基本情報

氏名
吉田 晶樹(よしだ まさき)
専門分野
地球内部物理学(グローバルテクトニクス、マントルダイナミクス、ジオイド異常・重力異常)
地球進化史(大陸分裂と超大陸サイクルの原動力、大陸移動史、プレートと地殻の形成・成長)
地震テクトニクス(プレート内応力場の起源、スラブ内浅発大地震の発生機構、断層レジーム)
数値流体力学(大規模並列数値計算、連続体力学、非定常熱対流問題、離散化法、粒子追跡法)
電子メールアドレス
myoshida@jamstec.go.jp
所属・略歴

研究紹介

研究概要

地球表層と地球内部の運動を研究し、
地球46億年史の全容解明に貢献します
● 研究対象
 私は地球惑星内部の変動と歴史、及び大陸と海洋プレートの進化(特にマントルダイナミクスとプレートテクトニクス)に関する研究テーマにおいて、地球物理学的手法(主に数値シミュレーションや理論解析、地球物理学的観測データの解析)を用いて研究を行っています。研究の空間的な対象領域は、地球表層(プレート、地殻)からマントル、地球中心核(コア)まで、時間的な対象領域は、地球が形成された約45.5億年前から現在、そして次の超大陸が地球に形成されるであろう未来の数億年後までです。
 私たちが住む地球表層に現れるさまざまな地質現象(プレートの生成や沈み込み、大陸移動、造山運動、地震・火山活動など)と地球内部の運動との熱的・力学的・物質的相互作用は非常に複雑で未だ多くのことが分かっておらず、特に地球ダイナミクスに関してはこれからも統合的・包括的な理解に対する努力が必要です。そのような固体地球惑星物理学の現状の中で、特に、
  • 地球マントルのダイナミクスと固体地球システムの熱的・力学的・物質的進化
  • 活動的・受動的大陸縁での超大陸分裂のメカニズムと超大陸サイクルの原動力
  • プレートテクトニクスとプレート沈み込みの開始条件、プレート運動の原動力
  • マントルの遷移層・深部に沈み込む海洋プレートと海洋地殻層の三次元的挙動
  • スラブ内浅発大地震が発生するテクトニックな背景及び海溝移動のメカニズム
  • 沈み込み帯の背弧応力・海溝移動・スラブ内応力場・スラブ形態の統一的理解
  • ホットスポット火山の起源となるプルームの熱流量と火山帯下の熱・物質輸送
  • マントルとコアとの熱的・力学的・物質的相互作用と、熱・粘性カップリング
  • 規則格子をベースとした新しいマントル対流数値シミュレーション手法の開発
に興味を持って研究を進めています。
● 研究手法
 地球惑星内部の構造や進化、ダイナミクスにおける謎や未解決問題を解明しようとするとき、数値シミュレーションは、地質調査、地球物理学的観測、岩石試料の高圧実験や地球化学分析などに並ぶ重要な研究手法の一つあり、マントルやコアの対流運動を「再現」・「復元」する唯一の手段です。特に、マントルの内部構造の進化に多大な影響を及ぼしてきたと考えられる地球表層運動のメカニズム、及び、地球表層運動とマントル対流との熱的・力学的相互作用の歴史の解明には、数値シミュレーションが有効な手段の一つであると考えます。
 私は、さまざまな地質現象の根源であるマントルの対流運動の性質と原動力を解明するために、以下の二つのアプローチから研究を進めています。
  1. 地球惑星内部の対流運動を支配する物理法則やマントル物質の構成則・変形則など基本原理に基づく理論モデルを用いてマントル対流や地球表層運動の時間変化を計算する手法
  2. 地質学的証拠や地球物理学的観測結果、岩石の高圧物性実験の結果を拘束条件として現在や過去のマントル内部の構造や力学的状態を推定する手法
 以上のような数値シミュレーションによる手法のほかに、流体力学的理論に基づく数値解析や地球物理学的観測データの解析によるマントルの構造やダイナミクスの研究も行っています。特に、数値シミュレーションの手法を用いた地球内部ダイナミクスの研究は、隣接分野、特に地質学や地震学、岩石・鉱物・鉱床学、地球化学への深い理解があって進展します。このような隣接分野の研究者との情報交換も大切にしながら研究を進めています。
● 研究内容
 上記の二つのアプローチのうち、(1)に関しては、大陸移動が実現可能なマントル対流の三次元数値モデルを世界に先駆けて開発し(例えば、2010年の論文)、大陸とマントルとの熱的・力学的相互作用の歴史、超大陸の形成・分裂過程(いわゆる、超大陸サイクル)について研究を進めています。また、約2億年前から始まった超大陸パンゲアの分裂以降の地球表層運動と地球内部構造の復元、それに関わるプレート運動や大陸移動の原動力の解明にも取り組んでいます(例えば、2015年の論文と2016年の論文)。(2)に関しては、個人研究のみならず、国内外の地震学、テクトニクス、測地学分野の研究者と共同で、地球表層運動とマントル内部の運動との相互関係についてさまざまな地球物理学的観測データや地震学的データを最大限に活用して研究を進めています(例えば、2010年の論文、2014年の論文、2015年の論文)。
 さらに、数値シミュレーションによって得られたマントル対流・表層運動の振る舞いと、実際の地球マントルで起こっている現象とを比較・検討し、数値計算モデルにフィードバックさせるために、プレート運動や重力・ジオイド異常、地形(トポグラフィー)、プレート内応力場、沈み込むスラブ内の地震のメカニズム(スラブ内応力場)、地殻熱流量、ホットスポット火山の分布、マントルの三次元地震波速度異常構造、地球磁場など、地球表層テクトニクスに密接に関係する地球物理学的観測量のデータ解析も行っています。最近では、沈み込み帯の背弧応力、海溝移動、スラブ内応力場、スラブ形態の統一的理解を目指しています(例えば、2017年の論文)。これは地球科学上の第一級の未解決問題であるプレート運動の原動力のみならず、テクトニクス起源の長期的な気候変動の解明などに繋がります。また、高レイリー数で粘性率が桁で異なる二層対流を同時に解く超高解像度のシミュレーションも行い、実際の地球のマントル対流とコア対流とのカップリングの物理的理解を目指しています(例えば、2016年の論文)。これは、地球表層環境や生物進化にも影響を与えうる数10万年規模で起こる地球磁場逆転のメカニズムの定量的解明にも繋がる可能性を秘めていると考えます。これらの先進的研究により、固体地球科学のできるだけ幅広い学問領域に寄与したいと考えています。
 また、既存のモデルの高度化のみならず、上記の研究を少ない計算機資源で効率的に実施するために、既存の数値流体力学の手法に依存しない独自の計算手法を取り入れたシミュレーションプログラムの開発にも取り組んでいます。例えば、2004年には、極の座標特異点を克服した計算格子(インヤン格子)を用いて、差分法系の手法による実用的な三次元球殻内マントル対流数値シミュレーションプログラムの開発に世界で初めて成功しました(例えば、2004年の論文と2005年の論文)。
● 研究の最終目標
 地球科学的な現象や観測量は、物理学等の基本原理に基づくモデルによって説明されることにより理解が深まります。一方、そのような理解は、今後も観測・調査研究や深部物質の実験的研究を中心として日進月歩で進展するであろう、固体地球科学のさまざまな分野における今後の研究の指針や方向性にも影響を与えるものと信じています。例えば、地震学や測地学をベースとする地球観測研究、また地球年代学をベースとする地質学研究からは、時間的・空間的な情報は制限されていますが(地球表層から地球深部に向かうほど、また、現在から過去に時間を遡るほどデータの量が少なくなり質も下がる)、地球内部の長期的変動、並びに、地球深部のダイナミクスを理解するためには、観測情報を補完するための数値シミュレーション研究が必須であると考えます。私の研究の最終的な目標は以下の通りです。
  1. 計算機の中で地球の歴史を「再現」・「復元」することにより、過去や現在の地球内部の状態(温度構造、力学構造、組成分布)に対する理解を深め、46億年にわたる地球史の全容解明に貢献し、地球表層運動と地球内部の対流運動との熱的・力学的相互作用に関する新たな知見を探求すること
  2. 巨大地震や火山噴火(マグマ活動)、テクトニクス起源の気候変動など、私たちの生活を脅かす地質現象由来の自然災害を引き起こすメカニズムを地球内部ダイナミクスと関連づけて理解することにより、防災・減災・地球環境分野の諸問題の解決に貢献するための新しい研究体系を確立すること
● 最後に
 地球内部物理学の研究に興味があり、固体地球科学の謎や未解決問題に真正面から取り組みたい学生や若手研究者は上記連絡先までご相談下さい。残された重要な研究課題は無限にあります。社会にインパクトを与えるスケールの大きな課題から、理論解析を中心として地球科学の原理・原則を追究する課題まで用意しています。

主要論文

  • Yoshida. M. and Y. Hamano, Numerical studies on the dynamics of two-layer Rayleigh-Bénard convection with an infinite Prandtl number and large viscosity contrasts, Phys. Fluids, 28(11), 116601, 2016.
  • Yoshida, M. and Y. Hamano, Pangea breakup and northward drift of the Indian subcontinent reproduced by a numerical model of mantle convection, Sci. Rep., 5, 8407, 2015.
  • Yoshida, M. and M. Santosh, Supercontinents, mantle dynamics and plate tectonics: A perspective based on conceptual vs. numerical models, Earth-Sci. Rev., 105(1-2), 1-24, 2011a.
  • Seno, T. and M. Yoshida, Where and why do large shallow intraslab earthquakes occur?, Phys. Earth Planet. Int., 141(3), 183-206, 2004.
  • Yoshida, M. and A. Kageyama, Application of the Yin-Yang grid to a thermal convection of a Boussinesq fluid with infinite Prandtl number in a three-dimensional spherical shell, Geophys. Res. Lett., 31(12), L12609, 2004.

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