2016 Fiscal Year Research-status Report
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15K13591
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| Research Institution | Kanazawa University |
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Principal Investigator |
隅田 育郎 金沢大学, 自然システム学系, 准教授 (90334747)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | マグマだまり / 部分溶融体 / 熱対流 / 固化過程 / 固化組織 / 粘性率 / 降伏応力 / 脱ガス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は(i) 初期に熱対流をしていた系の冷却、固化過程を説明するためのパラメータ化対流の数値モデルの作成、(ii) 部分溶融（マッシュ）状態を経て固化に至る過程のモデル実験の遂行と解析、(iii) 部分溶融したマグマの透明なモデル物質の作成とその中における脱ガス過程の実験と解析、の３つを行った。
(i) 昨年度行ったマグマだまりの固化過程の実験を説明するために１次元の冷却固化過程の数値モデルを作成し、作業流体（マグマに相当）と実験容器（母岩に相当）の両方をカップルさせて解くことにより、実験結果を良く説明することが出来た。
(ii) PEGワックス水溶液は２成分共融系の相図を持つ。水の質量分率が異なるサンプルを用いて固化実験を行った。その結果、固化が部分的に進行した上部境界層が剥離して沈降すること、部分溶融度が高い状態で対流が停止すること、固化に要する時間が熱境界条件の違いに強く依存することが分かった。これらはいずれも単一組成の場合には見られなかった現象であり、実効的な粘性率が結晶分率に依存することに起因していると解釈した。
(iii) 固化が進行しているマグマだまりではマグマ中に含まれていた揮発性物質が発砲、脱ガスしている。このような脱ガス過程は結晶体積分率の増加に伴い遷移し、固化組織にも影響を与えると予想されるが、その詳細は分かっていない。このような部分溶融体は一般に不透明であるため、起きている現象を直接観察することは困難である。そこで私達は粒子と液体の屈折率を合致させて透明な部分溶融マグマのモデル物質を作成し、その中を上昇する気泡の可視可を行った。そして粒子の体積分率Φの関数として気泡上昇速度のスケーリング則を求めた。また非ニュートンレオロジーに特有の現象として気泡上昇速度が流体の記憶効果の影響を受けること、またクラック状の経路を形成することが分かった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
これまでにマグマだまりの(a) 冷却、固化、そして(b)脱ガス過程を調べるための実験装置を作成し、実験結果を解析的な理論、数値計算を用いて解釈してきた。
(a)については単一成分のワックスをモデル物質として用い、冷却方法を３通り変えた実験を行った。その結果、３通りの場合では、固化過程と形成される固化組織が異なるものの、固化が完了するまでの時間は同程度になることを示し、熱史の数値計算により説明した。その次にワックス水溶液を用いて同じ実験を行い、固体と液体の中間的なレオロジーを持つ部分溶融体が固化過程と固化組織に与える影響を調べた。その結果、部分溶融した場合では対流が停止するまでに要する時間が冷却方法の違いに強く依存することが分かった。また境界層の剥離、結晶沈降など特有な現象が観察され、形成される固化組織に違いが見られた。
(b)についてはまず透明な結晶を含むマグマのモデル物質を作成するために屈折率が合致した粒子と液体を選定し、それらを混合、脱泡して任意の粒子体積分率Φを持つサンプルを作成する方法を開発した。その上で実験装置を設計、作成し、それぞれのΦのサンプルについて気泡上昇速度の気泡体積に対するスケーリング則を求めた。そしてΦが増大するにつれて、上昇速度対気泡体積の冪乗則の冪が大きくなることを示し、その結果をずり流動性の増加と、乱流抵抗の減少の両方を用いて説明した。またΦ > 0.4では浮力がレオロジー測定から得られた降伏応力と１桁以内になると気泡は上昇しないことが分かった。またΦ＞0.4 では気泡が上昇するとその次に上昇する気泡の上昇速度が速くなる履歴性があることが分かり、粘弾性の発現と関連があると解釈した。次に気体を連続的に注入して間欠的に発生する気泡流の実験を行い、Φ＝０．４の場合と異なり、Φ＝０．５の流体中ではクラックのような経路が形成されることを示した。
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| Strategy for Future Research Activity |
以下２つの研究課題について今後の推進策を記す。
(a) 今後は初期のワックス水溶液中の水の濃度を少しずつ変えた実験を行い、対流が停止するまでの経過時間、形成される固化組織を系統的に調べる。またそれぞれについて初期の平均温度を変えて実験を行い、初期のSuper heatに対する依存性を調べる。また部分溶融したワックスのレオロジー測定（粘性率とその歪速度依存性、降伏応力、そしてそれらの温度依存性）を行う。温度範囲は室温からワックスの融点である７０℃までを予定している。そして粘性率と降伏応力の水溶液の濃度、温度に対する依存性の実験式を導出する。そしてこの実験式を対流計算に組み込んで実験結果と比較する。これまでの実験では固化組織の可視可が限定されている。そこで着色料の使用、また弾性波を用いて固化組織をイメージングする方法を開発する。以上の結果は指導学生の修士論文としてまとめる。
(b) 今後は部分溶融マグマのモデル物質中を上昇する気泡流の実験をサンプルのΦ、過剰圧、流量を幅広く変えて行い、気泡流のパターンとそれに伴う圧力、流量変動との関係を解明する。Φが増大するとレオロジーは粘性流体的（気泡の上昇）から固体的（クラックの形成）へと遷移することが予想される。しかしその遷移過程は良く分かっておらず、本実験で解明する。また圧力と脱ガスの時間変動は、実際のマグマだまりにおいて発生している火山性微動、観測される脱ガス量の変動と対応付けられる。そこで本実験に基づき、観測量から地下のマグマの状態を制約する方法を提案する。さらに気泡破裂に伴う空振測定を行い、空振から気泡サイズを制約する方法を開発する。途中経過は地球惑星科学連合大会、IAVCEIで発表し、その後に投稿論文の執筆を開始する。
以上の結果は２０１８年にハワイにおける観測計画を立てる上で活用する。
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| Causes of Carryover |
初年度に既存の装置を使って予察的な実験を行ったため、本年度及び次年度に使用額が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
本年度は作業流体の材料、弾性波による固化組織の可視化のためのセンサー購入のための物品費、地球惑星科学連合大会、IAVCEIで研究成果発表するための旅費、実験、解析を行っている大学院生用の謝金のために研究費を使用する。
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Research Products
(6 results)
