プチスポット火山群を通した水循環・変質作用による海洋プレート改変の数値モデリング

由于小斑点火山群的水循环和蚀变引起的海洋板块变化的数值模拟

• 批准号: 22K03765
• 负责人: 川田 佳史
• 金额: $ 1万
• 依托单位: Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K03765/
• 关键词: 海底熱水循環; 太平洋プレート; 地殻熱流量; 数値計算法; 有限要素法; 有限差分法; 陽解法; プチスポット; 熱水変質作用; 地震発生帯; 沈み込み帯; 数値シミュレーション

太平洋プレートのような古いプレートが沈み込む直前には、プチスポットと呼ばれる海底火山が新たに顔を出すことがある。太平洋プレート上のプチスポット近傍では高い地殻熱流量が観測されており、海底を通した水循環が起こってると考えられている。本研究課題は、このプチスポット海底火山の中を流れる熱水循環が、海底地殻をどのように改変するかを調べる研究である。本研究により、例えば沈み込むプレートの温度構造がどのように変わるかを議論することができ、その結果として、沈み込み帯の巨大地震に温度構造が与える影響を見積もることができるようになる。プチスポットの中を流れる熱水循環を計算するための数値計算法についての検討を行った。本研究では実装が簡単な加速化陽解法を適用することを計画している。陽解法で重要な点は、許される時間ステップを知ることである。そこで、まず通常の流体についての加速化陽解法について、時間ステップが決まる仕組みを明らかにした。本研究では山体の変形に関連する要素である。次に、浸透流の熱対流計算を陽解法を用いて解くための手法を開発した。本研究が扱うのは山体の中の水循環であるから、計算メッシュは不規則にならざるを得ない。そこで、有限要素法を用いることが必須である。そこで加速化された陽解法の有限要素法への実装を行った。しかし陽解法を不規則メッシュの系にそのまま適用すると実は効率が悪いことがわかっている。一方このような系を差分化された式（計算機が扱う形式）のレベルで見ると、計算メッシュが均一で浸透率が不規則な場合に似ている。そこで、浸透率が不規則な場合の計算法を計算メッシュが不規則な場合に適用した。その結果、この方法が不規則メッシュの系を効率よく計算できることを確かめることができた。以上より、本研究課題が扱う予定の数値計算方法を実装することができた。

就在像太平洋盘子这样的旧盘子下，可以出现新的海底火山。已经在太平洋板块的小位置附近观察到高地壳热流，并认为水循环通过海床发生。该研究主题是研究流经这台小地方火山的水热环流如何改变海床地壳。这项研究将使我们能够讨论俯冲板的温度结构如何变化，结果，我们可以估计温度结构对俯冲带大量地震的影响。我们研究了一种数值计算方法，用于计算流过小斑点的热液循环。这项研究计划应用易于实施的加速明确解决方案。明确解决方案的重要一点是知道允许的时间步骤。因此，我们首先阐明了确定正常流体的加速显式解决方案方法的时间步骤的机制。在这项研究中，这些是与山体转化有关的因素。接下来，开发了一种方法来使用明确的解决方案解决渗透流的热对流计算。由于这项研究涵盖了山体内的水循环，因此计算出的网格必须不规则。因此，使用有限元方法至关重要。因此，将加速的显式解决方案实施到有限元方法中。但是，已经发现，将显式方法直接应用于不规则网格系统实际上效率低下。另一方面，当在分化方程式（由计算机处理的格式处理的格式）上查看这样的系统时，它类似于计算网格均匀且穿透速率不规则的情况。因此，当计算网格不规则时，应用渗透率不规则时的计算方法。结果，可以确认该方法可以有效计算不规则网格系统。从以上，我们能够实施本研究主题将要处理的数值计算方法。