ナノ結晶が噴火ダイナミクスとマグマ物性に与える影響

• Project/Area Number: 22K14111
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 17040:Solid earth sciences-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 無盡 真弓 東北大学, 理学研究科, 助教 (60822004)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2025: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: ナノ結晶 / 火山噴火 / マグマ / 結晶成長 / 噴火様式 / 高温その場観察

Outline of Research at the Start

本研究ではマグマからのナノ結晶の結晶化メカニズムと結晶化条件、及びナノ結晶が火山の噴火現象に与える影響を明らかにするために、まず天然の火山噴出物中のナノ結晶とナノ結晶周辺のガラスの構造を調べる。次に加熱ステージを搭載した高分解能電子顕微鏡とラマン分光装置を用いて、マグマからのナノ結晶の結晶化とメルトの構造変化を高温“その場観察”する（高温ではガラスはメルトとなる）。明らかになったナノ結晶の結晶化条件をもとにナノ結晶を制御したマグマの粘性測定を行う。

Outline of Annual Research Achievements

火山噴出物中のナノ結晶は噴火様式に影響を与える可能性がある。しかし、その晶出条件や晶出メカニズムは明らかになっていない。そこで当該年度では、火山噴出物中のナノ結晶とその周囲のガラスの構造の分布を明らかにすることを目的に、天然の火山噴出物の記載的な研究を行った。富士山の宝永噴火のスコリア31粒子、三宅島の新鼻新山のスコリア6粒子、阿蘇山の2014年噴火のスコリア3粒子の合計41粒子を対象にし、光学顕微鏡および電界放出型走査型電子顕微鏡（FE-SEM）を用いて薄片観察を詳細に行った。さらにFE-SEM観察を行った上でラマン分光分析を行った。FE-SEM観察の結果、斜長石周囲で、斜長石よりも重い元素でできているナノ結晶（もしくはアモルファス）が晶出することがわかった。それらのナノ結晶の分布には二種類あり、斜長石の周囲に直接晶出する場合と、斜長石の周囲に析出したメルトもしくは比較的大きい結晶の周囲にナノ結晶が晶出する場合があることがわかった。そしてラマン分光分析の結果、斜長石の周囲にできる比較的大きい結晶は、磁鉄鉱、輝石、かんらん石の三種類の可能性があり、またFE-SEM観察でナノ結晶が晶出しているようにみえる領域は、ガラスのみの場合とナノ結晶を含む場合の二種類がある可能性があることがわかった。また斜長石から離れるほど、完全なガラスを示す傾向があることがわかった。先行研究では玄武岩質マグマの溶岩中においては冷却によって長石の周囲でメルトの相分離が起こることが示されていたが、本研究ではさらに結晶化が起こる可能性が示された。本成果はナノ結晶の晶出メカニズムに関して制約を与える上で重要な成果である。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の予定では、当該年度には透過型電子顕微鏡(TEM)を用いてナノ結晶の鉱物相の同定まで行う予定であった。しかし予察的な観察時よりも多くの粒子の観察を進めていく中で、ナノ結晶の晶出の分布状況や、斜長石の周囲の比較的大きい結晶の種類が、当初予期していたものよりも多様であった。そのため、それらを再分類し、組織の考察をするところで予定よりも時間を要した。一方で、これらの観察結果を基にナノ結晶の晶出メカニズムを考察する中で、先行研究からナノ結晶の晶出メカニズムと関係しそうであるガラスやメルトの構造に関しての知見を得ることができた。また、TEM分析はごく微小領域を切り出し分析するため、分析箇所を詳細に決める必要がある。当該年度中にTEM分析する部位を絞り込むことができた。総合的に判断するとおおむね順調である。

Strategy for Future Research Activity

本研究課題は大きく3つの課題(A, B, C)に分けられる。課題Aは天然試料の記載的な研究、課題Bは高温その場観察実験、課題Cは粘性測定実験である。これまで主に課題Aを推進してきたが、課題Aを完遂するための具体的な推進方策は次の通りである。ガラス（メルト）の構造とナノ結晶の結晶化の関係を明らかにするために、XRF（蛍光X線分析法）、FE-SEM、TEM、ラマン分光分析を用いて、全岩化学組成およびガラスの組成分析と、ナノ結晶の鉱物相の同定を行う。さらにラマン分光分析で、斜長石からの距離とナノ結晶の晶出限界を求める。これまでの結果とこれらの結果からナノ結晶の形成モデルを立て、噴火活動との対応を考察する。
課題Aで求められたナノ結晶の形成モデルを元に、課題Bの高温その場観察実験を行い、ナノ結晶の晶出する条件を実験的に求める。現在のところは、実験のパラメータとして温度、その温度での保持時間、もしくは冷却速度が考えられるが、課題Aから、重要なパラメータを絞り込む。最後に課題Cとして、課題Bのナノ結晶が晶出する条件において粘弾性測定装置を用いて粘性の時間変化を調べる。課題A・Bの結果と統合し、ナノ結晶およびメルトの構造変化が噴火のダイナミクスに与える影響を考察する。