2016 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, 教授 (70344299)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | マントル対流 / 数値シミュレーション / 停滞スラブ / 海溝後退 |
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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を用いた数値シミュレーション、3次元デカルト座標系モデルへの拡張、及びマントル内火成活動を組み込んだ3次元対流シミュレーションプログラムの開発、の3つを実施した。
2次元スラブ沈み込みシミュレーションを広いパラメータ範囲で系統的に実施した結果、地震波トモグラフィーで観測される様々なスラブの形態を再現するものが得られた。特に深さ 660 km 不連続面におけるスラブの挙動・形態は、(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。加えて、海溝後退速度を時間変化を考慮したモデルを新たに構築し、「停滞」スラブの挙動に注目したシミュレーションを実施したところ、「停滞」スラブが下部マントルへ貫入する際の形態の多様性をも説明しうることが分かった。なおこれらの成果は日本地震学会2016年度秋季大会において学生優秀発表賞を授与された。
また2次元沈み込みモデルの3次元化においては、多重格子法を用いて流れ場の原始変数 (速度・圧力) を解くソルバに、流入・流出境界条件と内部境界条件を組み込む手法を考案・実装し、その動作を確認した。
さらにマントル内火成活動を組み込んだ3次元対流シミュレーションプログラムの開発では、固体マントルの流れ場を (1) 液相マグマの移動による質量発生を伴う速度場と (2)伴わない速度場の2段階に分けて求めるように修正したことにより、求解に要する時間を最大で約半分に短縮することに成功した。これによりマントル内火成活動と固体マントルの対流を結合させた3次元シミュレーションが可能であることを示した。
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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
本年度に実施した、広いパラメーター範囲での2次元スラブ沈み込みシミュレーションによって、様々なスラブの形態が再現できたことは、地球科学的に重要な進展であった。加えて、海溝後退速度の時間変化を加えることによってスラブの「停滞」のみならず下部マントルへの「貫入」の形態にもさらなる多様性の発現がみられたことは、沈み込むスラブのダイナミクスの解明を目指したシミュレーションで考慮すべきパラメーターの選定においても大いに役立つものとなる。
またマントル内火成活動を組み込んだ3次元対流シミュレーションプログラムの開発は、それ自体がマントル対流シミュレーションにおける大きな技術的成果である。こうした火成活動とマントル対流とを結合させた系のシミュレーションでは、時間刻みの制約や両者のフィードバックに伴う計算不安定が存在することもあり、これまでは主に2次元モデルによって基本的な性質を解明することに留まっていた。簡単な設定であるとはいえ、その3次元計算に成功したことは、「大きなマントルウェッジ」のより高度なモデル化を可能にするものである。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究は基本的には、今年度までの技術的・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) 2次元モデルを用いたシミュレーションによる、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広範なパラメータ探索、及び (2) 代表的なパラメータ値を用いた3次元シミュレーションの実施、が中心となる。その際、(2) 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。
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| Causes of Carryover |
予定していた海外学会での成果発表を、業務の都合により取り止めたため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
PCクラスタを追加で導入するなど、3次元シミュレーション研究に必要な計算機資源の増強に使用する。
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