Theoretical study on the thermal conductivity of subducting slabs toward understanding the temperature heterogeneity in the lower mantle

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K04110
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 17040:Solid earth sciences-related
• Research Institution: Ehime University
• Principal Investigator: Dekura Haruhiko 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 講師 (90700146)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 格子熱伝導 / 下部マントル / 玄武岩 / パイロライト / 第一原理計算

Outline of Final Research Achievements

One of the most uncertain physical quantities is the temperature of the Earth's interior. Differences in the mineral composition of both the subducting slabs and surrounding mantle result in a substantial heterogeneity in the temperature of the mantle. In this project, I conducted a series of first-principles lattice dynamics calculations based on the density functional theory for the constituent minerals of the basaltic and pyrolitic compositions in the lower mantle. The lattice thermal conductivities of those minerals were successfully determined at high pressure and temperature, which are required to constrain the temperature heterogeneity of the lower mantle due to the subduction of the slabs.

Free Research Field

計算物質科学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

マントル鉱物の格子熱伝導率は，地球ダイナミクス等の解明に必要となる物理量である。しかし，下部マントル温度・圧力条件下の実験は依然として容易ではない。また，理論研究においても，鉄固溶体などの現実的な化学組成を対象とした計算報告例は極めて少ない。本研究では，沈み込みスラブを構成する鉱物の端成分組成の深部マントルその場条件における格子熱伝導率，ならびに，高温高圧下における鉄固溶効果等について，先駆的な研究成果が得られた。今後，これらの物質科学的な知見を取り入れた熱的進化モデリングの構築を通じて，地球内部の温度構造の進化(熱史)についての理解が促進されるだろう。