組織を用いて岩石の溶融継続時間を推定する手法の開発

Research Project

Project/Area Number	23K03529
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 17040:Solid earth sciences-related
Research Institution	Kochi University
Principal Investigator	川畑博高知大学, 教育研究部自然科学系理工学部門, 教授 (90392943)
Project Period (FY)	2023-04-01 – 2027-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000) Fiscal Year 2026: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000) Fiscal Year 2025: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000) Fiscal Year 2024: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000) Fiscal Year 2023: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Keywords	非平衡溶融 / アルカリ長石 / 岩石組織 / 溶融継続時間
Outline of Research at the Start	噴火に関わるマグマプロセスを理解していくためには、天然試料から短い時間スケールを読み解く手法の開発が欠かせない。本研究では、捕獲岩の鉱物粒間に発達するガラスバンドの厚さから、溶融継続時間を見積もる新しい手法を開発することを目的とする。細粒花崗岩の非平衡溶融実験を行い、非平衡溶融の進行過程を粒子スケールで明らかにする。また、鉱物溶解の律速過程を判定した後、鉱物粒間に生じるガラスバンドの厚さを、溶融時間と溶融温度の関数として定式化する。本研究で得られた経験式を溶融を被った捕獲岩に適用することで、ガラスバンド厚さという組織情報から溶融時間を推定できるようになると期待される。
Outline of Annual Research Achievements	マグマに取り込まれたゼノリスは急速に加熱され、非平衡な状態で溶融が進む。こうした非平衡溶融は、条件が揃えばマグマ溜まりの壁岩でも生じうる。岩石の非平衡溶融を理解するためには、メルト内の元素拡散だけでなく、鉱物―メルト界面で起こる現象を鉱物種ごとに理解することが不可欠である。本年度は、部分溶融を経験した花崗岩ゼノリスと、細粒花崗岩を用いた非平衡溶融実験の観察・解析を行い、アルカリ長石の溶解に伴う組織・組成変化の把握とその形成過程を検討した。用いたゼノリス試料は、瀬戸内安山岩にとりこまれた花崗岩・花崗閃緑岩であり、新鮮なガラスが鉱物粒間に沿って分布するのが特徴である。一方、実験生成物は、金カプセル内に円柱状に成形した細粒花崗岩と蒸留水を封入し、50 MPa、H2O飽和条件の下で、温度（800℃から1000℃）と時間（最長86時間）を変えて非平衡溶融実験を行うことで得た試料である。組織観察と鉱物・ガラスの組成分析を行った結果、離溶組織（パーサイト構造）の有無で鉱物溶解過程や、岩石中のメルト分布が変化することがわかった。また、アルカリ長石に見られる組成変化は、アルカリ長石近傍のメルト組成（または反応領域の局所バルク組成）が、ノルム石英ー灰長石ー曹長石ー正長石四面体において、アルカリ長石―斜長石のcotectic surfaceを横切るように変化することで生じると解釈できる。なお、本年度得られた知見の一部は、日本鉱物科学会で口頭発表を行った。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 当初の予定どおり研究が進んでいるため。
Strategy for Future Research Activity	1）本年度に引き続き、花崗岩試料を用いた非平衡溶融実験を進める：非平衡溶融実験は内熱式ガス圧装置を用い、50 MPa かつH2O 飽和条件で行う。出発物質には、円柱状に整形した細粒アプライト（平均粒径0.3 mm 程度）を用いる。出発物質を入れる金属カプセルは外径5 mm、長さ10 mm 程度とする。1000℃から800℃まで100度ごとに温度を変えて実験を行う。溶融時間は0時間から最長86時間の間で設定する。それらの結果をみて、必要に応じて、より長時間の実験を実施する。 2）非平衡溶融の進行過程を、実験時間、温度、岩石組織とガラス・鉱物の化学組成を用いて整理する：溶融させた試料は急冷後回収して、樹脂包埋、研磨後、組織解析とガラス・鉱物の化学分析を行う。組織解析・化学組成分析は、主に高知大学に設置してあるマイクロX-ray CT、EPMA、FE-SEM/EDS を用いる予定である。 3) 鉱物溶解速度を律速する過程を明らかにする：化学組成分析では、ガラスバンドの組成ラインプロファイルを収集するほか、界面近傍およびガラスバンド中央部の組成を分析する。界面での鉱物―メルト平衡が成り立っているか確かめることで、鉱物溶解速度を律速するのが界面反応かメルト内の元素拡散かを判別する。 4) ガラスバンドの厚さを溶融時間と溶融温度の関数として定式化する：組織解析では、SEM 画像を使って粒界に分布するガラスバンドの厚さを測定する。これらのデータを用い、ガラスバンドの厚さを溶融時間と溶融温度の関数として表す。得られた関数を鉱物溶融メカニズムを記述する数理モデルと照らし合わせ、鉱物の溶融速度がメルト内の元素拡散によって律速されるとの予想が正しいか判断する。