マントル内部の水輸送シミュレーション：地球規模の化学的不均質構造の解明にむけて

本課題では，数理モデルによりマントル内部水輸送を再現し，その結果から地球マントルの化学進化を解明することを目標としている．前年度までに，水と微量元素の輸送を含むモデル化の大綱は完成していた．本年度は，より現実的な水輸送を再現し，天然の岩石の化学データと比較するため，計算コードを次のように拡張した：(1)浸透率に応じた流体相の運動の導入，(2)MPS法による高精度な水素拡散の導入，(3)複数核種(U,Th,Pb,Rb,Sr等)について，脱水実験に基づく元素の固液分別・放射壊変に伴う増減・粒子法に基づく輸送のモデル化．この計算コードを大型計算機TSUBAMEで実行した結果，マントル浅部での脱水/加水で発生する化学不均質は，プレート-スラブの近傍（高粘性域）で発生するため，マントル全体に亘って簡単には混合されないことが再現された．一方，海洋スラブが下部マントルへ崩落する際，含水リングウッダイトの分解に伴ってマントル広域で自由流体が発生し，同時に広域な物質分化と効率的な不均質の輸送が再現された．その際，親水成分に富む含水プルームを伴う場合もあった．この過程で発生する不均質の分布と元素濃度変化が，下部マントルの最大含水率，および各元素の下部マントル物質/水間の分配係数に強く依存することを示し，将来の高圧実験でこの新たな分化過程の重要性を検証できることを提言した．特に超大陸の形成する時代，その直下で滞留スラブの崩落が優勢になるため，地球史を通じて大陸の離合集散がマントルの同位体進化と密接に関連してきた可能性がある．滞留スラブ崩落に伴う脱水は近年の地震学からも提言されており，本結果はマントル内部水輸送の観測分野に対しても示唆を与える．当該研究について日本地球惑星科学連合大会で発表し，学生優秀発表賞を受賞した．研究成果は東京工業大学の博士論文となったほか，国際誌への投稿を予定している．

本課題では，数理モデルによりマントル内部水輸送を再現し，その結果から地球マントルの化学進化を解明することを目標としている．前年度までに，水と微量元素の輸送を含むモデル化の大綱は完成していた．本年度は，より現実的な水輸送を再現し，天然の岩石の化学データと比較するため，計算コードを次のように拡張した：(1)浸透率に応じた流体相の運動の導入，(2)MPS法による高精度な水素拡散の導入，(3)複数核種(U,Th,Pb,Rb,Sr等)について，脱水実験に基づく元素の固液分別・放射壊変に伴う増減・粒子法に基づく輸送のモデル化．この計算コードを大型計算機TSUBAMEで実行した結果，マントル浅部での脱水/加水で発生する化学不均質は，プレート-スラブの近傍（高粘性域）で発生するため，マントル全体に亘って簡単には混合されないことが再現された．一方，海洋スラブが下部マントルへ崩落する際，含水リングウッダイトの分解に伴ってマントル広域で自由流体が発生し，同時に広域な物質分化と効率的な不均質の輸送が再現された．その際，親水成分に富む含水プルームを伴う場合もあった．この過程で発生する不均質の分布と元素濃度変化が，下部マントルの最大含水率，および各元素の下部マントル物質/水間の分配係数に強く依存することを示し，将来の高圧実験でこの新たな分化過程の重要性を検証できることを提言した．特に超大陸の形成する時代，その直下で滞留スラブの崩落が優勢になるため，地球史を通じて大陸の離合集散がマントルの同位体進化と密接に関連してきた可能性がある．滞留スラブ崩落に伴う脱水は近年の地震学からも提言されており，本結果はマントル内部水輸送の観測分野に対しても示唆を与える．当該研究について日本地球惑星科学連合大会で発表し，学生優秀発表賞を受賞した．研究成果は東京工業大学の博士論文となったほか，国際誌への投稿を予定している．