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マントル内部の水輸送シミュレーション:地球規模の化学的不均質構造の解明にむけて

Research Project

Project/Area Number 14J10035
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Solid earth and planetary physics
Research InstitutionTokyo Institute of Technology

Principal Investigator

中尾 篤史  東京工業大学, 大学院理工学研究科(理学系), 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2014-04-25 – 2017-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2016)
Budget Amount *help
¥2,800,000 (Direct Cost: ¥2,800,000)
Fiscal Year 2016: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2015: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2014: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Keywordsマントル対流 / 水輸送 / 微量元素 / 同位体比 / 分別作用 / 数値シミュレーション / 超大陸 / 海洋プレート / 海溝移動 / スタグナントスラブ / 含水レオロジー / 背弧海盆 / マントルダイナミクス / プレート運動 / 海洋スラブの形状 / 大マントルウェッジ
Outline of Annual Research Achievements

本課題では,数理モデルによりマントル内部水輸送を再現し,その結果から地球マントルの化学進化を解明することを目標としている.前年度までに,水と微量元素の輸送を含むモデル化の大綱は完成していた.本年度は,より現実的な水輸送を再現し,天然の岩石の化学データと比較するため,計算コードを次のように拡張した:(1)浸透率に応じた流体相の運動の導入,(2)MPS法による高精度な水素拡散の導入,(3)複数核種(U,Th,Pb,Rb,Sr等)について,脱水実験に基づく元素の固液分別・放射壊変に伴う増減・粒子法に基づく輸送のモデル化.
この計算コードを大型計算機TSUBAMEで実行した結果,マントル浅部での脱水/加水で発生する化学不均質は,プレート-スラブの近傍(高粘性域)で発生するため,マントル全体に亘って簡単には混合されないことが再現された.一方,海洋スラブが下部マントルへ崩落する際,含水リングウッダイトの分解に伴ってマントル広域で自由流体が発生し,同時に広域な物質分化と効率的な不均質の輸送が再現された.その際,親水成分に富む含水プルームを伴う場合もあった.この過程で発生する不均質の分布と元素濃度変化が,下部マントルの最大含水率,および各元素の下部マントル物質/水間の分配係数に強く依存することを示し,将来の高圧実験でこの新たな分化過程の重要性を検証できることを提言した.特に超大陸の形成する時代,その直下で滞留スラブの崩落が優勢になるため,地球史を通じて大陸の離合集散がマントルの同位体進化と密接に関連してきた可能性がある.滞留スラブ崩落に伴う脱水は近年の地震学からも提言されており,本結果はマントル内部水輸送の観測分野に対しても示唆を与える.
当該研究について日本地球惑星科学連合大会で発表し,学生優秀発表賞を受賞した.研究成果は東京工業大学の博士論文となったほか,国際誌への投稿を予定している.

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(3 results)
  • 2016 Annual Research Report
  • 2015 Annual Research Report
  • 2014 Annual Research Report
  • Research Products

    (14 results)

All 2017 2016 2015 2014 Other

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results,  Acknowledgement Compliant: 1 results) Presentation (12 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 1 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Effects of water transportation on subduction dynamics: Roles of viscosity and density reduction2016

    • Author(s)
      Nakao, A., Iwamori, H., and Nakakuki, T.
    • Journal Title

      Earth Planet. Sci. Lett.

      Volume: 454 Pages: 178-191

    • DOI

      10.1016/j.epsl.2016.08.016

    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] Whole mantle dynamical simulation for aqueous fluid transportation and Pb-Sr-Nd isotopic evolution2017

    • Author(s)
      Nakao, A., Iwamori, H., and Nakakuki, T.
    • Organizer
      JpGU-AGU Joint Meeting 2017
    • Place of Presentation
      Makuhari Messe (Chiba, Chiba)
    • Year and Date
      2017-05-20
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Role of Water in Subduction Zone Dynamics2016

    • Author(s)
      Iwamori, H., Horiuchi, S., Nakao, A., and Nakakuki, T.
    • Organizer
      Goldschmidt 2016
    • Place of Presentation
      Pacifico Yokohama (Yokohama, Kanagawa)
    • Year and Date
      2016-06-30
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] マントル組成不均質の成因に関する新仮説:660km不連続面におけるスラブの脱水2016

    • Author(s)
      中尾篤史・岩森光・中久喜伴益
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合2016年大会
    • Place of Presentation
      幕張メッセ(千葉県千葉市)
    • Year and Date
      2016-05-24
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
  • [Presentation] 沈み込み帯におけるマントル対流と水輸送のダイナミックな相互作用2016

    • Author(s)
      中尾篤史・岩森光・中久喜伴益
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合2016年大会
    • Place of Presentation
      幕張メッセ(千葉県千葉市)
    • Year and Date
      2016-05-23
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
  • [Presentation] スピネルの安定領域で発生した 2013 年オホーツク海深発地震の複雑な震源過程2015

    • Author(s)
      遠藤俊・八木勇治・中尾篤史・平野史朗
    • Organizer
      日本地震学会2015年度秋季大会
    • Place of Presentation
      神戸国際会議場(兵庫県神戸市)
    • Year and Date
      2015-10-26
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
  • [Presentation] スラブの脱水が沈み込みのダイナミクスと親水元素輸送に与える効果2015

    • Author(s)
      中尾篤史
    • Organizer
      2015 年度火山性流体討論会
    • Place of Presentation
      草津セミナーハウス(群馬県吾妻郡草津町)
    • Year and Date
      2015-10-17
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
  • [Presentation] Effects of water and fluid transport on subduction dynamics2015

    • Author(s)
      Nakao, A., Iwamori, H. and Nakakuki, T.
    • Organizer
      Japan Symposium of Study of the Earth’s Deep Interior 2015
    • Place of Presentation
      Earthquake Research Institute Univ. Tokyo (Bunkyo-ku, Tokyo)
    • Year and Date
      2015-09-25
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] スラブの脱水とプレート沈み込みのダイナミクス2014

    • Author(s)
      中尾篤史・岩森光・中久喜伴益
    • Organizer
      日本地震学会2014年度秋季大会
    • Place of Presentation
      新潟県新潟市, 朱鷺メッセ新潟コンベンションセンター
    • Year and Date
      2014-11-24
    • Related Report
      2014 Annual Research Report
  • [Presentation] Water transport to the deep mantle: the effects on generation of hydrous plumes from the mantle transition zone and geochemical anomalies in the lower mantle2014

    • Author(s)
      Nakakuki, T., T. Kaneko, A. Nakao, H. Iwamori
    • Organizer
      SEDI 2014
    • Place of Presentation
      Shonan Village Center, Hayama-cho, Kanagawa
    • Year and Date
      2014-08-03 – 2014-08-08
    • Related Report
      2014 Annual Research Report
  • [Presentation] 水が沈み込むスラブの挙動に与える効果2014

    • Author(s)
      中尾篤史・岩森光・中久喜伴益
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合2014年大会
    • Place of Presentation
      神奈川県横浜市, パシフィコ横浜, 会議センター
    • Year and Date
      2014-05-02
    • Related Report
      2014 Annual Research Report
  • [Presentation] 沈み込み帯深部の水循環とマントル対流との相互作用2014

    • Author(s)
      中久喜伴益・金子岳郎・中尾篤史・岩森光
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合2014年大会
    • Place of Presentation
      神奈川県横浜市, パシフィコ横浜, 会議センター
    • Year and Date
      2014-05-01
    • Related Report
      2014 Annual Research Report
  • [Presentation] 2013年オホーツク海深発地震の震源過程とスラブの温度構造2014

    • Author(s)
      遠藤俊・八木勇治・中尾篤史
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合2014年大会
    • Place of Presentation
      神奈川県横浜市, パシフィコ横浜, 会議センター
    • Year and Date
      2014-04-28
    • Related Report
      2014 Annual Research Report
  • [Remarks] 数値シミュレーションにより再現された,海洋スラブが脱水しながら進化するようす

    • URL

      http://www.zisin.jp/modules/pico/index.php?content_id=3066

    • Related Report
      2014 Annual Research Report

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Published: 2015-01-22   Modified: 2024-03-26  

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