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

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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。