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。

就在像太平洋板块这样的古老板块俯冲之前，有时会出现被称为小点的新水下火山。在太平洋板块的小斑点附近观察到了高地壳热流，人们认为水循环是通过海底发生的。这项研究的目的是调查这座小点海底火山内部流动的热液循环如何改变洋底地壳。通过这项研究，我们将能够讨论俯冲板块的温度结构如何变化，从而估计温度结构对俯冲带大地震的影响。我们研究了一种计算 Petit Spot 内部热液循环的数值计算方法。在这项研究中，我们计划应用一种易于实现的加速显式方法。显式方法中的一个重要点是了解允许的时间步长。首先，我们阐明了普通流体加速显式方法中时间步长的确定机制。本研究中，它是与山体变形相关的元素。接下来，我们开发了一种使用显式方法解决渗流热对流计算的方法。由于这项研究涉及山体内部的水循环，因此计算网格必须是不规则的。因此，使用有限元方法是很有必要的。因此，我们在有限元方法中实现了加速显式方法。然而，人们发现，直接将显式方法应用于具有不规则网格的系统实际上效率很低。另一方面，当在微分方程（计算机处理的格式）水平上观察这样的系统时，它类似于计算网格均匀而渗透率不规则的情况。因此，计算网格不规则的情况采用渗透率不规则时的计算方法。结果，我们能够确认该方法可以有效地计算具有不规则网格的系统。综上所述，我们能够实施本研究项目计划的数值计算方法。