2014 Fiscal Year Annual Research Report
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
| Project/Area Number |
14J10035
|
|---|
| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
|---|
Principal Investigator |
中尾 篤史 東京工業大学, 理工学研究科, 特別研究員(DC1)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2014-04-25 – 2017-03-31
|
| Keywords | 水輸送 / 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 / 数値シミュレーション |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
当該研究課題では，数値計算により地球マントル内部水輸送を再現し，その結果から地球の「化学」進化を議論してゆくことを目標としている．その手始めに，水輸送がマントル対流の「物理」に及ぼす効果を調べた．具体的には，流体力学シミュレーションに含水岩石の相平衡図を組み込み，そして岩石が水を含むと軟らかく，軽くなることをモデル化（＝構成方程式と状態方程式中に，水の効果を導入）することで，含水化の効果が，プレート運動や沈み込んだ海洋スラブ形状の進化にいかなる影響を与えるかを検証した．その際，運動速度，流れ場，応力場，圧力場，粘性散逸など，多角的に計算結果を検証したことが特徴である．含水化によってマントル粘性が低下する効果として明らかになったことは，沈み込み速度の上昇，背弧域の変形促進，それに伴う海溝の前進/後退両者への寄与などである．一方，含水マントルの密度減少の効果として，沈み込み速度低下，背弧拡大の抑制，上盤プレートの圧縮場転換，スタグナントスラブができにくくなり，660 km不連続面の貫通またはロールオーバー型への遷移などがみられた．含水した岩石の性質が未解明ななか，その性質の違いだけで地球進化が大きく変化してしまうことを示したことは，地球科学の実験系・観測系分野への強いメッセージとなると考えている．当該研究については，地震学会で発表し，学生優秀発表賞を受賞した．また，当該研究のシミュレーション結果の図が地震学会情報誌の表紙となった．現在，成果を英語論文としてまとめている．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当該研究の最終目標は、地球マントルの化学進化を明らかにすることである。その際、含水した岩石の脱水・再反応・輸送が、マントル対流そのものと相互作用しながら進行してゆくモデルを手始めに構築する必要があった。現在までに、それが実現することに加え、水がその物理に与える効果を十分に検証できた点で、化学進化をモデル化する足がかりが完成したといえる。
|
| Strategy for Future Research Activity |
上述のように，水輸送とマントルダイナミクスの相互作用が明らかになってきた次のステップとして，現在までに，親水成分のマントル内部輸送をモデル化してきた．平衡溶融モデルと似たような定式化を，マグマが分離してゆく岩石でなく，脱水してゆく岩石に対して適用することで，脱水・再含水反応時に親水成分が枯渇領域と濃集領域に分かれるようにし，そうしてできた不均質が対流で輸送されるようなアルゴリズムを作っている．予察的に脱水時の分配係数を温度・圧力・岩相等によらず一定とし，架空の親水成分の輸送というかたちでプログラムを構成している．そうすることで，後に具体的に様々な元素の分配係数を組み込むことが可能である．現行プログラムは凡そ成功しているが，粒子法による数値拡散の少ない輸送を実現しようとすると多大な計算コストがかかることが問題である．加えて，ペロブスカイト転移面で脱水の取り扱いや，平衡溶融モデルをそのまま適用してよいかについても，詳しい検討が必要である．現在はこれらの解決方法を模索し，かつ親水成分輸送の鍵となるパラメタについて目星をつけているところである．具体的に放射壊変（親・娘・安定核種の３種類を１組とした元素輸送）を組み込むことで，実際のU-Pb系やNd-Sm系といった観測データと比較できるようにすることも視野に入れている．次年度には大規模な計算を行って，現実の地球マントル組成と比較しつつ，地球マントルの化学進化に関する議論ができるようになることを目標としている．
|
