2017 Fiscal Year Annual Research Report
Does magma harden or soften with accelerating deformation? - Clarifying brittle fracture process of fluid for application to volcano dynamics
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16H04039
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
市原 美恵 東京大学, 地震研究所, 准教授 (00376625)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
亀田 正治 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70262243)
山中 晃徳 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (50542198)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | レオロジー / マグマ / 噴火 / 流動 / 破壊 / 気泡 / 粘弾性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
マグマの変形と破壊のメカニズムについて理解を深め，火山噴出物に見られる流動と破壊の痕跡に新たな解釈を与えることを目的として，理論・実験・計算の３班構成で研究を実施した．理論班は，流動から破壊に至る過渡的なマグマの挙動を表現する非線形・非定常のレオロジーモデルの考察を進めた．また，前年度に作成した気泡変形モデルと，それを応用して火道中を上昇し破砕するマグマに残る気泡の変形度を推定した結果を論文にまとめた．実験班は，発泡し硬化するポリウレタンフォームをマグマ模擬物質として用いて，レオロジーの時間変化や，硬化中に加えた変形が内部の気泡構造に残す痕跡を調べる実験を行ってきた．今年度は，「ゲル化」という過渡的レオロジー変化に注目して実験を行った．また，ポリウレタンフォームの破砕実験については，H28年の予備試験の結果，急減圧実験は適切でないと判断し，圧縮と引張の二つの方法について，検討と予備試験を行った．その結果，引張試験において，爆発的な噴火の噴出物に見られる変形気泡構造に非常によく似た気泡構造が作られることが分かった．そこで，歪や歪速度を制御して引張変形を加えることにした．H29年度中に行った予備試験によって見通しが立てられたため，経費の繰り越しを行い，H30年度に引張試験機を導入して実験を行った．計算班は，粘弾性流体中の破壊シミュレーション手法の開発を行った．試料内のき裂をフェーズフィールド法の秩序変数を用いて表現し，その時間発展方程式とき裂を含む線形マクスウェル流体内の応力・ひずみ場の時間発展を，有限要素計算ソフトCOMSOLを用いて解いた．これにより，粘弾性流体中のき裂進展の様子を再現することに成功し，軟らかい（緩和時間の短い）物質の場合には，き裂先端は粘弾性緩和による鈍化と破壊による進展が競合しながら進むことが分かった．
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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
研究経費繰越により，実験の一部である引張り変形試験を，最終年度に実施した．最終年度の実験については，当初期待していた成果が得られた．また，当年度(H29)年中に行った，レオロジー試験については，年度内に実験は修了し，良好なデータが得られた．その他，理論と数値計算のパートについては，当初の計画通り順調に進められた．
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| Strategy for Future Research Activity |
引張り変形試験の手法が確立した.今後，パラメータを変化させて系統的な実験を実施し，流動～硬化に至る過程で形成される気泡組織について，開発した気泡変形モデルとの比較を行う.また，当初の予定通り進められている，レオロジーの理論については，構成方程式の非線形項の意味を明らかにし，妥当性を検討する.数値計算については，フェーズフィールド破壊モデルについて，Kuhn et al. (2015)と，Karma et al. (2001)のモデルの比較を行い，採用するモデルを決定した後，粘弾性流体の破壊シミュレーションを行う.
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[Journal Article] Advancement of magma fragmentation by inhomogeneous bubble distribution2017
Author(s)
Kameda, M., Ichihara, M., Maruyama, S., Kurokawa, N., Aoki, Y., Okumura, S. and Uesugi, K.
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Journal Title
Scientific Reports
Volume: 7
Pages: -
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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