安山岩マグマへの水の溶解度の実験的研究

2020 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 20K04130
• 研究機関: 岡山大学
• 研究代表者: 山下 茂 岡山大学, 惑星物質研究所, 准教授 (30260665)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 岩石・鉱物・鉱床学 / マグマ / 水 / 高温高圧実験 / 噴火

研究実績の概要

マグマにどのくらいの水が溶け込めるのか（溶解度）についての実験データが玄武岩や流紋岩といった極端な組成のマグマに偏っており、中間的な組成である安山岩マグマの実験データがほとんどないことに問題意識を持ち、そのデータギャップを埋めるべくこの研究を始めた。マグマへの水の溶解度はマグマの浮力や過剰圧といった噴火事象に直接関わる過程を考える上で必須のパラメータである。本邦のようなプレート沈み込み帯の火山弧では安山岩組成のマグマが大量に噴出しており、この研究を行う社会的意義は大きいと考えた。
これまでに産総研標準物質JA1(箱根火山の無斑晶質安山岩溶岩)ならびにニュージーランド、タウポ火山帯の天然流紋岩の組成を持つマグマへの水の溶解度を、50~196MPa、1000~1200°Cの圧力温度条件で実験的に決定した。実験では、目的の組成の無水ガラスと水を金属製カプセルに入れ、酸化還元状態を制御しながら内熱式ガス圧装置により加圧・加熱しガラスをメルト状態にする。目的の圧力温度条件で12~38時間保持し、メルトに水を拡散浸透させて均質な含水メルトを形成する。この含水メルトを急冷ガラス化して回収し、顕微赤外分光分析により含水量を求め、その圧力温度条件におけるメルトへの水の溶解度とした。その結果、実験を行った圧力温度条件の全領域にわたって、安山岩組成マグマへの水の溶解度は同じ圧力温度条件の流紋岩組成マグマに対して10~20%(相対)程度大きいことが明らかになった。
並行して、実験の質を担保するために、内熱式ガス圧装置の温度較正（Auの融点を利用してカプセル近傍の熱電対が示す温度とカプセルの実温の差は±10°C以内であることを確認）および急冷速度の評価（メルト構造緩和理論を利用して急冷凍結ガラス中の溶存水種間平衡を解析し、装置固有の急冷速度が10°C/secのオーダーであることを確認）を行った。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

研究代表者のエフォート割当の見積もりが甘く、令和2年度ぶんとして当初計画していたほどの進捗を得ることができなかった。実績の項に記載した溶解度実験の大半は、この研究の予備実験として令和元年度に行ったものである。令和3年度では研究代表者がこの研究課題に重点的に取り組み、エフォート割当を増やすことで遅れを解消していきたい。実験の対象を当初のJA1安山岩から組成の異なる他の安山岩へ拡張するタスクの進捗はゼロであった。令和3年度においても現地で安山岩試料を採集するのは難しいと考えられるので、頒布されている地質標準試料を活用する、試薬から目的の安山岩組成を合成するなどして対応していきたい。

今後の研究の推進方策

当初の計画に沿って、JA1組成の安山岩マグマへの水の溶解度実験データを拡充する。なお、顕微赤外分光分析の確度はバンド吸収係数の確からしさに依存するので、同じ安山岩の組成をもつ含水量既知の標準ガラスを別に合成し、適宜、吸収係数の確度のチェックすることで溶解度決定の確度を上げていく。標準ガラスの含水量は絶対分析手法である水素マノメトリーにより独立に決定する。JA1以外の組成の安山岩マグマへの展開については、現地での安山岩試料採集が難しいであろうことを考慮し、頒布されている地質標準試料を活用する、試薬から目的の安山岩組成を合成するなどして対応する。もうひとつ、これまでの溶解度実験で得たガラスでは、実験条件が高圧高温になるほど近赤外領域の吸収が大きくなる（赤外スペクトルのベースラインが傾く）傾向が見られた。196MPa、1200℃から急冷したガラスではこの傾きが分光光度計のダイナミックレンジを逸脱し、含水量の精度良い解析が不可能になった。この傾向の原因は明らかでないが、ガラス中の鉄の存在状態に関係している可能性があると想像している。これを確かめるために、より還元的な状態に酸素分圧を制御した実験もあわせて行いたい。