| 研究課題/領域番号 |
15K13561
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
市原 美恵 東京大学, 地震研究所, 准教授 (00376625)
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| 研究分担者 |
桑野 修 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 数理科学・先端技術研究分野, 研究員 (30511969)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | 火山 / 振動 / モデル実験 |
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| 研究実績の概要 |
水あめの中で炭酸水素ナトリウムとクエン酸を混合して気泡を発生し，膨張・噴出をさせる噴火模擬実験を行った．この実験において，ゆっくりとした圧力上昇と急激な減圧を周期的に繰り返すノコギリ波状圧力変動(STW)が見られた．STWは，実際の火山活動でも普遍的に見られる変動現象であるため，この変動に注目した実験とモデル構築を行った．実験系の基本的構成要素は，空気槽とその上に鉛直に立てた円筒である．円筒の中には，初期に一定量の水あめを入れておく．流量を精度よく制御して空気槽に供給される空気が，円筒の中の水あめを押し上げ上に抜ける．空気槽体積，空気の流量，円筒内の水あめをパラメータとして，空気槽内圧力変化がSTWを示す条件とそのメカニズムを調べた．その結果，十分大きな空気槽体積と流量において，空気が一気に抜ける急減圧が発生し，STW型の圧力変動の見られることが分かった．また，流量をさらに上げることで，STWは周期的なふるまいから非周期的なものへと変化することも見出した．本実験で見られた現象を表現する数理モデルを構築した．空気と水あめの質量保存の式と，非線形効果を含む円筒内の流動による圧力損失を考慮する．方程式系の数学的な構造は，実際の火山振動を対象としたいくつかの既存モデルと共通性を持っている．この数理モデルにより，周期的なSTWが発生する条件について，実験結果が良く説明された．本研究の火山学上の重要な意義は，繰り返し発生する圧力変動の特徴や周期性，あるいは，その乱れを作る上で，一つのイベントが次のイベントに影響を与える履歴効果の重要性が明らかになったことである．
また，実験で観測されるような容器の圧力変動と，地表で観測される地殻変動や地震波を結び付けるため，体積震源のモーメントテンソルの新しい表現方法を提案した．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究の主たる目的は，マグマだまり・火道・火口の一通りのプロセスを含む模擬火山を製作し，そのメカニズムを素過程とそのと集積過程の両側面から発見的に理解することである．平成２７年度の研究は，模擬火山実験で見られた特徴的な圧力変動(STW)が，火道のみを取り出して制御した実験では再現できない，というところから出発した．理論モデルと組み合わせて検討することで，マグマだまりに対応する容器が，圧力バッファとして重要な役割を果たしていることに気付き，STWの発生条件を実験と理論の両方から制約することに成功した．さらに，一つ前のイベントの噴出物が流路に再び戻る「フォールバック」現象が，繰り返し発生する噴出の周期性が乱される要因となる可能性を示したことは，火山現象のサイクルを予測する上でも重要な意義を持っている．
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| 今後の研究の推進方策 |
平成２７年度の成果を国際誌にまとめる．そのために残されている課題は，今回提案した数理モデルと，既存の火山振動に対する数理モデルの数学的構造の共通性を明らかにし，モデルの普遍性を明確にするところである．平成２８年度前半に論文を完成させる予定である．
本研究の今後の水深方策は以下の通り．STW型の圧力変動は，ストロンボリ火山などにおいて，小規模の繰り返し噴火において観測されている．室内実験から得られた知見をもとに，ストロンボリ火山の多項目観測のデータを解析する．実際の火山に見られるSTW の周期性とその乱れの特徴を明らかにし，実験結果と比較して考察する．また，模擬火山実験の次のターゲットとして，連続的に噴出する際の振動現象に注目し，マグマだまり・火道・火口の各プロセスがどのように集積して振動波形が形成されるかを明らかにする．
新しい成果についても，国内外の学会において発表をしていく．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
２０１５年度中に，アメリカ地球物理学会に参加し，研究発表を行う予定であった．しかし，２０１６年度の国際測地学・地球物理学連合の数理地球物理学分科会で，非常に関連の深いセッションが開かれることが分かった．研究を担当している大学院生の修士論文発表の時期や，研究の進捗を考え，後者の学会において発表を行ったほうが，研究上有益であると考えた．また，次年度予定していたイタリアにおける共同研究の打ち合わせのため，現地に出張する予定であったが，現地の共同研究者が来日する機会があり，日本で打ち合わせをすることができた．
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| 次年度使用額の使用計画 |
２０１６年６月に，パリで開催される国際測地学・地球物理学連合の数理地球物理学分科会において，これまでの研究成果を発表する予定である．また，そのあと，イタリアのフィレンツェ大学を訪問し，研究協力者のリペペ博士と研究打ち合わせを行う．そのための旅費として使用する予定である．
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