地球型惑星のマントル進化：３次元球殻モデルを用いた系統的数値シミュレーション

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25287110
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 小河 正基 東京大学, 総合文化研究科, 准教授 (30194450)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 柳澤 孝寿 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 地球深部ダイナミックス研究分野, 主任研究員 (20359186) ; 宮腰 剛広 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 地球深部ダイナミックス研究分野, 主任研究員 (60435807)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: マントル対流 / 火成活動 / 三次元 / 数値モデリング / プレートテクトニクス

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、火成活動のモデルの３次元化に成功し、また、プレートテクトニクスのモデルの３次元化に目処をつけた。
（１）火成活動の３次元モデル：火成活動はマントル湧昇流によるマグマの生成と、生成したマグマの浸透流による分離と移動という二つの要素から成り立つ。そこでまず、対流しつつあるマントル中の浸透流によるマグマの分離と移動の数値シミュレーションを行った。大まかには、２次元空間でも３次元空間でもマグマの分離は対流速度と比べて浸透流によるマグマの移動速度の方が大きいとき起こるが、さらに細かく見ると、３次元空間での対流の方が対流のパターンの時間依存性がつよく、この時間依存性のため効率よくマグマが分離することがわかった。さらに、このマグマの分離と移動のモデルに湧昇流によるマグマ生成のモデルを加え、２次元数値シミュレーションでその存在が確認された火成活動マントル湧昇流フィードバックが３次元空間でも働くことを確認した。
（２）３次元熱対流の数値シミュレーションを実行し、プレートテクトニクスのモデル化に目処をつけた。地球上ではプレートは剛体の板のように振る舞い、自重で割れて沈み込み帯が新たに発生するといったことは起こらない。筆者らのこれまでの研究から、これは粘性率が応力履歴に依存するために現れる特徴であることが示唆されてきたが、同様の粘性率の応力履歴依存性を持つ流体の３次元熱対流の数値シミュレーションを実行し、これまでに剛体の板としてのプレートが現れるレジーム（強いプレートのレジーム）での計算に成功した。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

本来は強いプレートのレジームで火成活動も含めた３次元数値シミュレーションを行うはずであったが、未だに火成活動とプレートテクトニクスのシミュレーションを別々の計算として行っている。

Strategy for Future Research Activity

研究が遅れている理由は、実際に計算を実行してみると、特に強いプレートのレジームでのプレートの３次元数値シミュレーションにおいて思いのほか計算量が膨大となり、現在使用している地球シミュレーターでは手に負えなくなったことにある。次年度は京コンピューターを利用して計算の並列度を上げることによりこの問題を解決する予定である。使用している数値計算のアルゴリズムはもともと並列計算機を想定したものであり、並列度を上げることによる計算時間のロスなどの技術的な問題は生じないと見ている。

Research Products

• [Journal Article] Extremely long transition phase of thermal convetion in the mantle of massive super-Earths (2017)
  • Author(s): Miyagoshi, T., Kameyama, M., Ogawa, M.
  • Journal Title: Earth Planets and Space Volume: 69 Pages: 46-55
  • DOI: 10.1186/s40623-017-0630-6
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Numerical studies on convective stability and flow pattern in three-dimensional spherical mantle of terrestrial planets (2016)
  • Author(s): Yanagisawa, T., Kameyama, M., Ogawa, M.
  • Journal Title: Geophysical Journal International Volume: 206 Pages: 1526-1538
  • DOI: 10.1039/gji/ggw226
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Regular flow reversals in Rayleigh-Benard convection in a horizontal magnetic field (2016)
  • Author(s): Tasaka, Y., Igaki, K., Yanagisawa, T., Vogt, T., Zuerner, T., Eckert, S.
  • Journal Title: Physical Review Volume: E93 Pages: 043109
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Numerical studies of mantle evolution in planets of various sizes (2016)
  • Author(s): Ogawa, M., Kameyama, M., Yanagisawa, M.
  • Organizer: American Geophysical Union
  • Place of Presentation: サンフランシスコ（アメリカ合衆国）
  • Year and Date: 2016-12-12 – 2016-12-16
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Transition of patterns in liquid metal convection under a horizontal magnetic field (2016)
  • Author(s): Yanagisawa, T., Tasaka, Y., Sakuraba, A., Miyagoshi, T., Hamano, Y.
  • Organizer: 10th International Symposium on Ultrasonic Doppler Methods for Fluid Mechanics and Fluid Engineering
  • Place of Presentation: 東京工業大学（東京都目黒区）
  • Year and Date: 2016-09-29 – 2016-09-29
• [Presentation] 月内部進化の初期温度依存性 (2016)
  • Author(s): 小河正基
  • Organizer: 日本惑星科学会秋期大会
  • Place of Presentation: ノートルダム清心女子大学（岡山県岡山市）
  • Year and Date: 2016-09-12 – 2016-09-14
• [Presentation] Two-stage evolution of the Earth's mantle (2016)
  • Author(s): Ogawa, M.
  • Organizer: Goldschmidt Conference
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2016-06-26 – 2016-07-01
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 惑星内部進化のモデリング (2016)
  • Author(s): 小河正基
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合
  • Place of Presentation: 幕張メッセ（千葉県千葉市）
  • Year and Date: 2016-05-22 – 2016-05-26
• [Presentation] 巨大スーパーアースのマントル対流シミュレーション (2016)
  • Author(s): 宮腰剛広、亀山真典、小河正基
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合
  • Place of Presentation: 幕張メッセ（千葉県千葉市）
  • Year and Date: 2016-05-22 – 2016-05-26
• [Presentation] マントル対流シミュレーションの技術開発：地球型惑星内部の解明に向けて (2016)
  • Author(s): 亀山真典、宮腰剛広、柳澤孝寿、小河正基
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合
  • Place of Presentation: 幕張メッセ（千葉県千葉市）
  • Year and Date: 2016-05-22 – 2016-05-25
• [Presentation] 地球内部ダイナミクス (2016)
  • Author(s): 宮腰剛広
  • Organizer: 宇宙生命計算科学連携拠点第2回ワークショップ
  • Place of Presentation: 筑波大学計算科学研究センター（茨城県つくば市）
  • Year and Date: 2016-04-27 – 2016-04-27
  • Invited