研究履歴

主要な研究業績

 私はこれまで、地球惑星内部の変動と歴史に関する研究課題に取り組んできた。 その研究アプローチは、(i)マントル・プレートダイナミクスを支配する物理・化学法則や マントル物質の構成則・変形則に基づくモデルを用いて、 マントル対流や地球表層運動の進化の解明を目指す研究、 及び(ii)地質学的・測地学的・地震学的観測結果や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の力学的状態を推定する研究−に大きく分かれる。 これまでの主要な研究業績は以下の通りである。

  1. 大陸リソスフェアとマントル対流との熱的・力学的相互作用の解明
  2. 数値モデルによるパンゲア超大陸時代から現在までのマントル内部構造と大陸配置の復元
  3. 観測ジオイドを用いたマントル・プレートの粘性率構造の推定とコア・マントル境界地形の推定
  4. 新しい計算手法を用いた三次元球殻マントル対流数値シミュレーションプログラムの開発
  5. 複雑なレオロジーをもつ地球及び地球型惑星の内部構造と表層運動の解明
  6. 南太平洋のホットスポットスウェルとスーパースウェルの起源、及び、その下のマントル構造の解明
  7. マントル遷移層における海洋プレートと海洋地殻の三次元的挙動の解明
  8. マントル・コア統合熱対流システムのダイナミクスと基本物理の解明

 以下は、それぞれの研究の概要である ([]内の番号は査読付き論文の番号と一致)。

1.大陸リソスフェアとマントル対流との熱的・力学的相互作用の解明
  (研究実施期間:1997年〜2000年、2008年〜2014年)
 過去の地球上に5〜7億周期で存在していたとされる超大陸を考慮したマントル対流の数値シミュレーションを世界で初めて三次元球殻モデルで行った(Yoshida et al., 1999 [1], Honda et al., 2000[2])。その結果、超大陸がマントルの「蓋」の役割をする熱遮蔽効果(毛布効果)によって、超大陸下のマントルの温度が上昇し、やがて大陸下から海洋リソスフェア下に向かう流れとその反流によってCMBから大規模なマントル上昇流が数億年の時間スケールで発生することが明らかになった。この超大陸下の上昇流の発生により次数1のマントル対流パターンが生まれる(Yoshida et al., 1999 [1])。上昇流による大陸内の応力場は大陸を分裂させるのに十分な伸張応力場であると考えられる(Yoshida, 2010a[16])。
 また、独自に発展させた数値計算手法を用いることにより、大陸リソスフェアの自発的な変形と移動を考慮した三次元部分球殻マントル対流モデルを世界に先駆けて構築し、超大陸サイクルの鍵となる現象(熱遮蔽効果による大陸分裂や数億年後の大陸同士の衝突など)を実現するシミュレーション結果が得られた(Yoshida, 2010b[18])。このモデルから、大陸縁辺での低粘性領域(実際の地球では太古代クラトン縁辺の原生代造山帯に相当)の存在が、地質学的時間スケール(20億年以上)での大陸リソスフェアの安定性に寄与することが分かった(Yoshida, 2012[22])。以上の計算結果と様々な地質学的証拠から、地球史を通じて大陸移動とマントル対流の間には、重大な熱的・力学的フィードバックがあることが示唆される(Yoshida and Santosh, 2011 [20])。
 その後、三次元全球殻モデルに拡張し、予め設定した“超大陸”が分裂を開始し、やがてそれぞれの大陸が移動し、計算開始から約6億年後に、それらの大陸が再び一つに集まり、新しい“超大陸”が形成するという超大陸サイクルを復元し、実際の地球に近い複雑な大陸移動の様子を世界で初めて実現した。また、超大陸サイクルの原動力が、マントルの熱対流運動のみならず、大陸プレート周辺の海洋プレートを含む地球上の全プレートが複雑に相互運動の結果であることも分かった(Yoshida, 2013[26], Yoshida and Santosh, 2014 [30])。
0 超大陸サイクルのメカニズム(吉田, 2015b)
2.数値モデルによるパンゲア超大陸時代から現在までのマントル内部構造と大陸配置の復元
  (研究実施期間:2012年〜)
 地質学的・古地磁気学的に精密に復元されている2億年前の超大陸パンゲアの形状データ(Seton et al., 2012)を考慮した三次元球殻マントル対流の数値シミュレーションを行い、さまざまな異なるパラメーターの元で2億年前から現在までの大陸移動の様子を調べた。マントルの温度の初期状態は、最近2億年間のマントル深部の温度構造(アフリカ下と南太平洋下の大規模上昇流、つまり“熱化学パイル”の位置関係)がほぼ変わらなかったと仮定し、地震波トモグラフィーによる現在のマントルの速度異常構造から温度異常構造に変換し、深さ660kmより深い領域にそれを考慮した。その結果、大陸と海洋マントルとの粘性率比が103の場合に、実際の地球の時間スケールで、大西洋の拡大やインド亜大陸の高速北進とユーラシア大陸への衝突などが確認され、現在の地球の大陸配置がおおまかに再現された。特に、パンゲアの分裂は超大陸の熱遮蔽効果によるパンゲア直下のマントルの高温異常が大きく寄与し、また、インド亜大陸の高速北進の主要な原動力は、パンゲア分裂直後にテーチス海北部に発達する下降プルームであることが分かった。その下降プルームは、パンゲア直下のマントルの高温異常、及び、パンゲア下のマントル深部に元々存在する大規模上昇プルームに起因するマントルの流れによって形成される(Yoshida and Hamano, 2015 [35])。
 また、マントルの粘性率の温度依存性と降伏応力の効果による海洋プレートを考慮し、高粘性のパンゲアが空間的に固定されたマントルの対流が統計的平衡状態になった後に2億年間の大陸移動をシミュレートした場合、非常に限られた降伏応力の値でのみ(本モデルでは120 MPa)、実際の地球の時間スケールで大陸移動が起こることが分かった。この場合、CMBが断熱条件でマントル深部から積極的な上昇プルームがない場合でも大陸移動が起こることが分かった。このことは、表層での粘性の水平不均質に伴うトロイダル運動が大陸移動の原動力になっていることを示唆する(Yoshida, 2014 [32])。
数値シミュレーションで再現された超大陸パンゲアの分裂とインド亜大陸の北進(Yoshida and Hamano, 2015)
3.新しい計算手法を用いた三次元球殻マントル対流数値シミュレーションプログラムの開発
  (研究実施期間:1998年〜2001年、2003年〜2011年)
 球座標系に沿った緯度経度格子での極の問題(極での座標特異点と、緯度方向の格子間隔の著しい不均一性)を克服した独自の計算格子(インヤン格子)を用いて、有限差分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た(Yoshida and Kageyama, 2004; 2006[6,12])。同時に、これまで世界で開発されている幾つかの有限要素法コードやスペクトル法コードの結果とベンチマークテストを行い、開発したプログラムの有効性を確認することが出来た。本コードのベンチマークテスト結果は、その後に世界で開発された三次元球殻コードの正確性を確認するための指標となっている(例えば、Zhong et al., 2008)。さらに、このプログラムによって得られた研究成果は、海洋研究開発機構におけるコア対流計算の共同研究に対して与えられた「ゴードン・ベル賞」(ハイパフォーマンス・コンピューティングにおいて世界で最も権威のある賞)の受賞に大きな貢献をした[9,10]。
 その後に改良された有限体積法・スタッガード格子ベースのプログラム(ConvGS)により、粘性率の温度・圧力依存性の影響に対して、より安定したマントル対流の数値計算が可能になった(Yoshida, 2008b[14])。 本研究で開発したインヤン格子及びSIMPLER法アルゴリズムを取り入れたマントル対流シミュレーションプログラムは、Paul Tackley氏によって90年代に開発された著名なマントル対流シミュレーションプログラム(stag3d)にも応用され(Tackley, 2008)、世界的に非常に高い評価を得ている。
インヤン格子(Yoshida and Kageyama, 2004)
4.観測ジオイドを用いたマントル・プレートの粘性率構造の推定とコア・マントル境界地形の推定
  (研究実施期間:1998年〜2009年)
 全球地震波トモグラフィーモデルや、過去1〜2億年の沈み込みスラブの歴史を考慮したモデルを用いて、現在のマントル内部の定常速度場を計算し、地球上の代表的なプレートの運動方向や絶対速度の再現を試みて、プレート運動のトロイダルエネルギーの起源を調べた(Yoshida et al., 2001[3])。また、リソスフェアとマントルの水平粘性率変化(LVV;高粘性スラブや拡散プレート境界)が長波長ジオイド異常に及ぼす影響を調べるため、三次元球殻内の瞬間流れ場の計算を行った(Yoshida, 2004a[7]; Yoshida and Nakakuki, 2009[15])。採用した密度異常モデルは、地震活動に基づくスラブモデルと地震波トモグラフィーモデルの組み合わせである。マントル内のLVVは地震波速度と温度との関係に基づいて決定した。その結果、上部マントルに高粘性のスラブを持つ場合、沈み込み帯で観察される正のジオイド異常は、上部マントルと下部マントルの粘性比(Δηlwm)が約103程度で、かつプレート内部のLVVを考慮したときに再現された。下部マントルのLVVの程度はジオイドパターンに大きな影響を与える。Δηlwmが103で、かつ下部マントルのペロブスカイトの活性化エンタルピーが小さい場合であっても、計算される正のジオイド異常は観測値と比較して高い振幅を示す。このことは、下部マントルに沈み込んだスラブは粘性率が低いことを示唆し、ポストスピネル相転移に伴う結晶の細粒化の可能性を示す鉱物物理学の実験結果(Ito and Sato, 1991; Kubo et al., 2000)と一致する。
 さらに、全球地震波トモグラフィーモデルと物性実験の結果を考慮した系統的なケーススタディーにより、CMBの地形の振幅とパターンを推定した。その結果、近年、地震学的観測で解明されつつある±数km程度の地形の凸凹、及びアフリカ大陸下の地形の凹み(Tanaka, 2010)を説明するためには、粘性率の温度依存性とマントル深部の化学組成変化に伴う水平密度変化(密度が周囲のマントルよりも大きなパイル状のスーパープルームの存在)を考慮する必要があることが明らかになった(Yoshida, 2008a[13])。
数値モデルで推定されたコア・マントル境界地形と速度場(Yoshida, 2008a)
5.複雑なレオロジーをもつ地球及び地球型惑星の内部構造と表層運動の解明
  (研究実施期間:2000年〜2011年)
 高解像度の数値計算モデルを用いて粘性率が温度に強く依存する場合のマントル対流の数値シミュレーションを行った(Yoshida and Kageyama, 2006 [12])。粘性率の温度依存性の程度について系統的なパラメータ・スタディを行った結果、粘性率が温度に中程度に依存するマントル対流において、次数1対流(degree-1 convection)と次数2対流(degree-2 convection)が現れることを発見し、次数1や2が卓越するマントル対流パターンが地球型惑星のマントル対流(火星や金星、あるいはプレートテクトニクスがない場合の地球)の基本構造であることを明らかにした。この基本構造は加熱モード(コアからの加熱のみの場合と内部熱源も考慮した場合)が異なっても発生する。特にレイリー数が高く、粘性率の温度依存性が中程度の場合には、シート状の上昇流と円筒状の下降流で支配される「逆次数2パターン」のマントル対流構造が得られることが分かった。さらに、粘塑性レオロジー(降伏応力)の導入により、リソスフェアとマントルの粘性率比が十分にある場合には環太平洋沈み込み帯に似た全球スケールのプレート収束境界が発生し、地震学的に観測される地球の次数2パターンが実現されることが分かった(Yoshida, 2008b[14])。
マントル対流のdegree-one(次数1)パターン(Yoshida, 2008b)
6.南太平洋のホットスポットスウェルとスーパースウェルの起源、及び、その下のマントル構造の解明
  (研究実施期間:2007年〜2014年)
 海洋研究開発機構が日仏共同で実施していたプロジェクト(仏領ポリネシア海底地震観測・上昇プルームの実態解明)(Suetsugu et al., 2009 他)の一環として、ホットスポットが集中する南太平洋下のマントルダイナミクスの解明を試みた。高解像度地震波トモグラフィーモデルを用いてマントル内部の定常速度場と地形(ダイナミックトポグラフィー)を有限体積法モデルで計算した結果、南太平洋下のマントル上昇流の複雑な振る舞いや、特徴的なテクトニクス(特にホットスポットスウェル)を説明することが出来た。また、各ホットスポットに対応する上昇プルームが運ぶ熱流量を理論的に推定したところ、従来の観測結果(ホットスポット・スウェルの体積から推定されるプルーム熱流量)と非常に良い相関関係が得られた。これらの結果は地球表層の観測量とその下のマントルの運動の直接的な関係を示唆するものである(Adam, Yoshida, Isse, Suetsugu, Fukao, and Barruol, 2010[17])。また、地表面で観測される小スケールの様々な地学現象はマントルの浅い部分(上部マントル)のダイナミクスで説明可能であるというDon Andersonの議論(Anderson, 2011)と調和的である。
 さらに、モデル領域を全マントルに拡張し、上部・下部マントルそれぞれの密度異常、及びマントルの粘性率構造が南太平洋上の大規模地形やジオイド異常の振幅やパターンに及ぼす影響について系統的なパラメータ・スタディで調べた。その結果、南太平洋スーパースウェルの起源は下部マントルの密度異常に伴うマントルの強い(高速の)流れによるもので、特に低粘性のアセノスフェアが存在する場合にスーパースウェルとジオイド異常の正負のパターンが説明できることを突き止めた(Adam, Yoshida, Suetsugu, Fukao, and Cadio, 2014 [31])。
数値モデルで復元された仏領ポリネシア地域の地形(Adam, Yoshida et al, 2010)
7.マントル遷移層における海洋プレートと海洋地殻の三次元的挙動の解明
  (研究実施期間:2011年〜2015年)
 海洋地殻の振る舞いを考慮した三次元部分球殻領域でのプレート沈み込みの数値シミュレーションを行った(Yoshida et al., 2012 [23])。 マントル遷移層が無水下(“ドライ”な条件)、及び最近の高圧実験(Ohtani and Litasov, 2006)で決定されている含水下(“ウェット”な条件)での相境界のクラペイロン勾配を考慮し、さらに、ウェットな条件では遷移層での含水による地殻(ガーネット)の粘性率の低下(Katayama and Karato, 2008)を考慮した。二つの条件における地殻とプレートの振る舞いを比較した結果、遷移層がウェットな条件とドライな条件では、遷移層におけるプレートと地殻の振る舞いの違いが顕著であることが示された。ウェットな条件では、低粘性の地殻の効果により、プレートがスタグナントしやすく遷移層での滞留時間も長い(<15Myr)。また、ウェットな条件では、プレートのセグメンテーションは上部・下部マントルの粘性率比が30倍の場合でも100倍の場合でも観察されるが、ドライな条件では観察されなかった。さらに、地殻層が流れやすくなることにより、地殻層がプレートから分離し一時的に遷移層に滞留し、特に遷移層直下のマントルに低粘性層が存在する場合には、プレートが屈曲することに伴い地殻層は遷移層底部で褶曲構造を示すことが分かった(Yoshida and Tajima, 2013 [28])。地殻層の分離は上部・下部マントルの粘性率比が大きいほど(例えば100倍)顕著である。
 その後、海洋プレートの大部分を構成するハルツバーガイト層が沈み込みプレートの形態、並びに海洋地殻層の挙動に果たす役割を調べるため、ハルツバーガイト層の粘性率、及び上部・下部マントル境界での粘性率比を系統的に変化させたマントル対流数値シミュレーションを実施した(Yoshida, 2013b [29]; Tajima, Yoshida, and Ohtani, 2015 [34])。その結果、地震波トモグラフィーモデルでイメージされるような上部・下部マントル境界上で横たわるスタグナントスラブは、ハルツバーガイト層の粘性率の大きさに関わらず、上部・下部マントル境界での粘性率比が100(〜300)倍程度の場合に形成され、30倍程度では形成されないことが分かった。また、上部・下部マントル境界での粘性率比が100(〜300)倍の場合、スタグナントスラブが“踵”から下部マントルに沈み込み始める過程において、地殻層が大きく屈曲しながら下部マントルに沈み込む様子が確認された。これは、ハルツバーガイト層の粘性率が大きいほど、沈み込みプレートが上部・下部マントル境界から受ける抵抗力が大きくなり、地殻層がハルツバーガイト層から剥離することなく、一体となって屈曲を繰り返し下部マントルに沈み込むからである。スタグナントスラブの踵が下部マントルに沈み込み始めた後、少なくとも数千万年以上に渡って、微量ではあるが、一体となった地殻層とハルツバーガイト層がマントル遷移層底部に滞留し続けることも明らかになった。
マントル遷移層でのスタグナントスラブの形成(Yoshida, 2013b)
8.マントル・コア統合熱対流システムのダイナミクスと基本物理の解明
  (研究実施期間:2014年〜)
 地球の熱史はマントルと外核の対流運動によって担われて、固体地球の外側にある粘性率が極めて大きなマントルの対流運動が、主体的に外核の対流運動を支配していると一般的に考えられている。しかし、これまでこの考えを定量的に実証した研究はなく、その物理的メカニズムもよく分かっていなかった。
 そこで、粘性率の異なる二層を持つ高解像度の二次元球殻モデルを開発し、熱対流の数値シミュレーションを行った。球殻外側の高粘性率層(HVL)と球殻内側の低粘性率層(LVL)のプラントル数は両方とも無限大とし、その粘性率比は最大103とした。
 その結果、HVLとLVLとの粘性比が桁で増加すると、LVLの対流速度はその有効レーリー数の増加にしたがって増加するが、HVLのヌッセルト数と対流速度は一定値に漸近することがわかった。このことは、二層の境界の熱流量がHVLとLVLのカップリングによって制限されていることを意味する。この原因は、HVLとLVLとの粘性比が桁で増加しても、二層の境界のLVL側の熱境界層の厚さが境界層理論から期待される厚さよりも厚く、また、HVL側の熱境界層の厚さがHVLとLVLとの粘性率比に依存しないからである。
 以上の結論を実際の地球に当てはめると、マントルの対流がコア・マントル境界(CMB)での外核からマントルへの熱流量を規定し、その結果として,マントル対流が地球の熱輸送効率を規定していることになる。また本研究で、粘性率の異なる二層対流系の結合様式がマントルと外核の粘性率比を大きくするにつれて、力学的結合(粘性結合)から熱的結合に遷移する様子がCMB近傍の温度場と応力場の直接的な解析によって確認された。
マントルと外核内の熱対流運動(Yoshida and Hamano, 2016)

その他の研究業績