AF仮説は複雑クレーター形状のどこまでを説明できるのか？
AF仮説の検証方法は？
Hydrocode simulations of Chicxulub crater collapse

G. S. Collins, H. J. Melosh, J. V. Morgan and M. R. Warner, 2002. 

2014/1/21 

東大・新領域 M１

古賀すみれ

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Chicxulub crater! 白亜紀末期の生物大量絶滅の原因とされる! 直径150km以上! 埋没クレーター! 複雑クレーター
浸食が比較的少なく、ピークリングが見られるChicxulub)craterL*1$XbW@PERH#+/4

クレーター形成過程の理解の妨げ
対立する特徴を持つクレーター• 狭い中央丘をもつVredefort crater、Manicouagan crater• 広い基盤岩をもつPopigai crater、Ries crater

Manicouagan crater
高度分布

Ries crater
高度分布

Chicxulub crater形成の対立するモデル(Pilkintigton et al. 1994、Sharpton et al. 1996)5紹介論文の目的
巨大衝突クレーター形成のさらなる理解のために数値シミュレーション結果と地震波データから導かれる力学モデルを統合する

手法
チクシュルーブクレーターの崩壊を再現する
流体シミュレーション
チクシュルーブクレーターの地震波データによる観測形状と比較
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シミュレーションの手法 概略! 使用したコード、方法変更したSALE、ラグランジュ的方法、Block-model! 初期条件トランジェントクレーター

衝突体減速、初期掘削は最終形状への影響は小さく、お椀型クレーターの崩壊が最終形状決定に重要 (Melosh & Ivanov 1999)! 崩壊過程重力による崩壊と物質強度との競合! 終了条件
各場所で、応力が物質強度を下回ったとき計算終了

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ラグランジュ的方法! 計算の参照フレームは物質の流れと共に移動! 長所
歪められる自由表面の記述が可能! 短所
物質の変形が大きくなりすぎると計算が破綻

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シミュレーションの手法 詳細! 初期条件のトランジェントクレーター・MaxwellのZ-model( Z = 3 )→物質の変位、圧力・D = 100 km
・衝突の衝撃波による高圧は完全に散逸
・物質は静止 ： シミュレーション１（速度場を与える場合も実行 ： シミュレーション２）! 崩壊過程・不安定なトランジェントクレーターの重力による崩壊
・衝突後のターゲットの物質強度
・Bingham流体
応力＞物質強度 → 物質はニュートン流体
応力＜物質強度 → 計算終了
! 物質強度Acoustic ﬂuidizationによって弱められた降伏強度Y
9前提

Acoustic ﬂuidization

広がるShock frontによって作られた高振幅、高周波数、ランダムなアコースティック波が一時的に荷重圧力を緩和し、粒状媒体の破片間の摩擦抵抗を減少させる

シミュレーションへの組込み方

ピーク圧力pmaxの式導出→pʼ

圧力振動振幅pvibに依存する降伏強度Y ・Hugoniot方程式 ρ, p U u
pʼ - p = ρuʼU ρʼ, pʼ
Y = μ[p ‒ pvib(r,t )] (pvib＜p )u’0(pvib＞p) 降伏強度は非負 ・多くの物質でU = c + Suʼ (S〜1, c：音速)
pvib(r,t=0) = fpshock
U c の時 U〜uʼ
pshock = pmax (ai /r )n・衝突体とターゲットが同物質
pmax = ρvi2 / 4→ uʼ = vi / 2
pvib(r,t ) = pvib(r,t=0) exp(-t /τv)

振幅大：降伏強度小μ：内部摩擦係数r：衝突点からの距離t：時刻
p：圧力、ρ：密度

pshock ：ピークショック圧
pmax ：衝突点近傍でのショック圧
τv：pvibの減衰緩和定数
vi ：衝突速度pを用いると pʼ = ρvi2 / 4

ρ, vi はChicxulubに適した定数を与える :シミュレーションの流れ まとめ
Z-modelによりお椀型クレーターの形状決定（D, Z (=3)固定）
その形状で静止した物質から計算開始 DcY^aVSaYT`bWb'
（または速度場を与える）
降伏強度Y 計算 Acoustic ﬂuidizationでY 計算 (パラメタ:ρ, vi , f, μ, τv )初期条件

Y = μ[p ‒ pvib(r,t )] (pvib＜p )0(pvib＞p) 

重力駆動応力σ 計算

Yとσの比較

(ρ)

Y ＞ σ → ニュートン流体として運動計算（η）
Y ＜ σ → 計算終了、物質は停止。
))))))AFJF)(Z-modelで計算した初期形状

KGQ)

%



AF

;

結果

シミュレーション１

T=0 s

T=75 s

.AKERQ?"T`bWb
T=150 s

T=225 sA < K)AEPKFDPRQ Y^aVSaYT`bWb_[MN
T=400 sA-O<C&>T`bWbAERQ32

結果

シミュレーション２T=0 s

T=75 s

.AKERQ?"T`bWb
T=150 s

T=225 sA < K)AEPKFDPRQ Y^aVSaYT`bWb_[MN
T=00 sA-O<C&>T`bWbAERQ=)FH_[IL0K,)J B

33
33

結果 パラメタの影響! ai, vi, f ： ﬂuidizeされる領域の大きさに重要。
fの値により1-2トランジェントクレーター半径の領域で変化。
f 大 → ﬂuidizeされる領域大! τv ：!η

最終形状に重要。
τv大 → 圧力振動の減衰小 → 形成が進む
τvが最終形状(中央丘、ピ-クリング)を決定。
： 崩壊のダイナミクス
η大 → 中央丘の高さ、崩壊速度小34

観測との比較 (1/3)
直接再現できている点! 広く浅い最終クレーター! ピークリング! 元々トランジェントクレー
ターの外側、浅くにあった崩落した物質は、最終的にピークリング外よりの下に。
! 凹型の中央丘

AFUZ\`bU]a(!

AFだけでは説明できない特徴
中央丘上部は融けると期待される。
崩壊した中央丘とリムの間にはメルトができるはず。
インパクトメルト（観測）Chicxulub1$XbW@PL#+35

観測との比較 (3/3)

対立する観測地形に対する統一的説明
水平面で取り除かれる浸食を考えると．．．
広い層積基盤岩

準現地性の基盤岩をもつ
Popagai crater(Masaitis+1999,
Visnevsky & Montanari 1999)

狭めの基盤岩と周りの若い層中央丘が浸食されたと考えられ(Grieve&Therriault 2000)、凹型褶曲層に囲まれた(McCarthy+1990)Vredefort
衝突地形

狭い中央丘

環状のメルトシートに囲まれた狭い中央丘をもつManicouagancrater36シミュレーションの限界! このBlock-modelで扱ったAcoustic ﬂuidizationは不完全。
Acoustic振動振幅が物質の流動に依存しない。
! このシミュレーションではWeekeningメカニズムとして圧力振動だけを使用。
熱によるWeekeningも存在するはず。

数値計算への非線形方程式の組込みの困難による
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問いに対する答え
問１：AF仮説は複雑クレーター形状のどこまでを説明できるのか？
! 比較的浸食の少ない複雑クレーターChicxulub
craterの多くの特徴を説明できる
・広く浅い形状・ピークリング・ピークリング下の逆転した層序
・中央丘の形状

AFUZ\`bU]a(!38問いに対する答え
問２：AF仮説の検証方法は？
AF仮説の予測では、ターゲット表面近傍の物質の動きは鉛直だけでなく水平方向にも大きく動く。
その結果、深くから掘削された物質が覆されてピークリングを作る。
更なる地震波実験と陸地・沖合両方の掘削で地下構造を明らかにし、予測と比較することで検証できる。
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