[M-GI30] 計算科学が拓く宇宙の構造形成・進化から惑星表層環境変動まで

[MGI30-02] 火成活動-マントル対流結合系の2次元軸対称球殻モデリングによる月の熱進化の数値シミュレーション

*亀山 真典^1,2 (1.国立大学法人愛媛大学地球深部ダイナミクス研究センター、2.独立行政法人海洋研究開発機構)

キーワード：月、マントル対流、火成活動

月は我々にとって最も身近な天体である一方で、その観測的な特徴から特異な熱的進化の過程をたどったことが知られている。例えば、月はその大きさに反して現在も冷え切っておらず、長期間にわたって火成活動が継続したことや、初期に半径が数 km にわたって膨張したものの、その後の収縮がごくわずかであったことなどが挙げられる。本研究では、月の特異な熱的進化を整合的に説明することを目的として、2次元軸対称球殻モデルでの熱的進化のシミュレーションにより月の膨張・収縮史を定量的に観察した。

本研究では、マントルの火成活動とそれに伴う発熱元素 (HPEs) の再分配が引き起こす月の熱的進化をシミュレーションした。またマントルオーバーターンを想定して、マントル内部の初期温度は浅部を高温、深部を比較的低温に設定している。さらに月の半径変化は熱膨張・収縮によるものに加え、マントルの溶融によるものも定量的に計算している。本研究では、マントル深部の初期温度、さらに一部のケースでは浅部の初期温度構造や HPEs の分布、地殻とマントルの熱伝導率の比を変更してシミュレーションを行った。

マントル深部の初期温度が高いモデルでは、初期からの活発な火成活動によって HPEs がマントル内部から早期に抽出されるため、火成活動が早期に衰退する。一方、深部の初期温度が低いモデルでは、火成活動の活発化と HPEs の抽出に時間がかかるため、火成活動が長期間維持されると同時に、月の半径の初期膨張が実現できた。また、地殻の熱伝導率をマントルよりも低くしたモデルでは、内部が高温に保たれることでメルトの発生量が増え、半径の膨張幅は大きく、その後の収縮幅は小さくなった。

本研究の結果をまとめると、月の観測的特徴と整合的な熱的進化は、マントル深部の初期温度が 1300 K 程度以下、かつ地殻の熱伝導率がマントルの4分の1程度に低い場合に得られた。今後は真の3次元球殻領域内モデルを用いた数値シミュレーションを行うことなどより、本研究で得られた月の熱的進化の妥当性を検証したい。