・力学的境界層としてモデル化した。この数値モデルにより、金星では、数十億年に一回の割で、マントルのオーバーターンと非常に規模の大きい火成活動が起こることが予想された。このような火成活動は、5〜10億年前に金星で起こった火山平原の形成に対応すると考えている。第二に、プレート運動を再現し、モデルを地球にも応用できるようにするため、まず、粘性率が温度に依存する流体の熱対流の数値シミュレーションを系統的に行い、温度依存性の強さが程々の時に、リソスフェアは、存在し、しかもゆっくりとではあるが運動するレジームのあることがわかった。つぎに、このレジームの対流にさらに火成活動をカップルさせた火成活動・マントル対流結合系の数値モデルを構築した。さらに、この数値モデルに、プレートの破壊プロセスのモデルを組み込み、プレート境界の形成・沈み込みの開始・海嶺の形成をモデル化することに成功し、地球型惑星においてプレート運動が起こるための必要条件に関する洞察を得た。現在、初期地球のマントルの様子を理解することを目的とし、プレート運動を含む火成活動・マントル対流結合系の数値モデルを構築しつつある。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】1998 - 2000

【配分額】2,900千円 (直接経費: 2,900千円)

【研究分野】固体地球物理学

【研究領域課題番号】06640548 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

マントル対流 / 数値シミュレーション / 3次元 / 粘性率の温度依存性 / 数値計算法 / 非定常 / 対流のパターン

【研究成果の概要】

粘性率が温度に非常に強く依存する流体の3次元非定常対流としてのマントル対流の数値シミュレーションを行う上で必要となる計算技法を開発した。非定常対流の数値シミュレーションにおいては運動方程式と質量保存の式を各タイム・ステップ毎に高い精度で解く必要がある。マントル対流の場合,運動方程式・質量保存の式を離散化すると流速・圧力に対する巨大な連立一次方程式が得られるが,問題は、粘性率が温度に依存ししかも温度分布が時間的に変化する非定常対流の場合はこの連立方程式の係数行列が時間的に変化するため,各タイム・ステップ毎にこの連立方程式をフツに解く必要があるということである。3次元シミュレーションでは,この連立方程式はあまりにも巨大なものとなるため単純な直接解法で解くことは不可能であり、従来,様々な逐次近似法が試されてきた。しかし、解の収束が遅すぎて粘性率が温度に強く依存する場合に各タイム・ステップ毎にこの連立方程式を精度良く解くことに成功した例はなかった。本研究では第一に,SIMPLERアルゴリズムという従来良く用いられてきた逐次近似法とSEVP法というポワッソン方程式の直接解法との組み合わせにより,逐次近似の収束が従来の30倍程度速くなることを確認した。さらに,このSEVP法を近年急速に進歩しつつあるベクトル並列型のスーパーコンピュータに合った形に書き直すことにより,例えば方程式の離散化の際に用いるメッシュの分解能が33×33×33のときに,各タイム・ステップ毎の計算時間を5.4秒と十分現実的な範囲に収めることに成功した。この計算技法を使って実際に粘性率にその温度依存性のため10^4倍のコントラストがある場合の3次元の矩形の箱の中の非定常熱対流の数値シミュレーションをタイム・ステップ数にして80000ステップ分精度よく行った。

【研究種目】一般研究(C)

【研究期間】1994 - 1995

【配分額】2,100千円 (直接経費: 2,100千円)