| 研究課題/領域番号 |
18K03811
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| 研究機関 | 国立研究開発法人海洋研究開発機構 |
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研究代表者 |
吉田 晶樹 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 海域地震火山部門, 主任研究員 (00371716)
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| 研究分担者 |
斎藤 実篤 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 研究プラットフォーム運用開発部門, 調査役 (40292859)
吉澤 和範 北海道大学, 理学研究院, 准教授 (70344463)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 数値シミュレーション / マントル対流 / プレート運動 / 大陸リソスフェア / 大陸分裂 / 大陸縁分裂 / ゴンドワナ / ジーランディア |
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| 研究実績の概要 |
［A］ 三次元全球殻マントル対流の数値シミュレーションを実施し、ゴンドワナ大陸東縁が分裂した当時の全地球的なマントルの内部活動と大陸分布との関係について調査した。シミュレーションに必要な全マントルの温度場の初期条件については、さまざまな温度場のパターンを仮定し、約1.1億年前当時の大陸リソスフェア（以下、「大陸」）の配置を空間的に固定させた状態で統計的定常状態になるまで計算した。その結果、温度場の初期条件として全マントル地震波速度異常構造モデル（SEMUCB_WM1）から変換した温度場を考慮したときのみ、ゴンドワナ大陸東縁沖に広範な海洋プレートの沈み込みが再現されることがわかった。このことは、シドニー大学らによる精細な古地磁気データを用いて復元された当時のプレート運動パターンと整合的で、マントル深部の二つの大規模高温領域の分布に規定されるマントル対流パターンが当時のプレート運動パターンの再現に重要であることが示唆される。
［B］ 上記［A］の研究と平行し、二次元矩形領域での粘弾塑性マントル対流の予備的数値シミュレーションを実施し、ジーランディアが分裂する前のゴンドワナ大陸東縁域を想定した厚い大陸が分裂するメカニズムを調査した。数値モデルには、地殻を含む厚さ200 kmの大陸を考慮し、シミュレーション開始時からある短い期間（例えば、10万年間）だけ、境界条件として計算領域の左右の側面境界を一定の速度で引っ張り、先験的に大陸内に伸張場を与えた。その結果、大陸の深部までにわたる破壊帯（高歪速度帯）が発達すると、その破壊帯に沿って高温のマントルが受動的に上昇して熱浸食が拡がり、やがて約500万年までに厚い大陸を分裂させることがわかった。このことは、マントル深部からの能動的な上昇流や、それによる加水融解の効果を考慮しなくても「大陸縁分裂」が起こりえることが示唆される。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究課題の交付申請段階では、三次元全球殻マントル対流の数値シミュレーションによって、ゴンドワナ大陸東縁におけるジーランディアの分裂を再現する予定であったが、さまざまな初期条件の温度場を仮定した実験的アプローチに想定よりもかなりの時間を割いたので、大陸分裂の再現までは至らなかった。一方、最新の全マントル地震波速度異常構造モデルに基づく温度場を初期条件として用いたモデルで、ゴンドワナ大陸東縁沖において広範な海洋プレートの沈み込みが再現されたことは、既に古地磁気学データから復元されている当時の地球表層の状態を単に再現しただけではなく、独立した地球科学データ（つまり、従来研究では古地磁気学データ、本研究では地震学的データ）によって、過去の地球マントルの内部構造までもが推定できたという点で重要で、これは当初では予想困難な成果である。
また、上記の数値シミュレーションとは別に、マントル対流による大陸リソスフェア（以下、「大陸」）の底面に働く「引きずり力」の一般的問題について、流体力学に基づく理論解析を行った。その結果、大陸が“適度”に大きな粘性率をもつ（上部マントルの粘性率と比較して3桁程度大きい）場合、100 MPa程度の大陸を移動させる推進力が大陸底面に働くことがわかった。これは、研究代表者によるこれまでの数値シミュレーションでも示した通り、一般的には、超大陸を構成する大陸底面にはマントル対流による引きずり力に伴う伸張場が大陸内に卓越する可能性が高いことが示唆される。
二次元矩形領域での粘弾塑性マントル対流の数値シミュレーションによる「大陸縁分裂」のメカニズムの解明は、次年度から実施する予定であったが、今年度前倒しで実施することができ、本研究課題の根幹に関わる問題について理解が深まった。
したがって、総合的に判断して本研究課題はおおむね順調に進展していると自己評価をした。
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| 今後の研究の推進方策 |
次年度以降の三次元全球殻マントル対流の数値シミュレーションでは、最新の地球物質科学的研究で得られているより現実的な地殻・マントルのレオロジーを考慮し、ジーランディアがゴンドワナ大陸から分裂を開始する前からの地球表層運動とマントル内部の対流運動との相互作用、及び、全球的なマントルの流れが超大陸分裂に及ぼす役割について調査する。
また、二次元粘弾塑性マントル対流の数値シミュレーションモデルの設計では、現在のオーストラリア大陸周辺域のプレートの厚さと構造については地震表面波解析によるトモグラフィーモデルに基づく結果を参照し、ジーランディア周辺の厚さと構造については海洋研究開発機構ほかの調査で得られているロードハウライズ下の地震波速度構造や重力異常分布を参照する。モデルの解像度は、大陸地殻の厚さの変化が十分に解像できるようにアダプティブメッシュ法を採用し、地表面や海溝付近での解像度を水平方向、深さ方向とも1 km程度にする。
今年度の研究で、超大陸の縁辺に限っては、沈み込むスラブの後退に伴う「吸い込み力」による伸張場が卓越し、それが少なくとも「大陸縁分裂」の原因の一つになっている可能性が強まった。したがって、次年度以降では、大陸移動とプレート沈み込みが一体となった粘弾塑性マントル対流の数値モデルを設計することで、マントル深部からの能動的な上昇流とそれに伴うマントルの水平方向の流れによって超大陸の「内陸」下に伸張場が働き、これが超大陸内陸部の大陸分裂に寄与するかどうかの問題も追求する必要がある。
以上のように、三次元全球殻モデルと高解像度二次元矩形モデルを問題に応じて使い分け、活動的大陸縁での大陸縁分裂と沈み込みプレート後退のメカニズムの一般的理解、及び、マントル深部の大規模地震波速度異常域（LLVP）から地理的に離れたゴンドワナ大陸東縁での大陸縁分裂のメカニズムの解明に近づきたい。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
研究の進捗状況に合わせて、平成30年度に購入予定であった計算機関係消耗品の一部を次年度に購入することにした。平成31年度分として請求した助成金と合わせて計算機関係消耗品に当てる予定である。
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