Theoretical Modeling of Core-Mantle Materials and Dynamics

2020 Fiscal Year Final Research Report

• Project Area: Interaction and Coevolution of the Core and Mantle: Toward Integrated Deep Earth Science
• Project/Area Number: 15H05834
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Ehime University
• Principal Investigator: Tsuchiya Taku 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 教授 (70403863)
• 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) ; 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) ; 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)
• Project Period (FY): 2015-06-29 – 2020-03-31
• 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

Outline of Final Research Achievements

The core-mantle physical and chemical interactions have been studied in this project by means of the first principles computation, fluid dynamics simulation, and theoretical modeling. Codes for the first principles computations of mineral properties at the deep mantle and core pressure and temperature conditions and for the mantle convection and geodynamo simulations including volatile and light components have been developed. Using these techniques, new insights and discoveries on the average chemical composition of the lower mantle, the viscosity of the inner core, a new high-pressure hydrous mineral stable up to the core-mantle boundary, the location of the primordial reservoir, the effects of the core-mantle interaction on the fine heterogeneous structure of the geomagnetic field. The research outputs have been published mainly in international high-impact journals including Nature.

Free Research Field

鉱物物性理論

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

地球内部科学における未解決の重要問題は、核とマントルを結合系としてとらえ、その相互作用を明らかにすることにより初めて解明が可能となる。しかし地球深部の温度圧力条件下での精密物性測定や、地質学的時空間スケールでの地球の変遷の再現を実験室内で行うことはいまだ極めて困難であり、理論的数値的アプローチからの研究が欠かせない。これまであいまいだった物性データを第一原理計算から得られる高精度データに置き換え、より現実的なマントルや核の連続体シミュレーションを実現したことにより、核－マントル結合系のダイナミクスや熱化学進化の理解を大きく進展させた。