Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

マントル進化 / 火成活動 / マントル対流 / プレートテクトニクス / 比較惑星 / 数値モデリング / 三次元数値モデリング / プレート境界生成 / マグマの生成と移動 / 惑星内部進化 / 数値実験 / ３次元モデル / 三次元 / 3次元モデル / 三次元球殻モデル / 水星 / スーパー地球 / マグマ移動 / 月 / 数値シミュレーション / 地球 / 金星

本研究では、まず二次元モデルを用いた数値シミュレーションにより、火成活動やマントル対流の結果、地球など様々なサイズの惑星においてマントルは45億年の歴史を通じてどのように進化するかを探求した。さらに、この研究で明らかになったマントル対流と火成活動の相互作用やプレートテクトニクスによるマントルの不均質構造形成などの進化の主要な特徴が、三次元球殻マントルにおいても同様に発現するかを解明するため、三次元数値モデルを開発し、将来の惑星進化のリアリスティックなモデリングへの展望を開いた。

地球磁場 / 地球流体核 / ダイナモ作用 / 磁場変動観測 / 室内実験 / 数値シミュレーション / 乱流 / 地球ダイナモ / 液体金属 / 熱対流 / 数値モデリング

液体金属を用いた熱対流実験と数値シミュレーションを行い、レーリー数、外部磁場及び対流槽の回転速度によって、対流の様相がどのように変化するかを調べ、ダイナモ作用の原動力である地球中心核内の対流運動の活発さやエネルギー散逸量と、地表で観測可能な地球磁場とその変動との関係を見出した。本実験により外部磁場とレーリー数のある範囲内で熱対流パターンの不規則かつ自発的な逆転現象が発見されたことは、地球磁場の逆転の起源を解明する上で重要な進展である。

マントル進化 / マントル対流 / 火成活動 / 比較惑星 / 数値モデリング / 地球 / 金星 / 火星 / 数値シミュレーション / 水 / スーパー地球 / 地球型惑星 / 内部進化 / 地球側感惑星 / プレートテクトニクス / 地球史 / 火星の進化 / 水の循環 / プレート・テクトニクス

2次元火成活動・マントル対流結合系の数値シミュレーションを行い、火星のマントル進化モデルを完成すると伴に、地球のマントルは、25億年前の太古代・原生代境界におけるテクトニクスの変化に対応して、2段階にわかれて進化したというモデルを構築した。

マントル対流 / プレートテクトニクス / 火成活動 / スーパープルーム / マントル進化 / 数値モデリング / マントルの熱・化学的状態 / 数値シミュレーション / 数値モデル

本研究における数値シミュレーションでは、プレート・テクトニクスと海嶺における火成活動を他に例を見ない厳密さで再現し、超大陸の分裂・巨大火成岩岩石区(LIPs)の生成など地球の進化に重要な役割を演じてきたスーパープルームを、プレート運動と海嶺火山活動の必然的な結果として再現することに成功した。さらに、スーパープルームが出現するための必要条件を明らかにするとともに、その力学的挙動が地球の進化とともにどのように変遷してきたかを予想した。具体的結果は以下の通りである。
(1)スーパープルームは、沈み込んだ海洋地殻がコア・マントル境界上に蓄積し、豊富な放射性元素による内部加熱のため高温となってできたものである。スーパープルームは組成的・熱的浮力が釣り合って、全体としては浮力を持たず、マントル深部に安定に存続し続ける。
(2)太古代の頃は、現在より豊富な放射性元素による加熱のため、スーパープルームは高温となり、頻繁にその一部がプルームとして浮上し、活発なホットスポットの火山活動を引き起こした。このときのマグマ生成は深さ千キロにまで及ぶこともあった。さらに、この火山活動は、新たなプレート境界を頻繁に生成し、プレート運動を数十億年のスケールで定常に保った。
(3)時代が下り、放射性元素による内部熱源が減衰するにつれ、スーパープルームの温度は下がり、プルーム活動は間欠的になった。このため、プルームによるプレート境界生成もより間欠的になり、プレート運動そのものも間欠的になった。
(2)のマントル深部におけるマグマ生成は太古代におけるコマチアイト生成と、(3)の間欠的なプルーム活動やプレート・テクトニクスの活動は大陸移動のウィルソンサイクルと整合的であり、今回の研究で構築されたマントル進化のモデルは、全体として、地球のマントル進化の特徴を良く捉えていると考えられる。

【研究分担者】
柳澤孝寿	国立研究開発法人海洋研究開発機構	その他	研究員	(Kakenデータベース)
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	(Kakenデータベース)

【研究連携者】
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	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
陰山聡	神戸大学	大学院・システム情報学研究科	教授	(Kakenデータベース)
宮腰剛広	独立行政法人海洋研究開発機構	地球内部ダイナミクス領域	研究員	(Kakenデータベース)
柳澤孝寿	独立行政法人海洋研究開発機構	地球内部ダイナミクス領域	主任研究員	(Kakenデータベース)
田坂裕司	北海道大学	大学院・工学研究院	准教授	(Kakenデータベース)
隅田育郎	金沢大学	自然システム学系	准教授	(Kakenデータベース)
櫻庭中	東京大学	大学院・理学系研究科	助教	(Kakenデータベース)

【研究連携者】
武田靖	北海道大学	大学院	工学研究員・名誉教授	(Kakenデータベース)