核－マントル物質とダイナミクスの理論モデリング

2019 年度 実績報告書

• 研究領域: 核－マントルの相互作用と共進化～統合的地球深部科学の創成～
• 研究課題/領域番号: 15H05834
• 研究機関: 愛媛大学
• 研究代表者: 土屋 卓久 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 教授 (70403863)
• 研究分担者: 土屋 旬 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 准教授 (00527608) ; 出倉 春彦 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 講師 (90700146) ; 宮腰 剛広 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 付加価値情報創生部門(数理科学・先端技術研究開発センター), 主任研究員 (60435807) ; 高橋 太 九州大学, 理学研究院, 准教授 (20467012) ; ハーンルンド ジョン 東京工業大学, 地球生命研究所, 教授 (30723712) ; 竹広 真一 京都大学, 数理解析研究所, 准教授 (30274426)
• 研究期間 (年度): 2015-06-29 – 2020-03-31
• キーワード: 第一原理計算 / マントル対流計算 / 電磁流体計算 / ダイナミクスモデリング

研究実績の概要

第一原理計算と連続体シミュレーションの2つの手法を柱として実施した、実験グループに対する予察や検証の提供、観測グループが取得するデータの解釈、地球深部の主要な境界層領域の形成・進化プロセスのモデル化に関し総括を行った。数々の成果の中で主なものを以下に列挙する。(1)第一原理計算により内核粘性率を予測し、内核の並進移動や超回転が現実的ではないことを示した。(2)高温高圧下における液体鉄－熔融ケイ酸塩間におけるヘリウム分配を第一原理計算により決定し、外核が始原的なヘリウムのリザーバである可能性を示した。(3)第一原理計算により液体鉄合金の弾性特性を計算し、酸素、硫黄、珪素、水素のいずれの軽元素を含む場合も外核のP波速度及び密度を再現可能であり、そのためP波速度及び密度の情報だけでは外核組成を制約できないことを示した。(4)現在と内核形成初期の段階における、外核対流の駆動様式の違いに伴う支配的物理過程の違いを解明した。(5)内核の成長に伴う10億年スケールでのダイナモの進化過程を、熱史計算と数値ダイナモシミュレーションを組み合わせることによって解明した。(6)内核内部と内核境界直上の地震波速度の異方性を説明するために内核の非等方成長に伴う外核中の流れによる軽成分輸送の効果を考察し、地震波速度異常から予想される内核境界直上での軽成分分布を説明できる合理的な外核中の流れを見出すことが困難であることを解明した。(7)下部マントル鉱物の格子熱伝導率の第一原理計算とマントル最深部の温度構造のモデリングに成功した。(8)プレートの破壊と固着に関してより現実に即した3次元箱型マントル対流計算から、実際の観測の特徴と合うプレート上の熱流量分布やそれとアセノスフェアの運動との関係を解明した。令和元年度末、2年度末に班会議を実施し、これらを含む期間全体の研究成果について取り纏めを行った。

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] Case Western Reserve University/University of California, Davis/The University of Minnesota(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Case Western Reserve University/University of California, Davis/The University of Minnesota
  • 他の機関数: 3
• [国際共同研究] Paris Globe Institute of Physics/Grenoble Alpes University/University Paris Diderot(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: Paris Globe Institute of Physics/Grenoble Alpes University/University Paris Diderot
• [国際共同研究] University of Chinese Academy of Science/Chinese Academy of Sciences/Univ of Science and Technology of China(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: University of Chinese Academy of Science/Chinese Academy of Sciences/Univ of Science and Technology of China
• [国際共同研究] Academia Sinica(その他の国・地域（台湾）)
  • 国名: その他の国・地域（台湾）
  • 外国機関名: Academia Sinica
• [雑誌論文] Helium and Argon Partitioning Between Liquid Iron and Silicate Melt at High Pressure (2021)
  • 著者名/発表者名: Xiong Zhihua、Tsuchiya Taku、Van Orman James A.
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 48 ページ: -
  • DOI: 10.1029/2020GL090769
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 第一原理計算による超高圧地球科学の新展開 (2020)
  • 著者名/発表者名: 土屋卓久
  • 雑誌名: 高圧力の科学と技術 巻: 30 ページ: 140～155
  • DOI: 10.4131/jshpreview.30.140
  • 査読あり
• [雑誌論文] Novel configurations of VN4 and VN4H defects in diamond platelets: Structure, energetics and vibrational properties (2020)
  • 著者名/発表者名: Gu Tingting、Ritterbex Sebastian、Tsuchiya Taku、Wang Wuyi
  • 雑誌名: Diamond and Related Materials 巻: 108 ページ: 107957～107957
  • DOI: 10.1016/j.diamond.2020.107957
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Structures of Liquid Iron-Light-Element Mixtures under High Pressure (2020)
  • 著者名/発表者名: Ohmura Satoshi、Tsuchiya Taku、Shimojo Fuyuki
  • 雑誌名: physica status solidi (b) 巻: 257 ページ: 2000098～2000098
  • DOI: 10.1002/pssb.202000098
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ab Initio Study on the Lower Mantle Minerals (2020)
  • 著者名/発表者名: Tsuchiya Taku、Tsuchiya Jun、Dekura Haruhiko、Ritterbex Sebastian
  • 雑誌名: Annual Review of Earth and Planetary Sciences 巻: 48 ページ: 99～119
  • DOI: 10.1146/annurev-earth-071719-055139
  • 査読あり
• [雑誌論文] Viscosity of hcp iron at Earth's inner core conditions from density functional theory (2020)
  • 著者名/発表者名: Ritterbex Sebastian、Tsuchiya Taku
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 ページ: -
  • DOI: 10.1038/s41598-020-63166-6
  • 査読あり
• [雑誌論文] Equation of State of Liquid Iron under Extreme Conditions (2020)
  • 著者名/発表者名: Kuwayama Yasuhiro、Morard Guillaume、Nakajima Yoichi、Hirose Kei、Baron Alfred Q.R.、Kawaguchi Saori I.、Tsuchiya Taku、Ishikawa Daisuke、Hirao Naohisa、Ohishi Yasuo
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 124 ページ: -
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.165701
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ab Initio Thermoelasticity of Liquid Iron-Nickel-Light Element Alloys (2020)
  • 著者名/発表者名: Ichikawa Hiroki、Tsuchiya Taku
  • 雑誌名: Minerals 巻: 10 ページ: 59～59
  • DOI: 10.3390/min10010059
  • 査読あり
• [雑誌論文] First Principles Calculation of the Stability of Iron Bearing Carbonates at High Pressure Conditions (2020)
  • 著者名/発表者名: Tsuchiya Jun、Nishida Risa、Tsuchiya Taku
  • 雑誌名: Minerals 巻: 10 ページ: 54～54
  • DOI: 10.3390/min10010054
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin Transition of Iron in δ-(Al,Fe)OOH Induces Thermal Anomalies in Earth's Lower Mantle (2020)
  • 著者名/発表者名: Hsieh Wen‐Pin、Ishii Takayuki、Chao Keng‐Hsien、Tsuchiya Jun、Deschamps Frederic、Ohtani Eiji
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 47 ページ: -
  • DOI: 10.1029/2020GL087036
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] New aluminium hydroxide at multimegabar pressures: Implications for water reservoirs in deep planetary interiors (2020)
  • 著者名/発表者名: Nishi Masayuki、Kuwayama Yasuhiro、Tsuchiya Jun
  • 雑誌名: Icarus 巻: 338 ページ: 113539～113539
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2019.113539
  • 査読あり
• [雑誌論文] Study of Lattice Thermal Conductivity of Earth's Lower Mantle Minerals from First-Principles Calculations (2020)
  • 著者名/発表者名: DEKURA Haruhiko
  • 雑誌名: The Review of High Pressure Science and Technology 巻: 30 ページ: 102～110
  • DOI: 10.4131/jshpreview.30.102
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Discriminating lower mantle composition (2020)
  • 著者名/発表者名: Houser C.、Hernlund J.W.、Valencia-Cardona J.、Wentzcovitch R.M.
  • 雑誌名: Physics of the Earth and Planetary Interiors 巻: 308 ページ: 106552～106552
  • DOI: 10.1016/j.pepi.2020.106552
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Tectonic plates in 3D mantle convection model with stress-history-dependent rheology (2020)
  • 著者名/発表者名: Miyagoshi Takehiro、Kameyama Masanori、Ogawa Masaki
  • 雑誌名: Earth, Planets and Space 巻: 72 ページ: -
  • DOI: 10.1186/s40623-020-01195-1
  • 査読あり
• [雑誌論文] Assessment of Critical Convection and Associated Rotation States in Models of Sun-like Stars Including a Stable Layer (2020)
  • 著者名/発表者名: Takehiro Shin-ichi、Brun Allan Sacha、Yamada Michio
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 893 ページ: 83～83
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab7fa6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Lattice Thermal Conductivity of MgSiO3 Postperovskite Under the Lowermost Mantle Conditions From Ab Initio Anharmonic Lattice Dynamics (2019)
  • 著者名/発表者名: Dekura Haruhiko、Tsuchiya Taku
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 46 ページ: 12919～12926
  • DOI: 10.1029/2019GL085273
  • 査読あり
• [雑誌論文] Viscoelasticity of Liquid Iron at Conditions of the Earth's Outer Core (2019)
  • 著者名/発表者名: Xian Jia‐Wei、Sun Tao、Tsuchiya Taku
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Solid Earth 巻: 124 ページ: 11105～11115
  • DOI: 10.1029/2019JB017721
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of Fe and Al incorporations on the bridgmanite-postperovskite coexistence domain (2019)
  • 著者名/発表者名: Wang Xianlong、Tsuchiya Taku、Zeng Zhi
  • 雑誌名: Comptes Rendus Geoscience 巻: 351 ページ: 141～146
  • DOI: 10.1016/j.crte.2018.10.003
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Solid Solution and Compression Behavior of Hydroxides in the Lower Mantle (2019)
  • 著者名/発表者名: Nishi M.、Tsuchiya J.、Kuwayama Y.、Arimoto T.、Tange Y.、Higo Y.、Hatakeyama T.、Irifune T.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Solid Earth 巻: 124 ページ: 10231～10239
  • DOI: 10.1029/2019JB018146
  • 査読あり
• [雑誌論文] First‐Principles Determination of the Dissociation Phase Boundary of Phase H MgSiO4H2 (2019)
  • 著者名/発表者名: Tsuchiya Jun、Umemoto Koichiro
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 46 ページ: 7333～7336
  • DOI: 10.1029/2019GL083472
  • 査読あり
• [雑誌論文] Modeling Ultralow Velocity Zones as a Thin Chemically Distinct Dense Layer at the Core‐Mantle Boundary (2019)
  • 著者名/発表者名: Hernlund John William、Bonati Irene
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Solid Earth 巻: 124 ページ: 7902～7917
  • DOI: 10.1029/2018JB017218
  • 査読あり
• [学会発表] Ab initio calculations of PVT-EoS of matters. (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Tsuchiya
  • 学会等名: IUCr High-Pressure Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Core-mantle chemical interactions (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Tsuchiya
  • 学会等名: 惑星深部理論研究会
• [学会発表] Physical properties of minerals in the ultrahigh-pressure planetary interior conditions from ab initio computations (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Tsuchiya, H. Dekura, and S. Ritterbex
  • 学会等名: WE-Heraeus-Seminar
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Equation of state for liquid iron under extreme conditions (2020)
  • 著者名/発表者名: Y. Kuwayama, G. Morard, Y. Nakajima, K. Hirose, A. Baron, S. Kawaguchi, T. Tsuchiya, D. Ishikawa, N. Hirao, and Y. Ohishi
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 第一原理計算に基づく超高圧地球科学の新展開 (2020)
  • 著者名/発表者名: 土屋卓久
  • 学会等名: 第60回高圧討論会
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Spin transition in (Mg,Fe)O tilt grain boundaries across the Earth's lower mantle (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Ritterbex and T. Tsuchiya
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Thermal and chemical interactions between the core and mantle (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Tsuchiya, H. Dekura, Z. Xiong, and A. Ohba
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Ab initio lattice thermal conductivity of (Mg,Fe)O ferropericlase at the deepest mantle (2020)
  • 著者名/発表者名: H. Dekura and T. Tsuchiya
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • 国際学会
• [学会発表] 内核の非等方成長に伴う外核中の流れとダイナモ (2020)
  • 著者名/発表者名: 竹広真一, 佐々木洋平
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • 国際学会
• [学会発表] 熱的安定成層への組成対流の貫入について (2020)
  • 著者名/発表者名: 竹広真一, 佐々木洋平
  • 学会等名: 日本流体力学会年会2020
• [学会発表] Ab initio molecular dynamics study of atomic diffusion in covalent liquid under high pressure (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Omura and T. Tsuchiya
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] First-principles prediction of hydrogen partitioning between the core and mantle (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Ritterbex and T. Tsuchiya
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [学会発表] First-principles prediction of hydrogen partitioning between the core and mantle (2019)
  • 著者名/発表者名: A. Ohba and T. Tsuchiya
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [学会発表] Ab initio anharmonic lattice dynamics for Fe-bearing lower mantle minerals (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Dekura and T. Tsuchiya
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [学会発表] Structural and transport properties of liquid iron-light-element mixtures under outer core conditions (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Omura and T. Tsuchiya
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [学会発表] Stable carbon isotope fractionation in Fe-C system from first principles (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Dekura and T. Tsuchiya
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [学会発表] Elasticity of Fe-Si Alloy (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Tsuchiya and Y. Fukunag
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [学会発表] Lateral heterogeneity in the lowermost outer core (F layer) of the Earth revealed by seismic analyses (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Ohtaki, S. Kaneshima, T. Tsuchiya
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [学会発表] Origin and role of lost continents (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Maruyama, K. Kawai, S. Greaux, T. Tsuchiya and T. Cho
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [学会発表] First principles calculation of the stability of iron bearing carbonates at high pressure conditions (2019)
  • 著者名/発表者名: Jun Tsuchiya, Risa Nishida, Taku Tsuchiya
  • 学会等名: Deep Carbon 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] H/D partitioning between forsterite, wadsleyite and ringwoodite : ab inition free energy calculation (2019)
  • 著者名/発表者名: Jun Tsuchiya, and Taku Tsuchiya
  • 学会等名: AGU Fall Meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] 内核の不均一成長に伴う地球外核中の流れと軽成分分布 (2019)
  • 著者名/発表者名: 佐々木洋平, 竹広真一
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [学会発表] Thermal convection in rotating spherical shells and generation of mean zonal flows (2019)
  • 著者名/発表者名: Takehiro Shinichi
  • 学会等名: Workshop on physical and mathematical approaches to geophysical fluid problems
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] A symmetry-breaking self-regulating dynamo generating Mercury’s anomalous magnetic field (2019)
  • 著者名/発表者名: F. Takahashi, H. Shimizu, H. Tsunakawa
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [学会発表] A comparison between top-down and bottom-up type convective flows in a rotating spherical shell with stress-free boundaries (2019)
  • 著者名/発表者名: 谷口陽菜実、高橋太、竹広 真一
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [学会発表] Detection of jerk-like magnetic field variation in a numerical dynamo model using wavelet analysis (2019)
  • 著者名/発表者名: 高橋太、眞鍋佳幹
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [学会発表] Numerical modeling of a lunar dynamo and its long-term evolution (2019)
  • 著者名/発表者名: 兵藤史、高橋太、金嶋聰、清水久芳、綱川秀夫
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [学会発表] Sustainable dipolar morphology of a lunar dynamo driven by compositional convection (2019)
  • 著者名/発表者名: 兵藤史、高橋太、金嶋聰、清水久芳、綱川秀夫
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会
• [学会発表] Analysis of magnetic secular acceleration in a numerical dynamo model (2019)
  • 著者名/発表者名: 高橋太
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会
• [学会発表] An effect of the Rayleigh number on morphology of a long-lived lunar dynamo driven by compositional convection (2019)
  • 著者名/発表者名: F. Hyodo, F. Takahashi, S. Kaneshima, H. Shimizu, H. Tsunakawa
  • 学会等名: AGU Fall Meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Mercury’s Anomalous Magnetic Field as a Result of Symmetry-breaking Self-regulating Dynamo (2019)
  • 著者名/発表者名: F. Takahashi, H. Shimizu, H. Tsunakawa
  • 学会等名: AGU Fall Meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Influences of the inner spherical boundary on the bottom-up type convection at the onset in a rotating spherical shell (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Taniguchi, F. Takahashi, S. Takehiro, H. Shimizu
  • 学会等名: AGU Fall Meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] スーパーアースのマントル対流シミュレーション (2019)
  • 著者名/発表者名: 宮腰剛広、亀山真典、小河正基
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
  • 招待講演
• [学会発表] Tectonic plates in 3D-numerical models of mantle convection with stress-history-dependent viscosity (2019)
  • 著者名/発表者名: 宮腰剛広、亀山真典、小河正基
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [図書] 地球・惑星・生命 (2020)
  • 著者名/発表者名: 日本地球惑星科学連合（編）
  • 総ページ数: 280
  • 出版者: 東京大学出版会
  • ISBN: 978-4-13-063715-2
• [備考] 核－マントルの相互作用と共進化
  • URL: http://core-mantle.jp/