2017 Fiscal Year Annual Research Report
| Project Area | Interaction and Coevolution of the Core and Mantle: Toward Integrated Deep Earth Science |
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| Project/Area Number |
15H05834
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| Research Institution | Ehime University |
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Principal Investigator |
土屋 卓久 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 教授 (70403863)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
土屋 旬 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 准教授 (00527608)
出倉 春彦 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 講師 (90700146)
中川 貴司 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 数理科学・先端技術研究分野, 主任研究員 (50396941)
宮腰 剛広 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 地球深部ダイナミクス研究分野, 主任研究員 (60435807)
高橋 太 九州大学, 理学研究院, 准教授 (20467012)
ハーンルンド ジョン 東京工業大学, 地球生命研究所, 教授 (30723712)
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| Project Period (FY) |
2015-06-29 – 2020-03-31
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| Keywords | 第一原理計算 / マントル対流計算 / 電磁流体計算 / ダイナミクスモデリング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
地球深部の熱化学特性およびダイナミクスに関して研究を進展させ、以下のような成果を得た。①パイライト型構造を有しマントル最下部圧力まで安定な水酸化鉄の新たな高圧相を、内部無撞着LDA+U方を用いた独自の計算手法を用いて発見し、さらに研究項目A01物性測定と連携して実験的検証にも成功した。核－マントル境界まで水が輸送される可能性や外核との反応を通して核に水素を供給する可能性など、地球深部の水循環に関し新たなモデルを提案した（Nature誌にて公表）。②非調和格子動力学法に基づく第一原理格子熱伝導率計算手法の高精度化を行い、下部マントル全域にわたる温度圧力条件下でポスト・ペロブスカイトの格子熱伝導率及びその異方性を決定した。これによりすべての下部マントル主要相の熱伝導率の計算が完了した。またフォノン輸送特性に及ぼす鉄固溶による不純物散乱効果に関する第一原理計算を本格的に開始した。③昨年度までに作成した熱力学積分第一原理分子動力学法を用いた自由エネルギー計算法を、地球内部の主要始原物質であるヘリウム及びアルゴンのケイ酸塩－鉄軽元素合金液体間の分配に適用した。その結果、上部マントル圧力程度の低圧力条件では両元素ともにケイ酸塩メルトに分配されるのに対し、核－マントル境界の高圧力条件においては、両元素ともに液体鉄に分配されることが分かった。④安定成層がコア上部に存在する場合について数値ダイナモシミュレーションを実施した。その結果、新しい磁場生成・維持メカニズムを発見することに成功した。⑤惑星形成時における核の混合をモデル化し、地球と金星の類似性と相違性について議論した。⑥スーパーアースにおいて、マントル対流様式が惑星サイズの変化にどのように依存するかを、散逸数（圧縮による断熱温度変化の大きさの尺度）の観点から調べた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初予定通り、前年度までに確立した手法を用いて下部マントル鉱物及び核物質の熱伝導特性について計算を完了させた。結果を順次論文にまとめるとともに鉄固溶効果など多成分系への展開も本格的に開始できた。また独自の第一原理熱力学積分分子動力学法をケイ酸塩－鉄間における希ガスの分配に発展させることができた。得られた結果を用いてマグマオーシャンの化学進化、核の熱史や不均質性に関するモデリング研究を発展させた一方、地球史を通じた始原的な希ガス成分の進化に関するモデリング研究を開始できた。それ以外にも内核内で安定とされる六方晶鉄における鉄の自己拡散係数を計算し、内核の異方性の生成機構の理解に必要となる流動特性のモデル化に着手できた。
計画研究内連携のみならず計画研究間連携も当初計画以上に活発に展開した。特にパイライト型構造を有する水酸化鉄の新たな高圧安定相については、内部無撞着LDA+U法を用いた独自の手法によりまず理論予測し、研究項目A01物性測定と連携し実験的に検証することで発見に成功した。得られた結果に基づき、核－マントル境界まで水が輸送される可能性や外核と反応し核に水素を供給する可能性など地球深部の水循環に関し新たなモデルを提案し、Nature誌にて公表した。それ以外にも、下部マントル・核物質の熱伝導率に関する計画研究A01-1,3との連携、放射性元素を含む微量元素挙動に関するA02-1,2との連携、地球深部物質の熱弾性特性に関するA03-1との連携について成果の論文化が順次進んでおり、当初計画以上の進展がみられている。
その他、研究代表者が日本地球惑星科学連合西田賞を受賞した。
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| Strategy for Future Research Activity |
マントル深部温度圧力条件における主要地球深部物質の熱力学的安定性、熱弾性特性、熱伝導率、原子拡散係数の計算、超高温超高圧下での始原物質元素の元素分配や同位体分別の計算をさらに推進する。珪酸塩－鉄間における水の分配についても計算を開始する他、六方晶鉄及び体心立方晶鉄の弾性特性および格子欠陥ダイナミクス（特に転位上昇）をさらに推進する。また物性計算から得られたデータを、核－マントル境界の熱進化、外核の不均質性形成、内核組成と流動特性等のモデル化に順次反映させる。マントル最下部における超低速度層の進化、核－マントル境界における同位体交換、内核が六方晶相でない場合の内核成長、圧縮による断熱温度変化がマントル対流に与える影響、コア-マントル境界の不均質性と地磁気永年変化および双極子磁場の逆転頻度との関連性、内核内の東西不均質と内核外核境界直上の地震波速度異常に対する外核の流れの影響などのトピックスについても連携研究を進める。その他、プレート運動を適切に取り扱うための粘性率の応力履歴依存を考慮したマントル対流モデルの開発にも着手するとともに、計算機資源に余裕があれば最新の物性データを反映させた高解像度ダイナモシミュレーションを行う。
一方、他の計画研究と連携して、実験データの理論サポートとともに、理論計算による予察的知見の提供をさらに推進する。これらを通して核－マントル境界、内核－外核境界など地球深部の主要な境界層領域のダイナミクスや不均質性の正体の解明を行うとともに、それらの形成・進化機構について独自のモデルを提案する。
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