| 研究課題/領域番号 |
16H06348
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
中村 美千彦 東北大学, 理学研究科, 教授 (70260528)
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| 研究分担者 |
奥村 聡 東北大学, 理学研究科, 准教授 (40532213)
三宅 亮 京都大学, 理学研究科, 准教授 (10324609)
下司 信夫 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 地質調査総合センター, 研究グループ長 (70356955)
上杉 健太朗 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 利用研究促進部門, 主席研究員 (80344399)
小園 誠史 東北大学, 理学研究科, 准教授 (40506747)
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| 研究期間 (年度) |
2016-05-31 – 2021-03-31
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| キーワード | 火山 / 噴火 / マグマ / 発泡 / 脱ガス / 石基 / ナノライト / マイクロライト |
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| 研究実績の概要 |
本研究は、①噴火様式の推移が地球物理学的によく観測された、活火山噴出物の高分解能解析、②世界初となる電界放出型走査電子顕微鏡下（FE-SEM）でのその場観察による、マグマからの結晶核形成・成長メカニズムの解明、および③流動する苦鉄質マグマからの脱ガスメカニズムの実験的解明、を柱としている。①については、最新の観測と物理モデルによる研究がなされている2011年新燃岳噴火の火砕物を中心に、想定される臨界核半径よりも小さい<10nmまでの幅広いスケールでの結晶の解析を世界で初めて行い、結晶サイズ分布が離散的になる（結晶核形成が間欠的になる）ことや、核形成の前駆的クラスタを発見した。これらの観察に基づき、世界に先駆けて “ウルトラナノライト”を定義・提唱するとともに、“ナノライト”を再定義した。本成果は、斑晶・マイクロライトに続くナノスケール記載岩石学と、それによる高時間分解能の噴火岩石学を牽引する成果であり、American Mineralogist誌のHighlight and Breakthroughに選出された（Mujin, Nakamura, Miyake, 2017）。②については、1200℃まで昇温する加熱ステージを備えたFE-SEMを導入し、数十ミクロンサイズの出発物質の作成・前処理手法を確立した上、マグマからの核形成・結晶成長の高分解能その場観察実験に成功した。その結果、従来の原子拡散による古典的核形成・成長モデルとは根本的に異なり、前駆クラスタの合体による非古典的な核形成・成長プロセスを、マグマの系で世界で初めて発見した。③については、粘性・弾性の両方を同時測定しながら変形実験が行えるレオメーターヘッドを導入し、1500℃まで昇温可能な独自設計の大容量加熱装置と組み合わせ、キャリブレーションを終了してマグマを用いた実験にとりかかることができた。
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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
活火山噴出物のマルチスケール観察：噴火様式分岐の支配要因の解明を目指し、噴火推移が詳細に観察・観測され、基本的なマグマシステムの構造が良く研究されている霧島火山新燃岳2011年噴火を主な対象とし、10 nm以下までの幅広いスケールでの鉱物相同定・結晶サイズ分布を行い、結晶核形成が間欠的に起こることや、1 nm～数十nmサイズの結晶核前駆体を発見した。これらの観察に基づき、“ウルトラナノライト”および“ナノライト”を世界に先駆けて定義した。このような特徴を、異なる様式やマグマ組成の噴火と比較するため、桜島火山の歴史時代以降の噴出物、阿蘇中岳2014-15年の灰噴火火山灰、口永良部島2015年噴火噴出物の観察も開始した。
結晶核形成・成長のマルチスケールその場観察：初年度に導入した加熱ステージFE-SEMと透過型電子顕微鏡（TEM）用高温加熱ホルダーにより、減圧脱水によって大きな過冷却状態に置かれたケイ酸塩メルトの結晶核形成・成長その場観察を行った。FE-SEM実験では、鉱物の核生成や成長その場観察に成功し、結晶核の前駆体クラスタの生成とその合体という全く新しい非古典的プロセスを発見した。TEM実験においては、集束イオンビーム装置による極微小薄膜試料製作と加熱チップへの固定方法を確立し、結晶の相転移を用いた温度キャリブレーションを行った。
マグマ変形実験装置の開発：高温マグマ変形装置用高温電気炉を設計・製作し、粘弾性測定レオメーターヘッドと組み合わせたマグマの捩じり剪断変形実験装置を開発した。これにより、発泡したマグマの流動による開放系脱ガス・圧密実験にとりかかった。現在、出発物質と加熱条件の選定を行っている。さらに、標準粘度液による粘性測定キャリブレーションにも成功し、マグマのレオロジー性に対する脱ガス・ナノライト結晶作用の効果を調べる体制が整った。
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| 今後の研究の推進方策 |
加熱ステージFE-SEM, TEMによるその場観察実験は、温度・マグマ組成の効果、既存のマイクロライト表面やナノ結晶への不均質核形成の効果を調べる。これに加えて、ガラスチューブ法heat & quench実験により、ナノ結晶の結晶化速度を温度・圧力の関数として決定する。既に、安山岩質マグマを用いた１～60気圧，温度800～1000℃での系統的な結晶化実験が終了しており実験産物の解析を残すのみである。
同時に、天然の火山噴出物のナノ結晶観察を継続する。これまでの試料に加えて、海底噴火玄武岩質火山ガラスや、低粘性のフォノライト質軽石、アルカリ玄武岩スコリアなどを既に入手し予備観察を行っているので、これらの観察をさらに進め、幅広いマグマ組成・噴火形態におけるナノ結晶の産状の全体像を明らかにする。
マグマ変形実験装置の継続開発として、磁鉄鉱ナノ結晶の晶出条件に大きく影響する酸素分圧制御や、均質な歪量分布が得られる大径二重円筒式セルの製作などを行う。実験産物は、SPring-8における高空間分解能Ｘ線ＣＴ撮影を行い、剪断変形による気泡の形状や連結度の進化を定量化するとともに、浸透率の測定を行い、苦鉄質マグマの開放系脱ガスの実態を明らかにする。
上記結晶化実験によって求めた、低水蒸気圧での平衡結晶度、ナノスケール結晶の結晶化速度、結晶度と粘性の関係式を用いて、火道流物理モデルにおけるマグマの粘性項を改良し、火道浅部でのマグマの脱水による急激な粘性変化が噴火様式の分岐条件にどのように影響を与えるかを系統的に調べる。また，高粘性の珪長質マグマに比べて表面張力による形状緩和の効果が大きい、より苦鉄質なマグマが上昇中に経験する浸透流脱ガス過程について、上昇速度などのヒステリシス効果を含んだ浸透率の定式化など、既存の火道流モデルでは扱われてこなかった新たな素過程を考慮し、火道流モデルの高度化を図る。
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