マントル対流の数値シミュレーションによる未来の超大陸「アメイジア」の形成

本ページの内容は2016年8月4日に発表したプレスリリース文の改訂版です。

本研究のポイント

  • スーパーコンピューターを用いたマントル対流の計算機シミュレーションによって、現在から未来の大陸移動の様子とマントル対流の様子を再現することに成功した。
  • 2億5000万年後までには、北半球に現在のユーラシア、アフリカ、オーストラリア、北アメリカ大陸を中心とする超大陸が形成されることが明らかになった。
  • 日本列島は、北半球に留まるユーラシア大陸と南半球から高速で北進するオーストラリア大陸の間に挟まれ、新しい超大陸の一部となることも予測された。

概要

 私は、大型計算機システムを用いた地球のマントル対流の三次元高解像度数値シミュレーションによって、現在から約2億5000万年後までには、北半球を中心とした新しい超大陸(アメイジア)が形成される可能性があることを明らかにしました。
 1990年代初頭から、現在のプレート運動の様子や地質学的な情報から、将来、北半球に新しい超大陸「アメイジア」が誕生することが提唱されてきましたが、今回、マントル対流の高解像度の数値シミュレーションによってアメイジアの誕生を確認し、その形成メカニズムを解明しました。
 本研究のシミュレーション結果から2億5000万年後までには、北半球に現在のユーラシア、アフリカ、オーストラリア、北アメリカ大陸を中心とする超大陸が形成されることが明らかになりました。また、日本列島は、北半球に留まるユーラシア大陸と南半球から高速で北進するオーストラリア大陸の間に挟まれ、新しい超大陸の一部となることも予測されました。
 本研究は、私たちが住む地球の将来の姿の議論に一石を投じ、地球科学上の第一級の未解決問題であるプレート運動や大陸移動の原動力の理解の進展に繋がる重要な成果であると考えます。
 なお、本研究は、JSPS科研費JP23340132の援助を得て実施されたものです。本成果は、米国地質学会発行の「Geology」2016年9月号に掲載されるのに先立ち、7月23日付電子版に掲載されました。

タイトル:Formation of a future supercontinent through plate motion-driven flow coupled with mantle downwelling flow

著者:Masaki Yoshida

背景

 これまでに世界中の研究者によって蓄積された膨大な地質学的・古地磁気学的証拠から、地球の歴史上、少なくとも過去に3回、5〜8億年ごとに超大陸が形成されたことが分かっています。1990年代初頭にカナダのポール・ホフマン博士は現在のプレート運動をそのまま未来に延長すると、将来、北半球に新しい超大陸「アメイジア」が誕生することを初めて提唱しました。その後、今日までの約四半世紀の間に蓄積された、さらに膨大な地質学的証拠と、同時に著しく発展した地球内部ダイナミクスの研究成果を総合して、現在では、アメイジアは未来の超大陸の有力な候補の一つとされています。しかし、地球の表層運動とマントルの活発な熱対流運動は密接に相互作用をしているため、現在の表層運動がそのまま数億年後の表層運動に延長されるとは限りません。この問題を解くためには、現在私たちが持っている地球物理学的観測データを最大限に活用して、それをモデルの拘束条件とし、地球内部の熱対流運動と表層運動を支配する基礎方程式(質量、運動量、エネルギーの各保存則)を直接、数値的に解くシミュレーションが必要です。

成果

 本研究では、JAMSTECが所有する大型計算機システム(SGI ICE X)を用いて、三次元球殻モデルのマントル対流の数値シミュレーションを実施し、現在から2億5000万年後までの大陸の分布とマントル対流の時間変化を調べました。
 本研究のシミュレーションでは、まず、マントルを構成する岩石の高温高圧実験データと地球内部を伝わる地震波速度構造のデータからマントル全体の温度異常モデル(図S1a、b)を構築し、そのモデルを初期条件として与えました。次に、現在からある短い期間だけ、地表面の速度境界条件として、NNR-MORVEL56に基づく現在のプレート運動(図S1c)を強制的に与え、その期間が過ぎれば強制力のない自由滑り境界(固体地球と大気・海洋の間に滑り摩擦力が働かない条件)に切り替えました。現在の地球上に配置した大陸の有効粘性率は海洋プレートよりも1,000倍高くし、厚さは均一に約200 kmとしました。計算の解像度(地球内部をたくさんに区切った格子の数)は2011年発表のモデルと比較して約2倍で、これにより、実際の地球マントルの基本物性値(特に、マントル対流の運動速度を決めるパラメータ)に基づいたシミュレーションが可能になり、シミュレーション結果を実際の地球の時間スケールで起こる現象と直接比較できることになりました。また、上部マントルには、初期条件として、温度異常モデルの中に現在の沈み込みプレートの分布が考慮されているのが特徴です。
 本研究の系統的なシミュレーションの結果、2億5000万年後までには、北半球に現在のユーラシア、アフリカ、オーストラリア、北アメリカ大陸を中心とする超大陸が形成されることが明らかになりました(図1a、b)。一方、南アメリカ大陸や南極大陸は現在の位置とほぼ変わらないことも分かりました。また、ハワイ諸島は約5000万年後までには、北西方向に移動する太平洋プレートに乗って日本列島の付近に近付き、約1億5000万年後までには、日本列島は、北半球に留まるユーラシア大陸と南半球から高速で北進するオーストラリア大陸の間に挟まれ、やがて新しい超大陸の一部となることも予測されました。一方、現在のプレート運動を与えない場合は、2億5000万年後も大陸分布は現在とほとんど変化がありませんでした(図1c)。
 プレート運動を与える期間については、図1a、bのモデルでは100万年間としましたが、今回のシミュレーションの刻み時間幅に近い10万年間からマントル対流の時間スケールに相当する1000万年間まで系統的に変化させて調べましたが、得られる大陸分布のパターンはほぼ同じでした。このことは、一般的な地球マントルの状態に当てはめて考えると、継続的なプレートの沈み込みがあることで、表層に横たわるプレートとすでに地球深部に沈み込むプレートとの力学的結合力が強まり、それが実際の地球で起こるプレート運動や大陸移動を引き起こす原動力となることを意味します。また、そのようなプレートの沈み込みは、表層に横たわるプレートの水平スケールに規定され、また、プレートの沈み込みによってマントルが引きずられる力(ここでは、「スラブ吸い込む力」と名付ける)によって大規模なマントルの下降運動を励起し、やがてマントルの大規模な熱対流運動を生み出します(図2c)。その結果として、昨年に吉田主任研究員らが、2億年前から現在までの大陸移動を実現するマントル対流の数値シミュレーション(2015年2月12日既報)で明らかにしたように、マントル対流が大陸の底面を引きずる力(大陸マントル曳力)が生まれ、その力がさらに継続した大陸移動の主要な原動力になり得ると考えています。


図1:数値シミュレーションの結果。(a)計算開始(現在)から100万年間、速度境界条件として現在のプレート運動を考慮した場合。左から現在、5000万年後、1億5000万年後、2億5000万年後。(b)計算開始直後に現在のプレート運動を考慮しなかった場合。



図2:地球表層運動とマントル対流との関係を示した概念図。(a)「プレート」の粘性が低い場合。「プレート」はマントル対流の熱境界層であるため、マントル対流により一緒に循環する。これはプレートテクトニクスではない。(b)プレートの粘性が高く「一枚板」のようになっている場合、継続的なプレート運動は起きない。(c)プレートの粘性が高く、プレート境界が存在する場合、実際の地球のように継続的なプレート運動が起きる。本研究のモデルでは、速度境界条件として実際の地球のプレート運動を与えるというアプローチで(c)の条件を再現している。この他、(c)の条件を再現するには実際の地球のプレート境界(収束・発散境界の分布)を与えれば良いが、厳密に実際の地球のプレート運動の方向と速度を再現することは難しい。図2cの「スラブ吸い込む力」は、図2a、bの条件では起こらない。



図S1:シミュレーションの初期条件に関する図。(a)地震波トモグラフィーモデル(GAP_P4)のマントルの地震波速度異常構造から変換した温度異常構造。青色が低温で、赤色が高温。(b)地震波速度異常構造から温度異常構造に変換した際に使用したマントルを構成する岩石の高圧実験データ。[温度異常]=−(1/A)×[地震波速度異常]の関係があるので、Aが大きいほど同じ地震波速度異常でも変換される温度異常の値が小さくなる。(c)NNR-MORVEL56に基づく現在のプレート運動。

今後の展望

 地球史における大陸の離合集散過程は「超大陸サイクル」と呼ばれますが、そのパターンは簡単には二通りに分けられます。一つは、「外転」と呼ばれるメカニズムによって、元の超大陸が分裂する前からあった「古い海」が閉じて新しい超大陸を形成するパターン、もう一つは、「内転」と呼ばれるメカニズム(いわゆる、ウィルソンサイクル)によって、元の超大陸の分裂後に誕生した「新しい海」が再び閉じて新しい超大陸を形成するパターンです。
 現在の大西洋では、カリブ諸島東岸とサウスサンドウィッチ諸島東岸のごく限られた地域にしか沈み込み帯がありませんが、最近では、ポルトガルの大学が中心となって実施されている詳細な海洋底探査から、イベリア半島西方沖に将来新しい沈み込み帯が生まれるきっかけとなりそうな地質構造が発見され、議論を呼んでいます。仮に将来、大西洋東岸に大規模な沈み込み帯が発達すると、それがきっかけとなって大西洋が縮小し、現在の大西洋付近に新しい超大陸が形成されることも考えられます。この仮想的な未来の超大陸は、1990年代にすでに「パンゲア・ウルティマ」と名付けられていますが、本研究でのシミュレーションモデルでは、その可能性を実証するだけの計算解像度はまだなく、今後の課題となります。
 本研究のように、遠い未来の大陸分布を推定すること自体は、私たちの生活に直接役立ちませんが、本研究の成果に至るまでに蓄積された地球物理学的知見と大規模シミュレーションの手法は、地質学的・古地磁気学的データが比較的に豊富な、「少し昔」(数百万年前〜数千万年前)から「その少し未来」(現在)までの表層運動の歴史を解明するためのシミュレーションに役立ちます。
 例えば、私たちが住む日本列島は、もともとはユーラシア大陸の一部でしたが、約2500万年前までにユーラシア大陸から分離し、日本海の拡大によって東方に移動して現在の姿になりました。このできごとは、45.4億年という地球史の時間スケールから見れば、ごく短い期間のできごとですが、現在の日本列島の特徴的な構造や応力場はその期間に生まれました。その構造や応力場の起源、またその時空間変化をシミュレーションの手法で調べ、さまざまな地球物理学的観測情報や地質学的証拠と比較し、議論することで、日本列島やその付近で発生する巨大地震発生のメカニズムの理解に一役買うことができるものと考えています。
 マントル対流の数値シミュレーションは、過去や未来の固体地球を再現・予測し、地球内部の物理・化学素過程や地球表層運動の原動力を解明することだけが最終目的ではありません。テクトニクスに起因する気候変動や海水準変動の問題を扱う大気海洋科学等、固体地球科学の隣接分野への寄与も考えています。さらに最近では、例えば、生命科学の研究者と微生物酵素の系統や分子進化と大陸移動史の関係について議論を始めるなど、広く自然科学の隣接分野の研究者との共同研究も視野に入れています。

参考文献

  • Masaki Yoshida, Formation of a future supercontinent through plate motion-driven flow coupled with mantle downwelling flow, Geology, 44(9), 755-758, doi:10.1130/G38025.1, 2016.

補足

 本ページの内容は、2016年8月4日にJAMSTECからプレスリリースした「2億5000万年後までに日本列島を含んだ超大陸アメイジアが北半球に形成されることを数値シミュレーションにより予測〜大陸移動の原動力の理解へ一歩前進〜」の内容を一部改訂した解説です。
 改訂したポイントは以下の通りです。
  • 図2を改良し、本研究のモデルで速度境界条件としてプレート運動を与える意義を注釈で詳しく説明した。
  • シミュレーションの初期条件に関する図S1を追加した。
  • 「スラブ吸い込み力」という用語を定義した。

その他

日本経済新聞(平成28年8月5日朝刊、上)、毎日新聞(平成28年8月15日夕刊、下)等に紹介されました。