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地球内部ダイナミクス領域

固体地球動的過程研究プログラム

日本社会の潜在的脅威である海溝型巨大地震に対し科学的根拠に基づいて備えるために、南海トラフの深部掘削によって得られる日本列島周辺海底下の物質的情報と連続観測実データに基づきながら付加体に固有の動力学モデルを構築しシミュレーションによって南海トラフ活動の予測を行っています。また、これらの予測シミュレーションの初期条件と境界条件を決定する上で基盤となる全固体地球の進化・活動を記述する数値モデルを構築するとともに、大規模な非平衡開放系としての固体地球の長時間発展を支配する非線形動力学を見出します。さらに本研究プログラムで得られる科学的・技術的知識を広く他分野の科学・産業に応用していきます。

沈み込み帯変動過程研究チーム

沈み込み帯変動過程研究チームでは、海溝域から深部付加体にいたる物質の起源と進化を解明し、様々な時空スケールで沈み込み帯の変動過程の描像を得ることを目的として、総合的な観測・解析研究を推進しています。地球深部探査船「ちきゅう」、ジョイデス・レゾリューション 、JAMSTEC各種研究船を最大限に活用し、南海トラフ、コスタリカ沖、東北沖、南関東など、各地の沈み込み帯を研究対象にしています。また、陸上付加体の調査・試料解析による過去の沈み込み帯の研究も進めています。現在、当研究チームでは以下の7研究項目を実施しています。

  1. 沈み込み帯の変動履歴の解明
    海底探査と陸上調査により、現世と過去の付加作用、断層活動、海底地辷り等の実体を解明し、沈み込み帯の時空変動像を得る。
  2. 沈み込み帯における物性と力学
    構造解析、物性計測、化学分析、力学試験、モデリング等を組み合わせ、沈み込み帯物質固有の特性・挙動を明らかにする。
  3. 孔内検層による変動帯の地層解析
    反射法・検層・コアのデータの統合により地層の形成と続成・変形プロセスを復元し、沈み込み帯の構造と発達史を解明する。
  4. 地質年代論の高度化
    堆積物の微化石分析、年代測定技術の高度化を推進し、地震断層履歴、付加体形成過程、島弧テクトニクス等の解明に貢献する。
  5. 沈み込み帯の海底水理変動観測
    沈み込み帯周辺の海底地形・熱流量・海底微圧変動等のデータ取得・解析を行い、海底水理変動現象を高精度で明らかにする。
  6. 掘削孔を用いた沈み込み帯の応力・水理計測
    南海トラフ固着域上部の掘削により原位置応力・水理計測を実施し、地震準備過程における応力・水理状態を把握する。
  7. 孔内地殻変動観測の推進(地震津波・防災研究プロジェクトに協力)
    孔内長期計測機器の開発、設置、およびデータ解析・数値計算により、地震準備過程の地殻変動観測研究を推進する。

当研究チームでは地質学・地球物理学を基本に、構造地質学、岩石物性学、水理地質学、土質力学、岩盤力学、鉱物学、地球化学、岩石磁気学、CLSI (コア試料-孔内検層-地震波探査の統合解析)などの多くのアプローチを用いた SUBDUCTION GEOLOGY & GEOPHYSICSを実践しています。

地球進化数値モデリング研究チーム

地震や火山などの地球表層活動は、地球形成時に内部に蓄積された熱および力学エネルギーの解放過程の一部です。我々は、地球誕生から現在に至る46億年の地球熱進化をコンピュータ上でまるごと再現する「数値地球」実験に取り組むとともに、それを可能にする最先端の数値シミュレーション手法および物理化学モデルの開発を行っています。この「数値地球」の進化過程を詳しく調べ、内部に蓄積されているエネルギー量と表層での活動性の関係を理解することにより、現時点で地球内部起源の表層活動が持つ潜在的脅威の評価に貢献します。

マントル内部の温度(上)・化学(下)状態の時間進化(時間は左から右へ進んでいる。)

地球の中心核(コア)の形成を3次元自由境界モデルにおいて計算した結果。スライス面の色は質量密度を表わす。白い等値面で表わされる重い金属を多く含む層が、時間の経過(左から右へ進む)とともに、中央にあった固いプロトコアを押し出す様子が可視化されている。これは、地球の中心核の形成プロセスのかなで、一度マグマオーシャンの状態を経た後に起こりえるストーリを再現している。

ストークス流れによる、fluid rope coilingの可視化画像。数値拡散の少ない移流手法と粘性差に強いソルバーをそれぞれ開発し組み合わせることで、とぐろを巻きながら落下する連続体の現象を再現した。

非線形動力学及び応用研究チーム

地球を内部からの発熱と表面からの冷却という一つの大きな非平衡開放系として考え、固体地球の多様な非線形現象に対する観測とモデリングを行い、そこから得られた新しい考え方を地球科学のみならず広く他分野の科学に応用すると共に、産業社会への積極的な還元を行っています。 具体的には

  1. 様々なスケールの数値実験や砂箱を用いたアナログ実験、掘削や露頭で得られるコア試料の分析、地球物理学的観測データの解析等によって、固体地球表層付近の現象、特にプレートの沈み込み過程についての力学モデルを構築し、巨大地震発生のメカニズムを明らかにします。これにより例えば、各地域で起こり得る地震の最大規模予測が可能になります。また、岩石の破壊直前から破壊に至る過程の力学モデルを構築し、巨大地震発生前の物理を明らかにするとともに、破壊前過程の予測に必要な観測可能量を見いだし、そのための新たな観測手法を開発します。
  2. 剪断変形に伴う二物体界面での巨視的な固着-すべり(摩擦)の発生を、有限要素法ベースの数値モデルによって、界面のミクロな凹凸分布での凝着生成・その連鎖破壊として記述し、界面近傍媒質の物性パラメタと生じる固着-すべり(摩擦)の関係性を明らかにしようとしています。固着-すべり(摩擦)の発現に対し媒質の影響を考慮することによって、地殻スケールの固着-すべりである地震の多様性を地殻媒質とリンクして理解・解釈すること が可能になると考えています。
  3. 現実のプレート沈み込み帯で何が起きているのか?を知るために、陸上に露出した地質体や深海底掘削コアの観察や分析、そして地質試料による室内実験を実施しています。例えば、房総地域や西南日本の四万十帯には、過去の沈み込み帯の岩石が地表に露出しています。そこにはプレート沈み込み帯における表層崩壊プロセスや堆積物が震源物質へと進化する記録が残されています。また海底から採取されたコア試料からは、沈み込む前の堆積物の状態、活断層の活動履歴、断層の構成物質とすべり速度などの情報が読み取れます。そして粘土やカルサイト鉱物による力学実験は、地質試料の力学挙動がわかります。これらの天然材料に基づく研究成果は、数値シミュレーション研究とのコラボレーションに役立ちます。
  4. 様々な地球科学分野で得られた高解像度三次元データを可視化するための基盤開発を行ないます。その際に既存のGISソフトウェア、API、または現在開発中の仕様であるweb GL等を用いて、ウェブベースの可視化プラットフォームを開発します。これにより、研究者の自身の研究結果の解析を手助けするのみならず、昨今研究者が求められている情報開示に対して極めて有効な手段を提供することが可能です。
  5. 個別要素法(DEM)を大規模並列化し超高速計算を可能とする独自のアルゴリズムを考案し、マルチコアCPU、GPU、スパコンなどの様々なプラットフォームに対応可能なソフトウェアを開発しています。これにより従来は観測が難しかった多体衝突などによるパターン形成に関する物理量など非線形動力学に有用な情報を見出すことが可能です。また、本研究チームで開発された大規模高速DEMの商用バージョンであるDEMIGLACEは、その性能と信頼性が高く買われ、既に幾多の大手の民間産業で導入された実績を持っています。さらに、DEMをベースに不規則形状の個々の要素が弾粘塑性の構成則を有しながら破壊もできる新しい数値モデルを開発し、岩石層や粉体の非線形物理現象にまつわる様々な謎の解明を試みています。