火成活動•マントル対流と岩石惑星の進化

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たみえつつの
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1 岩石惑星の進化火成活動マントル対流結合系のダイナミクス惑星のサイズと顔つき月 ;1/100 水星 ;1/20 火星 ;1/10 金星 ;0.8 地球 ;1 (Wieczorek, 2015)

2 火成活動の歴史月水星 (Araki et al., 2009) (Hiesinger et al., 2003) (Head et al., 2009) 3.8 Ga 頃まで火星金星 (Solomon et al., 2005) (Johnson & Richards, 2003) (Bjonnes et al., 2012) (Grott et al., 2013)

3 顔つきとその変遷 ; どうやって理解する? 数理モデル = 微分方程式 = 定量的非線形力学系の相転移という理解の仕方例 ; レスラー系惑星間の違い = 力学系が属する相 ( レジーム ) の違い惑星の進化 = 力学系が経験する相転移

4 レスラー系 x = - y - z y = x + 0.1y z = 0.1+ (x - c)z 惑星の中の力学系? (1) マントル対流 (2) 火成活動

5 力学系 (1); マントル対流臨界レイリー数 : 内部熱源なし粘性率の温度依存性 Earth, Venus (Yanagisawa et al., 2016)

6 レイリー数対流の強さの指標? マントルにプルームが幾つ入るか Ra = ( d / d ) 3 p, d p = ( hk / Drg) 1/3 プルームサイズ 10d p 水マグママントル岩石 10 d p 1 mm 1 cm 100 km 対流が起こる条件 : d > 10d p Ra > R c = 1000

7 月 ;Ra < R c 火星 ;Ra = R c 金星 ;Ra > R c (Wieczorek, 2015) タルシス火山 + テクトニクス? たくさんの火山 + テクトニクス (Anguita et al, 2006) (Harris & Bedard, 2014)

8 本当にめでたしめでたし? 火星金星 (Grott et al., 2013) (Bjonnes et al., 2012)

9 粘性率の温度依存性の強さ放射性元素による内部加熱とマントル対流臨界レイリー数以下の対流 ; 月火成活動 (Yanagisawa et al., 2016) (Laneuville et al., 2013)

10 火成活動による放射性元素の地殻への濃集 ; 月のモデルの失敗作 [Gyr] [Gyr]

11 粘性率の温度依存性の強さスタグナントリッドレジーム (Wieczorek, 2015) (Yanagisawa et al., 2016)

12 中型惑星の長寿命の活動 : 地殻のマントルへの還流が鍵金星のモデル温度マグマ分布組成分布還流した地殻内部発熱率分布火成活動の分布 Time [Gyr]

13 力学系 (2); 火成活動 (Kameyama, 提供 )

14 月の例 (Morota et al., 2011)

15 月火星 (LIP)?; 敷居値地球 (LIP) (Grott et al., 2013) 水星 ; 不思議にも LIP? (Morota et al., 2011) (Smith and Sandwell, 1997) (Head et al., 2011)

16 地球の大規模な火成活動

17 火成活動と惑星サイズ (1) 火成活動マントル湧昇流フィードバック

18 (Kameyama 提供 )

19 火星のマントル進化モデル ;MMU フィードバック + 放射性元素の地殻への濃集

20 火成活動と惑星サイズ (2) 金星と地球のバースト

21 バーストと地殻のリサイクリング (Hirose, 1999)

22 金星の2 段階進化間欠的二層対流一層対流

23 ? テセラテレン火山平原 7 億 ( 年前 ) (Bjonnes et al., 2012) (Bindschadler et al., 1992) (Harris & Bedard., 2014)

24 (Bjonnes et al., 2012) 小さな火山による連続的 resurfacing コロナの分布 (Grindrod et al., 2010) (Johnson & Richards., 2003)

25 (Bjonnes et al., 2012) (Anderson & Smrekar, 2006)

26 地球の 2 段階進化 ; 金星の 2 段階進化 + プレートテクトニクス冥王代太古代原生代 45 億 40 億 25 億 ( 年前 ) ( 椛島寺林 2002) (Utsunomiya et al., 2007)

28 沈み込んだ地殻の掃き溜め + 沈み込んだスラブの墓場ハワイタヒチ (Domeier et al, 2016) (French & Romanowicz, 2015) (French & Romanowicz, 2014)

29 Formation of the Earth Pilbara Heavy bombardment 4 Ga Hadean Archean United Plates of America ( 椛島寺林 2002) Superior (Hoffman, 1989) 2 Ga (Hoffman, 1988) Proterozoic Rodinia (Li et al., 2007) Pangea 0 Ga Phanerozoic Gondwana

30 第一段階 ; 冥王代 (> 4 Ga) バースト ( プルーム ) が支配する時代マントルは均質化第二段階 ; 原生代以降 (< 2.5 Ga) プレートが支配する時代マントルは不均質化太古代 ; 二つのレジームの間の遷移的な時代?

31 大型惑星 ; 断熱圧縮の効果による弱い対流厚いリソスフェアと弱い高温プルーム

32 今後の課題 (1): モデルの 3 次元化バースト + 火成活動マントル湧昇流フィードバックは起こる? プレートプルーム火山沈み込み帯 T & f 沈み込み帯沈み込み帯組成 Thermochemical pile

33 浸透係数対流しつつある固相中の液相の移動 (2 次元 ) 固液分離の閾値温度液相温度液相 (Yanagisawa et al., in preparateion)

34 浸透係数対流しつつある固相中の液相の移動 (3 次元 ); より分離が進む固液分離の閾値等値面 : 温度 ( 緑 ) と液相 ( 白 ) (Yanagisawa et al., in preparateion)

35 今後の課題 (2); 惑星形成過程とマントル進化マグマオーシャンによる結晶分化マントルは化学成層惑星の運命? (Elkins-Tanton, 2008)

36 そうは見えない全マントル対流 (Domeier et al, 2016) (French & Romanowicz, 2014)

37 マントルオーバーターンモデル (Elkins-Tanton et al., 2011) (Parmentier et al., 2002)

38 地球のマグマオーシャンは結晶分化した? 月のマントルオーバーターンモデル ;2 派 (Parmentier et al., 2002) (Ringwood & Kesson., 1976) 火成活動マントル湧昇流フィードバックと強い対流撹拌温度とマグマ組成

39 再び月 ( 地球との顔つきの違いにも関わらず ) 形成から現在まで全て観測から制約されている唯一の天体巨大衝突 ( 高温?) マグマオーシャン ( 深い?) 内部進化 (Canup, 2012) (Morota et al., 2011)

40 月の高温起源進化モデル ; 火成活動の急速な減衰 [Gyr] [Gyr]

41 + 大幅なマントルの冷却大きな熱収縮火成活動史 = 局在化 + 長期間持続初期の熱膨張その後のわずかな熱収縮 (Morota et al., 2011) Andrew-Hanna et al., 2014

42 放射性元素をマントルに長くとどめる算段月の低温起源? (Solomon & Chaiken, 1976) (Elkins-Tanton et al., 2011)

43 局所的でより持続的な火成活動と初期の膨張 PKT

44 低いマントル深部の初期温度高い

45 初期マントルを化学成層させた場合 Originally enriced in HPE

46 熱史と火成活動史 (Andrews-Hanna et al., 2013) (Watters et al., 2010) (Hiesinger et al., 2006; Whitten & Head, 2015) 形成直後の月はそれほど熱くなかった?

47 月の初期温度の見積り地殻の厚さ km マグマオーシャンの深さ km (Wieczorek et al., 2013)

48 月の揮発性成分本当に月は高温起源?or Late Veneer? (Chen et al., 2015) (Boice et al., 2010)

49 低温起源だとすると (1) 月の磁場 ; ダイナモの駆動源は熱対流ではない? (Weiss & Tikoo, 2014) (Tsunakawa et al., 2015)

50 低温起源だとすると ; 巨大衝突説? (Canup, 2004)

51 月の形成時間 700 時間? 冷えている暇がない月は高温起源 (Kokubo et al., 2000)

52 月の形成マグマオーシャン進化の一貫したモデルが必要他の惑星でも初期地球の化学成層月水星火星の Dichotomy Runway growth vs. Oligarchic growth と火星の磁場

53 惑星形成過程と内部進化のしがらみの例 ;Dichotomy (Morota et al., 2011) (Head et al., 2009) (Grott et al., 2013)

54 火星の磁場と初期進化? (Lillis et al., 2013)

55 火星の高温起源モデルコアマントル境界の熱流量 ;5 億年は持たない火星の形成過程マグマオーシャンの問題? (Ogawa, & Yanagisawa 2011)

56 Runaway growth で形成された惑星の初期進化問題例 ; 火星 (Stevenson, 1981) 地球金星では Cold primortial は巨大衝突でなんとでもなる

57 Runaway growth vs. Oligarchic growth 原始惑星形成 ; 火星サイズ以下巨大衝突 ; 地球金星などの形成 (Kokubo & Ida, 2002) (Kokubo et al., 2006)

58 系の下半分における液相の比率の時間変化 0.05 からの減少は分離の進行を示す固相対流のない場合 ( 黒い線 ) との比較 (Yanagisawa et al., in preparateion) 3 次元は重要分離の様式や時間スケールに差がある (3 次元のほうが液相が分離しやすい ) 2 次元 : 温度 ( 上 ) と液相 ( 下 ) 3 次元 : 温度 ( 緑 ) と液相 ( 白 )

59 固体マントル中のマグマの移動 ; 浸透流のモデル化連続の式運動方程式 Ñ é ë ju + ( 1-j)Uù û = 0 -ÑP + Radr g + Ñ é ë h( ÑU+ t ÑU) ù û = 0 固液相対速度液相の移動 u - U = - Mj 2 e z j + Ñ ( ju) = 0 t + エネルギー方程式 Ra; レイリー数 M; 浸透係数

60 火成活動マントル湧昇流フィードバックと初期進化フィードバック無しフィードバックあり

スーパー地球の熱進化と磁場の寿命立浪千尋千秋博紀井田茂衛星系形成小研究会 2012 小樽

スーパー地球の熱進化と磁場の寿命立浪千尋千秋博紀井田茂衛星系形成小研究会 2012 小樽スーパー地球の熱進化と磁場の寿命立浪千尋千秋博紀井田茂衛星系形成小研究会 2012 夏 @ 小樽地球型惑星岩石マントル金属コア岩石マントル金属コア (e.g. Ida and Lin, 2008) HARPS CoRoT Kepler 観測された系外惑星とスーパー地球候補赤 : トランジット法緑 : 視線速度法惑星質量 ( 地球質量 ) 平均密度 (g/cm 3 ) 軌道長半径

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