2018 Fiscal Year Annual Research Report
Theoretical Modeling of Core-Mantle Materials and Dynamics
| Project Area | Interaction and Coevolution of the Core and Mantle: Toward Integrated Deep Earth Science |
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15H05834
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| Research Institution | Ehime University |
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Principal Investigator |
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)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
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)
中川 貴司 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 数理科学・先端技術研究分野, 主任研究員 (50396941) [Withdrawn]
宮腰 剛広 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 地球深部ダイナミクス研究分野, 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)
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| Project Period (FY) |
2015-06-29 – 2020-03-31
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| Keywords | 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 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
地球深部の熱化学特性およびダイナミクスに関して研究を進展させ、以下の主要な成果を得た。①計画研究A01-3との共同研究により発見した核-マントル境界まで安定領域を有する高圧含水鉱物について、高圧相関係を調べた。またこの含水鉱物が外核の液体金属と接触した際に生じる水の移動反応を、昨年度までに開発を進めてきた熱力学積分第一原理分子動力学法を用いた自由エネルギー計算法により調べ、酸化還元反応を伴わない場合は水はケイ酸塩中にとどまるとする予備的な結果を得た。②昨年度開始した地球内部の主要始原物質であるヘリウム及びアルゴンのケイ酸塩－鉄軽元素合金液体間の分配についての第一原理計算の精度向上を図り、マントル上部条件では両元素ともにケイ酸塩に分配されるのに対し、核－マントル境界条件においては液体鉄に分配されるとする結果を得た。③昨年度に高精度化を行った非調和格子動力学法に基づく第一原理格子熱伝導率計算手法と内部無撞着LDA+U法を組み合わせ、ブリッジマナイト及びフェロペリクレースの熱伝導率に対する鉄固溶効果を計算した。④マントルケイ酸塩における水素・重水素分配を明らかにするために進めてきた各相の自由エネルギー計算から、高圧相に重水素が濃集する傾向があるとする初期的な知見を得た。また炭化鉄-ダイヤモンド間における炭素同位体の分配に関しても、同様の計算を開始した。⑤外核浅部が安定成層している回転系に対するダイナモシミュレーションを行い、固体惑星磁場生成に関する新しいメカニズムを発見した(Nature Comm誌に出版)。⑥計画研究A03-1との共同研究で見出した内核-外核境界直上の地震波速度異常の成因について調べ、内核の不均一構造の既存のシナリオでは速度異常が説明できないことを示した。⑦粘性率が応力履歴に依存するマントル対流モデルを開発し、プレート運動とそれに伴う流れの特徴について調べた。
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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
当初予定通り、独自に開発した第一原理熱力学積分分子動力学法を用いて得られた、主要熱源元素であるカリウムのケイ酸塩メルト－液体鉄間における分配についての計算結果を論文として出版できた。同手法をさらに希ガス分配の圧力依存性に適用するとともに、新たに水の分配に発展させ、得られた結果を用いてマグマオーシャンの化学進化、核の熱史や不均質性の進化、地球史を通じた始原的な希ガス成分の進化に関するモデリングを進めた。前年度までに確立した非調和格子動力学法を用いて下部マントル鉱物（ブリッジマナイト及びフェロペリクレース）の熱伝導特性にに対する鉄の固溶効果ついて計算を完了させ、結果を順次論文にまとめ投稿を開始した。また本研究から得られた液体鉄の物性データを用いて外核深部で観測された不均質性を解釈した結果を論文として出版した他、外核浅部が安定成層している回転系に対するダイナモシミュレーションについては、固体惑星磁場生成に関する新しいメカニズムを発見するに至り、結果をNature Comm誌に出版することができた。その他、内核条件で安定とされる六方晶鉄における鉄の自己拡散係数を計算をほぼ完了し、内核の流動特性のモデル化及び異方性の生成機構についての論文を投稿することができた。
他の計画研究との連携もおおむね計画通りに順調に進展している。特に下部マントル・核物質の熱伝導率に関しては計画研究A01-1及び公募研究との連携が、放射性元素や希ガスの分配及び水素同位体や炭素同位体の分配に関してはA02-1,2、A03-2及び公募研究との連携が、マントル深部物質や外核物質の熱弾性特性に関してはA03-1及び公募研究との連携がそれぞれ順調に進展しており、得られた成果の論文化が順次進められている。
平成30年度は合計10編（内国際共著論文1件）の論文を出版した他、アメリカ鉱物学会フェローの受賞1件があった。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度までに開発・実証計算を進めてきた計算手法を用いて、特に以下の研究を重点的に実施する。①第一原理熱力学積分分子動力学法を用い、マントル－核間の水及び水素の分配を制約する。②第一原理非調和格子動力学法に基づき、下部マントル鉱物の格子熱伝導率に対する鉄固溶効果を定量決定する。③第一原理分子動力学法により内核物質を制約し、内核の成長をモデル化する。④高精度地球ダイナモシミュレーションを用い、安定成層・二重拡散対流による地球ダイナモへの影響についてモデル化する。⑤高密度化学不均質に注目し核－マントル境界に存在する超低速度層の進化をモデル化する。⑥内核外核境界での相変化を考慮した外核内の熱組成対流モデルを用い、内核外核境界直上の地震波速度異常を整合的に説明する。
他の計画研究と連携しながら核－マントル物質の熱化学的性質や元素挙動、核－マントル物質のレオロジー特性を解明し、本研究や他の計画研究から得られた物性データを用いた連続体シミュレーションからマントル最下部領域（D”層）や内核の異方性に関する最新の観測結果の解釈を進める。最終的に地球深部の①熱特性、②放射性熱源、始原物質、揮発性元素（水、二酸化炭素）の総量及び分布、③それらの形成・進化過程について、物質科学とダイナミクスの知見を統合し、包括的制約を与える。
これらの研究を効率的に推進するために計2回、班会議を開催し、状況の確認及び情報交換を行い、研究者間の連携をさらに高度化するとともに、研究項目A02やA03が開催する合同班会議等に参加し分野間連携についてもさらなる促進を図る。
得られた成果を地球惑星科学連合（JpGU）、Goldschmidt会議、国際測地学連合（IUGG）、アメリカ地球物理学連合（AGU）などの国内外の学会において発表するとともに、随時論文化し研究成果を積極的に公表する。
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[Book] 新しい地球惑星科学2019
Author(s)
西山 忠男, 吉田 茂生, 高橋太（共編著）
Total Pages
287
Publisher
培風館
ISBN
978-4-563-02522-9
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