2017 Fiscal Year Research-status Report
ガラスビーズ中で成長するＴＨＦハイドレートの形態形成
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16K04952
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| Research Institution | Meiji University |
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Principal Investigator |
長島 和茂 明治大学, 理工学部, 専任教授 (70339571)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 海底メタンハイドレート / THFハイドレート / 形態形成 / 結晶成長 / 堆積物 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
海底メタンハイドレートは海底堆積物中に多様な形状で存在することが知られているが、それらの形状の形成機構はよく分かっていない。研究代表者は、ガラスビーズとＴＨＦ水溶液を混合したサンプル中においてＴＨＦハイドレートを成長させるというモデル実験を行い、すべての形状の再現に成功している。ところが、モデル実験は理想化・単純化された系であるため、本研究では、このモデル系を海底メタンハイドレートの形成の素過程に近づけた系において実験的研究を行った。
具体的には、ゲスト分子の拡散律速の効果を顕在化させるために、前年度に続き、低THF濃度の溶液をガラスビーズと混合したサンプルを用いること（低濃度実験）にある。さらには、前年度の結果において、従来海底下では見られないファセット状結晶が低濃度実験において析出したことを受けて、低含水比における実験も行った。つまり、ビーズの効果を相対的に高めることで、単結晶特有の形状であるファセット状の成長を抑制できるのかを明らかにして、ファセット成長が海底下においても未発見なだけで起こり得るのか、あるいは、モデル実験上得られた形にすぎないかを見極めた。さらには、実験の都合上、低速度での成長では、前年度よりも2倍長いセルを用いることで、セルサイズ効果を回避する工夫をした。また、形状の見極めが難しい高速度での成長実験も行い、本予算で購入した高解像度デジタルマイクロスコープにより従来よりも高精度に結晶形状を撮影することが実現した。
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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
本年度は、粒状や塊状が形成するビーズの混合比（2ミクロンビーズと50ミクロンビーズを等重量混合）を用い、低濃度低含水比実験を行った。その結果、含水比の低下にともない、ファセット状の結晶は現れなくなり、海底下で見つかっている層状、粒状や塊状が形成することを突き止めた。そして、低濃度実験におけるファセット成長の要因は、極めて緩やかな成長速度のために低指数面が形成されやすくなり、その形成を阻害する要因である固形粒子（ビーズ）密度が十分高くないことにより引き起こされたに過ぎないと結論付けた。
さらには、低速度での結晶成長において、セルサイズの問題を検討した。拡散長がセルの端まで及んでしまうと、セルのサイズの影響が結晶成長過程に及んでしまう懸念があったためである。そこで、前年度よりもセル長が2倍長いものを制作して同様の条件での実験を行い、定常状態における結晶成長パターンの安定性に効果があるとする結果を得た。
結晶形状の見極めが難しい高速成長での実験も行った。本研究予算で購入した高解像度のデジタルマイクロスコープによる観察によって、ビーズ中に形成する霜柱状のハイドレートパターンのコントラストが上がり、従来は分散状（結晶とビーズのコントラスト差がない）と判断していた条件が極めて微細な層状であったことを突き止めた。このことは、形状の分類のためのダイヤグラムの境界線を高精度に決定すること、および、成長条件と結晶のサイズスケールの議論をより精密に実施することに寄与する。
以上の方針における系統的なデータ取得や詳細な解析はこれからであるが、重要な指針が得られたため本研究は概ね順調に進展していると考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
低濃度ＴＨＦ水溶液・低含水比サンプル（ビーズ重量に比べて溶液重量が少ない）を用いたTHFハイドレート成長実験を層状、粒状や塊状、針状という形態が形成する条件において実施する。これにより、結晶形状やサイズスケールに及ぼす拡散律速の影響、含水比の影響を明らかにする。また、当初から分かっていたビーズ粒径や成長速度の影響が、低濃度低含水比実験においてその影響の及び方が定量的にどのようにシフトし、また定性的に変わり得るかの検証がポイントとなる。具体的には、形のダイアグラム中の境界線がどちらにシフトするかが一つのポイントであり、さらには、ハイドレート結晶の面積や数密度と実験条件との関係性への影響の見極めがもう一つのポイントである。
このように本研究は、多孔質媒体中でのハイドレート結晶の形成過程におけるゲスト分子拡散およびガラスビーズ中での溶液輸送という2重の律速性の影響をもとにモデル実験を行うことで、海底メタンハイドレートの形態形成に対するより精密なモデルを構築し、地質学的な時間スケールにおける現象の理解を深める。
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| Causes of Carryover |
消耗品の購入が予想よりも少なく済んだためである。具体的には超純水装置用のフィルター類や実験装置本体の部品であるペルチェ素子（破損時に交換）である。
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