2014 Fiscal Year Research-status Report
『大きなマントルウェッジ』(BMW) 内の3次元マントル対流シミュレーション
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26400457
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| Research Institution | Ehime University |
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Principal Investigator |
亀山 真典 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 准教授 (70344299)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 大きなマントルウェッジ / マントル対流 / 停滞スラブ / 数値シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、2次元円筒座標系によるスラブ沈み込みモデルの開発・及びこれに基づくシミュレーションを実施した。この開発は、我々が既に開発した2次元箱型形状モデルからスラブ沈み込みのモデル化に必要な機能を抽出し、並行して我々が開発していた2次元円筒座標系内の熱対流プログラムにそれらを導入することで実施した。
シミュレーションの結果、スラブは (i) 海溝後退速度が大きいほど、低角度でマントル内を沈んでいく、深さ 660 km の不連続面での (ii) 負のクラペイロン勾配が急であるほど不連続面上に留まり、(iii) 粘性ジャンプが大きいほど下部マントルに到達しにくい、ということが分かった。さらに停滞スラブの上部も含んだ「大きなマントルウェッジ (BMW)」の根元から上昇流が発生する様子も確認された。これらの傾向は従来の2次元箱型モデルで得られたものと定性的に一致しており、かつスラブの沈み込む角度や速度を変化させた場合でも成立したことから、ここで得られたスラブ沈み込みや BMW の挙動の特徴は、マントルの曲率の有無などによらず成立すると期待される。
特に 660km 不連続面におけるスラブの挙動・形態に注目してみると、これらのパラメータの組み合わせによって、(1) 下部マントルに即座に「貫入」、(2) 不連続面で「蓄積」、(3) 不連続面上に「浮揚」、(4) 不連続面で水平に横たわるように「停滞」、(5) 「停滞」したのちに下部マントルへ「崩落」の5つのタイプに分類することができた。とりわけ負のクラペイロン勾配による浮力の大きさや海溝後退の程度は、下部マントルに到達した後のスラブの挙動・形態にも影響することもわかった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度はBMW 内のマントル対流シミュレーションプログラムのうち、固体マントルの流れ場ソルバの改良を重点的に実施するとともに、2次元円筒座標系形状モデルを用いた予備的なシミュレーションを行ってきた。この作業を通して、我々がこれまで実施してきたプレー沈み込み帯周辺のマントルの流れ場の2次元シミュレーションプログラムの成功の鍵となった4つの機能 (流れ場ソルバへの「内部境界」の導入、流入・流出境界条件の導入、流れ場ソルバへの「多重格子法」の導入、「深部マントル座標系」と「海溝座標系」の間の座標変換) が、モデルの形状や座標系によらず有効であることが実証できた。このことにより、当初予定していた3次元箱型形状によるモデル化に加え、3次元球殻形状を用いたモデル化への可能性が高まったことは大きな技術的進展であった。
一方、ここで実施した2次元円筒座標系シミュレーションによって得られた地球科学的進展の1つとして、下部マントルに到達した後のスラブの挙動・形態の違いが検出できたことが挙げられる。ここで再現された下部マントル内でのスラブの形態に注目することは、深さ 660 km 不連続面や下部マントルの物性に関して、新たな視点からの制約を提供できるであろう。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究は基本的には、今年度の技術的・地球科学的成果をさらに発展させる方向で進めていく。具体的には、(1) 我々が既に開発・活用している BMW 内流れ場に関する2次元シミュレーションモデル内の有用な機能を抽出して3次元シミュレーションプログラムに導入する作業の継続、及び (2) 沈み込みスラブの挙動・形態あるいは BMW 内のダイナミクスに関するシミュレーション研究の実施、が中心となる。その際、(1) については当初計画していた3次元箱型形状モデルのみならず、3次元球殻形状モデルへの適用も図っていきたい。また (2) については、3次元モデルによるシミュレーションに加えて、既存の2次元モデルを用いたシミュレーション研究も並行して進めていく。これによって広汎なパラメータ空間を網羅的に探索するだけでなく、3次元シミュレーションを実施するパラメータの効果的な選別に役立てていく。
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| Causes of Carryover |
国内の関連研究者との研究打ち合わせのための国内出張にかかる経費の使途を優先すべく、予定していた研究成果発表のための海外出張を控えたところ、両者の差額が発生したため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
国内の関連研究者との研究打ち合わせのため、あるいは当初予定になかった国内での学会・研究会での成果発表のための国内出張のための旅費として使用する予定である。
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