2015 Fiscal Year Research-status Report
| Project/Area Number |
15K13591
|
|---|
| Research Institution | Kanazawa University |
|---|
Principal Investigator |
隅田 育郎 金沢大学, 自然システム学系, 准教授 (90334747)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
|
| Keywords | マグマだまり / 溶岩湖 / 固化過程 / 固化組織 / モデル実験 / 熱対流 / 冷却 / 熱境界条件 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
私達は野外において固化した後のマグマだまりの組織を観察することが出来る。しかし固化組織からマグマだまりの冷却、固化過程を制約する方法は確立していない。これまでにマグマだまりが冷却して熱対流が停止するまでの過程について調べた実験は存在する(Brandeis & Marsh, 1989)。しかし固化が完了するまでの全過程を調べた実験は少なく、その物理は不明点が多い。本研究ではマグマだまりの固化過程と固化組織の因果関係を知るための基礎として、マグマだまりをモデル化した系で冷却、固化の全過程を調べる実験を行っている。本年度は本研究の基盤となった先行研究(Shibano et al. 2013)で用いた実験装置を用い、上下における熱的境界条件を３通り変えた時に、１成分系の溶融ワックスがどのように冷却、固化するかを調べた。その結果、(i)実験を行ったパラメータ範囲では熱的境界条件の違いに依らず固化完了に要するまでの時間は同程度であること、(ii)上面における冷却速度が臨界値以上になると、熱対流のパターンが変わることなく上面から下に向かって固化が進行すること、(iii) 熱境界条件の違いに応じて熱対流が停止する直前の温度場を反映した異なった固化組織が形成すること、が分かった。それぞれの結果の理由として、(i)冷却が速いと上面の熱境界層の成長が速くなるため、熱流量が低下し、結果的に固化速度を遅くするため、(ii)冷却が速いと冷却開始から固化が開始するまでの時間が対流が循環する時間の３倍以内と短くなり、パターンが変わるための時間が不十分になるため、(iii)熱対流が停止してから固化が完了するまでの時間が熱拡散の特徴的な時間よりも１桁以上小さいため、と推察した。冷却固化過程を１次元のパラメータ化対流理論でモデリングしたところ、(i)の結果を確認することが出来た。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本年度は初期に高レイリー数（Ra=2x10^7）下で熱対流をしている高粘性流体(プラントル数：Pr=700)が冷却、固化する過程を上下の熱的境界条件を３通り変えた場合について実験を行い、その結果を解析した。作業流体として溶融ワックス（融点３７℃）を用い、前面からカメラ撮影を行い、温度場と熱流量の測定を行なった。そして上面冷却速度(dTtop/dt)、下面冷却速度(dTbot/dt)を以下の３つの組み合わせの下で実験した(単位は℃/min)：(a) 基本型：dTtop/dt=0.012, dTbot/dt=0.64、(b) 上面冷却型：dTtop/dt=0.5, dTbot/dt=0.64、(c) 下面冷却型：dTtop/dt=0.001, dTbot/dt=0.85。実験から冷却、固化は以下の３ステージを経て完了することが分かった: Stage I 完全に溶融した状態で熱対流が継続する、Stage II 熱対流が継続しながら固化が境界から進行する、Stage III 熱対流が停止し、熱伝導のみで固化が完了する。冷却様式(a)-(b)を比較した結果、以下が分かった：(i) 各々のステージの時間の長さは異なるものの、固化が完了するまでの時間は5%以内で一致する、(ii) 基本型及び下面冷却型では冷却に伴い対流パターンが変化し、中心で上昇域が形成するのに対し、上面冷却型では対流パターンが変わらず、固化完了直前になってパターンが変化する、(iii)それぞれについて熱対流が停止する直前の温度場を反映した異なった固化組織が形成する。(i)についてはパラメータ化対流理論による冷却過程のモデリングにより、３通りの場合で時間平均したレイリー数の違いが小さいため固化完了に要する時間の違いが小さくなったことが推察された。
|
| Strategy for Future Research Activity |
昨年度行なった実験では、側面から流出する熱流量の影響が不明であった。そこで本年度は側面に断熱材を設置した冷却固化実験、及びより単純なシリコンオイルを用いた冷却実験とその解析を行い、昨年度得られた結果と比較して、側面熱流出の効果を定量化する。次に以下の２つの実験へと発展させる。(i) 昨年度は１成分系の作業流体を用いた。実際のマグマは多成分系であり、部分溶融状態が実現する。ワックス水溶液は２成分共融系の相図を持つことが知られており、より適切なモデル物質である。そこで昨年度行なった実験と同じ熱境界条件下において、ワックス水溶液の冷却、固化過程を調べる。共融点組成よりもワックスの量が多い場合は固化に伴い水分に富む、密度の小さい成分の流体が放出される。上面（下面）冷却の場合、これは対流を阻止（促進）するセンスに働くことが予想される。そこでこれらの場合の実験を行い、流れ場と温度場を測定し、形成される固化組織の違いを調べる。ワックス水溶液の組成を変えると、浮力の大きさと部分溶融度が変わるので、それらの影響を系統的に調べる。ワックスの水溶液の相図は既に確立されているが、リキダス、ソリダス温度の組成依存性を再決定する必要があれば、私達の実験室あるいは学外の施設に依頼して測定する。(ii) 既存の装置は幅80mm、高さ80mmの正方形の側面を持ち、セルの数が１～３程度と限られる。実際のマグマだまりは側面においても冷却される。そこで側面冷却の実験を次年度以降に行うために、新規に横長で側面冷却が可能な実験装置を設計、作成する。
|
| Causes of Carryover |
本実験ではパラメータを変えた際にどのような現象が起きるか、当初予想がつかない状況であった。そこでまずは他の実験目的のために作成したが、本実験にも転用することが可能であった既存の実験装置を用いて起きる現象を調べ、既存の測定機器で温度場及び流れ場の測定が可能であるか調べることにした。その結果、実際に起きる現象が明らかになった。また実験装置の問題点、改良点が判明した。以上の理由により、実験手法の改良するための新しい機器の導入、新規の装置の設計、作成は次年度に行なうことにしたため、次年度使用額が生じた。
|
| Expenditure Plan for Carryover Budget |
これまでに得られた結果は地球惑星科学連合２０１６年大会で発表する。そのための旅費として使用する。実験に必要な作業流体（ワックスとシリコンオイル）、熱的境界条件を制御する方法を改良するためにヒーター、温度コントローラー、ペルチエ素子、流速測定のためのトレーサー、流れ場の可視可のための感温液晶と照明装置を購入するために使用する。新しい装置を作成するための材料費及び制作費(技術支援センター)として使用する。実験と解析を主に進める大学院生の謝金として使用する。また画像解析を行うために用いるソフトウェアの維持費、データを保存するためのハードディスク経費として使用する。
|
Research Products
(6 results)
-
-
[Journal Article] Inner-Core Dynamics2015
Author(s)
Sumita, I, and M. I. Bergman
-
Journal Title
Inner-Core Dynamics, in Schubert, G. (ed.) Treatise on Geophysics (second edition)
Volume: 8
Pages: 297-316
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
-
-
-
-
