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2016 年度 実施状況報告書

『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

研究課題

研究課題/領域番号 26400457
研究機関愛媛大学

研究代表者

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)

研究期間 (年度) 2014-04-01 – 2018-03-31
キーワードマントル対流 / 数値シミュレーション / 停滞スラブ / 海溝後退
研究実績の概要

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。

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。

今後の研究の推進方策

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。

次年度使用額が生じた理由

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。

次年度使用額の使用計画

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。

  • 研究成果

    (11件)

すべて 2017 2016

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 4件)

  • [雑誌論文] Extremely long transition phase of thermal convection in the mantle of massive super-Earths2017

    • 著者名/発表者名
      Takehiro Miyagoshi, Masanori Kameyama, Masaki Ogawa
    • 雑誌名

      Earth, Planets and Space

      巻: 69 ページ: -

    • DOI

      10.1186/s40623-017-0630-6

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Estimate of subduction rate of island arcs to the deep mantle2016

    • 著者名/発表者名
      Hiroki Ichikawa, Shinji Yamamoto, Kenji Kawai and Masanori Kameyama
    • 雑誌名

      Journal of Geophysical Research: Solid Earth

      巻: 121 ページ: 5447ー5460

    • DOI

      10.1002/2016JB013119

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Numerical studies on convective stability and flow pattern in three-dimensional spherical mantle of terrestrial planets2016

    • 著者名/発表者名
      Takatoshi Yanagisawa, Masanori Kameyama, and Masaki Ogawa
    • 雑誌名

      Geophysical Journal International

      巻: 206 ページ: 1526-1538

    • DOI

      10.1093/gji/ggw226

    • 査読あり
  • [学会発表] Numerical studies of mantle evolution in planets of various sizes2016

    • 著者名/発表者名
      Masaki Ogawa, Masanori Kameyama, and Takatoshi Yanagisawa
    • 学会等名
      American Geophysical Union 2016 Fall Meeting
    • 発表場所
      サンフランシスコ (アメリカ合衆国)
    • 年月日
      2016-12-15
    • 国際学会
  • [学会発表] 2次元円環状モデルを用いたスラブの挙動・形態に関する数値シミュレーション2016

    • 著者名/発表者名
      土田 真愛、亀山 真典
    • 学会等名
      日本地震学会2016年度秋季大会
    • 発表場所
      名古屋国際会議場 (愛知県名古屋市熱田区)
    • 年月日
      2016-10-05
  • [学会発表] Numerical simulations on the upwelling plumes in the mantle of super-Earths in 2-D axisymmetric geometry2016

    • 著者名/発表者名
      Masanori Kameyama, Mifuyu Kinoshita
    • 学会等名
      The 26th Goldschmidt Conference
    • 発表場所
      パシフィコ横浜 (神奈川県横浜市西区)
    • 年月日
      2016-06-27
    • 国際学会
  • [学会発表] 熱伝導率の深さ依存性と強い圧縮性をもつ流体の熱対流シミュレーション: スーパー地球のマントル対流に対する考察2016

    • 著者名/発表者名
      亀山 真典、山本 真由美
    • 学会等名
      日本地球惑星科学連合2016年年会
    • 発表場所
      幕張メッセ (千葉県千葉市美浜区)
    • 年月日
      2016-05-26
  • [学会発表] 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

    • 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2016年年会
    • 発表場所
      幕張メッセ (千葉県千葉市美浜区)
    • 年月日
      2016-05-24
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      亀山 真典、宮腰 剛広、柳澤 孝寿、小河 正基
    • 学会等名
      日本地球惑星科学連合2016年年会
    • 発表場所
      幕張メッセ (千葉県千葉市美浜区)
    • 年月日
      2016-05-24
  • [学会発表] Estimate of subduction rate of island arcs to the deep mantle2016

    • 著者名/発表者名
      Hiroki Ichikawa, Shinji Yamamoto, Kenji Kawai, and Masanori Kameyama
    • 学会等名
      日本地球惑星科学連合2016年年会
    • 発表場所
      幕張メッセ (千葉県千葉市美浜区)
    • 年月日
      2016-05-23
    • 国際学会
  • [学会発表] Numerical simulations on the upwelling plumes in the mantle of super-Earths in 2-D axisymmetric geometry2016

    • 著者名/発表者名
      Masanori Kameyama, Mifuyu Kinoshita
    • 学会等名
      日本地球惑星科学連合2016年年会
    • 発表場所
      幕張メッセ (千葉県千葉市美浜区)
    • 年月日
      2016-05-22
    • 国際学会

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公開日: 2018-01-16  

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