応力履歴依存粘性3次元球殻マントル対流モデルによるプレート運動の解明

使用应力历史相关的粘性三维球壳地幔对流模型阐明板块运动

• 批准号: 22K03788
• 负责人: 宮腰 剛広
• 金额: $ 1.58万
• 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 2026-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K03788/
• 关键词: プレート運動; マントル対流; 応力履歴依存粘性; 3次元球殻; ３次元球殻; プレート運動; マントル対流; 応力履歴依存粘性; 3次元球殻; ３次元球殻

本研究課題では、「応力履歴依存粘性」を導入した「3次元球殻」マントル対流モデルの開発を行い、地球史におけるプレート運動とマントル内部構造の共進化過程等を明らかにする事を目標としている。プレートを構成する岩石が一旦割れた場合、破壊を受けた時の強さより応力が弱くなっても、割れた部分はそのまま維持されている。そのため地球上では同じ応力が掛かっていても、割れている部分と無傷である部分が併存している。すなわち、プレートの状態は過去の応力履歴に依存しており、このような「応力履歴依存粘性」モデル（Ogawa, 2003）が、Miyagoshi et al. (2020)によって3次元箱型モデルに導入されたが、本研究課題ではそれを「3次元球殻」モデルに拡張し、実際の地球に即したプレート運動とそれに伴う地球内部活動の発展史を調べる。計画の初年度における本年度は、応力履歴依存粘性モデルをを3次元球殻版に移植した。そのモデルを用いて、「地球シミュレータ」等のスーパーコンピュータを用いてプレート運動を伴うマントル対流計算を開始した。当初想定していたよりも、球殻モデルではかなり計算が難しい事が分かった。具体的には、粘性率の温度依存性（これが存在する事により地球表面にプレートが形成される）及び応力破壊による粘性率の低下量が、最初からプレート運動レジームのパラメータで計算しようとすると収束が難しすぎて計算が全く進まなくなってしまう事が分かった。そのため両者とも、収束しやすい（小さな）値から徐々に目標値に近付けていくという工夫を行った。結果として、両者とも、ほぼ1000倍の依存性（マントル内部温度と表面の温度差により粘性率に1000倍の差が生じる、および破壊を受けた部分とそうでない部分とでは粘性率に1000倍の差がある）という、目標値にほとんど近い領域まで到達する事が出来た。

该研究主题是开发一个“ 3D球形壳”地幔对流模型，该模型引入了“应力历史依赖性粘度”，并阐明了地球历史上板块运动和地幔内部结构的共同进化过程。一旦构成盘子的岩石被打破，即使压力比被摧毁时的强度较弱，破裂的部分仍然保持完整。因此，即使在地球上施加了相同的应力，也有两个部分是破裂和完整的。换句话说，板的状态取决于过去的压力史，而这种“应力史依赖性粘度”模型（Ogawa，2003）由Miyagoshi等人引入了三维盒子模型中。 （2020）。在此研究主题中，我们将其将其扩展到“ 3维球形壳”模型，并研究与地球一致的板运动的发育历史以及内部地球活动的伴随发展。今年是计划的第一年，我们将一个依赖于应力史的粘度模型植入了三维球形外壳版本。使用此模型，使用诸如Earth Simulator之类的超级计算机开始使用板运动的地幔对流计算。事实证明，使用球形壳模型计算要比我们最初预期的要难得多。具体而言，已经发现，粘度的温度依赖性（这会导致板在地球表面形成）以及由于试图使用平板运动状态的参数从开始的开始时，由于应力骨折而导致的粘度减少量，并且收敛太难了，而且计算将根本无法进行。因此，它们俩都被设计为逐渐从可能收敛（小）的小价值逐渐移动到逐渐接近目标值。结果，两者都能够到达几乎接近目标值的区域，其依赖性近1000倍（由于内部地幔和表面之间的温度差，粘度的差异为1000倍，粘度的差异为1000倍，部分均约为破裂的部分和未损坏的部分）。