マッシュ状マグマの再流動化時間と噴火規模-斑晶の元素拡散記録からの制約-

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K04000
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: 鈴木 由希 早稲田大学, 教育・総合科学学術院, 准教授 (00374918)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 安田 敦 東京大学, 地震研究所, 准教授 (70222354)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 榛名火山 / 新期活動 / マグマ供給系 / 噴火準備・誘発過程

Outline of Annual Research Achievements

榛名火山新期活動（45ka以降）を研究対象としている。今年度は、二ツ岳渋川噴火と45kaのカルデラ噴火を対象に斑晶組成分析（コア・リムのポイント分析）を進めた。二ツ岳渋川噴火（5世紀末～6世紀初頭）の50～100年後には、同じ場所で二ツ岳伊香保噴火が起きている。この噴火で発生した火砕流により様々な岩相の堆積物が生成したが、そこに含まれる軽石は均質である。全岩組成が60.5～61.5 wt.% SiO2、斑晶は斜方輝石＋角閃石＋斜長石＋Fe-Ti酸化物、斑晶量は40～55 vol.%である。斑晶組織と組成に基づき、斑晶として確認された全鉱物を結晶として含む低温マグマが、高温マグマにより加熱され噴火に至ったことが判明した。この低温マグマは、伊香保噴火の低温マグマともよく似ており、2つの噴火で共通の低温マグマが活動したと推定される。Fe-Ti酸化物から算出された噴火時のマグマ温度は845-868℃である。
45kaの噴火について2つの火砕流堆積物（白川・里見）が知られている。2つの堆積物の軽石には全岩組成や斑晶の特徴において差異がないことが分かってきていた。そのため2つを合わせた全体的な特徴を検討してみることにした。軽石は全岩で62～66 wt.% SiO2、斑晶組み合わせは斜方輝石＋角閃石＋斜長石＋Fe-Ti酸化物＋カミングトン閃石＋石英であり、斑晶量は45-65vol.%である。斑晶組織と組成に基づき、斑晶として確認される全鉱物を結晶として含む低温マグマが、無斑晶質高温マグマと混合し噴火に至ったことが判明した。全岩SiO2量が66 wt.%の噴出物はマグマ混合の低温端成分に相当する。軽石に見られた全岩組成の多様性は混合比の違いで生まれた。Fe-Ti酸化物から算出された噴火時のマグマの温度は低温端成分で810℃前後、その他で820-870℃の範囲にあった。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

本プロジェクトでは、榛名火山の新期活動を引き起こした高温・低温マグマの地下での貯蔵状況や、噴火に先立つそれらの相互作用のタイミングの解明を目指す。高温・低温マグマの相互作用として、混合の他、高温マグマによる低温マグマの加熱が挙げられる。相互作用から噴火までの時間は、相互作用の際に低温マグマ中の結晶に発達したオーバーグロースと、その結晶内部との間にて噴火までに進行した元素拡散のプロファイルに基づき定量化できる。令和2年度に斑晶組成分析を実施した2噴火に関しては、それぞれの噴火を誘発したプロセス（高温マグマによる加熱・2端成分マグマの混合）を特定できた。取得することのできた噴火時のマグマ温度は、斑晶に残された元素拡散の記録から拡散時間を求める際の基礎データとなる。ただし令和2年度は、コロナ禍に伴って、研究時間が大幅に減少してしまった影響があり、低温マグマの結晶に対し拡散のモデル計算を行うまでには至らなかった。
しかし斑晶のコア・リムのポイント分析を通じ、今後の方策を決定する重要な結果を得た。概要では省いたが、それはマグマの加熱やマグマ混合にともなって発生したはずの組成累帯が、結晶内での元素拡散速度の速いFe-Ti酸化物（マグネタイト・イルメナイト）においては確認できなかったということである。つまり結晶のコアからリムまで均質な化学組成を持っている可能性がある。このことは上記噴火においては、地下での低温マグマの加熱やマグマ混合の発生後、噴火に至るまで、ある程度時間が経過した可能性を示唆する。二ツ岳渋川噴火や45kaのカルデラ噴火と同様の、爆発的噴火の産物である二ツ岳伊香保噴火の軽石では、Fe-Ti酸化物には組成累帯が確認された（Suzuki and Nakada, 2007）ため、上記は意外な結果であった。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度もコロナ禍に伴う様々な制約が予想される。本来であれば、より多くのサンプルに対して、基本的な鉱物組成分析を実施した上で、その結果において代表的と判断されるサンプルに関して、高温・低温マグマの相互作用から噴火までの時間の検討を行う予定であった。現状においてこれは困難であるので、現時点で基本的な鉱物組成分析を済ませてあるサンプルの中の、分析済みの結晶を対象に、時間の検討を行っていく。二ツ岳渋川噴火と榛名カルデラ噴火の両方で検討する鉱物種を揃え効率化を測る。元素拡散のモデル計算により時間を見積もるには、低温マグマに元々存在した結晶の組成と、相互作用後に発生したオーバーグロース部の両方の組成が必要になる。後者は噴出物から観察可能であるが、前者はレファレンスとなる別の噴出物の鉱物組成が必要になる（特に拡散が進行している場合）。二ツ岳渋川噴火については、二ツ岳伊香保噴火の白色軽石（Suzuki and Nakada（2007）により加熱・混合の証拠のないとされているもの）を用いる。榛名カルデラ噴火については、研究実績の概要で述べた全岩で66 wt.% SiO2のサンプルである。元素拡散の検討は、拡散の速い鉱物・元素から行なっていき、最終的に、異なる鉱物・元素から得られた結果に矛盾がないことを確認して、相互作用から噴火に至るまでのモデルを提案する。検討を行うのは、磁鉄鉱のMg、斜長石のMg、斜方輝石のFe-Mgである。100μmの結晶が各元素について均質化するまでの時間は、900℃では、各々1日、1年、1万年である。拡散プロファイルを基に定量的に時間を見積れる時間の範囲にも、系統差があるということになる。

Causes of Carryover

新型コロナ感染症拡大のため、研究時間・研究環境の両側面から様々な制約が発生し、研究そのものが大幅に遅れたことが、次年度使用額が発生した理由である。まず、授業（講義、実験）のオンライン化や、組織としての各種対応のため、研究時間の大幅な減少が生じた。そして感染拡大防止のため実験室に一度に入る人数の上限を設けた（実験室では窓の解放を行えない。サンプルの異物によるコンタミネーションを防ぐため、また顕微鏡などの精密機器があるためである）。令和2年度には研究室に多数の卒論・修論生が所属していたため、学生の卒業・修了のための作業を優先させた結果、科研費に関わる試料調整の時間が減少した。繰越した研究費は岩石薄片作成費に充てる予定でいる。