2019 Fiscal Year Annual Research Report
Development of near-real time volcanology based on in-situ observation experiments of shallow magmatic processes
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16H06348
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
中村 美千彦 東北大学, 理学研究科, 教授 (70260528)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
三宅 亮 京都大学, 理学研究科, 准教授 (10324609)
小園 誠史 東北大学, 理学研究科, 准教授 (40506747)
奥村 聡 東北大学, 理学研究科, 准教授 (40532213)
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, 分光・イメージング推進室, 主席研究員 (80344399)
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| Project Period (FY) |
2016-05-31 – 2021-03-31
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| Keywords | 火山噴火 / マグマ / 脱ガス / 石基 / マイクロライト / ナノライト |
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| Outline of Annual Research Achievements |
過冷却下での結晶核形成・成長過程の実態解明について、FE-SEMによる鉱物の核形成・成長その場観察に関する第一報のフルペーパーを発表した。さらに、天然のマグマに見られる鉱物相を再現する実験を行い、脱水結晶作用のカイネティクスを明らかにする。またTEMを用いた結晶核形成・成長のその場観察実験を行った。これらの実験結果から、非古典的な核形成プロセスがマグマの系でも起こっていることを初めて発見した。
浅部火道マグマ物性を決定するため、気泡を含む安山岩質マグマの変形実験を系統的に行った。桜島火山大正噴火軽石を出発物質として温度1000℃前後で急速溶融し変形実験を行って、気泡の合体に対する剪断変形の効果や、形状緩和の気泡ネットワーク形成に対する影響の大きさを明らかにし、より粘性の高い流紋岩質マグマの系と比較した。
活火山の噴出物を用いた噴火様式分岐条件を決定するため、桜島の火山ガラスを出発物質とした、ナノライト・ウルトラナノライトの結晶化についての追加実験を行った。また霧島火山新燃岳の噴出物を用いて、ナノライトが噴火様式の分岐条件に与えた影響を定量的に議論した論文を公表した。富士火山宝永噴火噴出物について、石基の火道浅部での最終結晶化深度を実験岩石的に決定し、火道流物理モデルと比較した。その結果、玄武岩質マグマによるプリニー式噴火の極めて浅い破砕深度が、岩脈状火道によって初めて物理的に可能となることを見出した。これは、X線CT装置によるスコリアの組織や、地質学な観察事実とも整合的である。
岩石磁気的性質の起源を理解するため、ナノスケールでの岩石鉱物学的特性が明らかとなっている新燃岳や桜島の火砕物サンプルの極低温磁気測定を、東京大学との共同研究によって行い、ナノライトが火山噴出物の磁性に重要な役割を果たしている可能性を見出した。
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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
Journal of Crystal Growth誌に掲載された、FE-SEMによるマグマからの核形成・成長過程のナノスケールその場観察は世界で初めての成功例であり、またケイ酸塩マグマの系においても、合体による非古典的核成長プロセスが起こっていることを世界で初めて見出した。高温のマグマの系では、水溶液の系よりもはるかに大きい、数100nmサイズまでこのようなプロセスが起こっていることが見いだされ、結晶成長という普遍的な物質科学にも貢献できる成果となった。
また安山岩質マグマの脱ガスメカニズムでは、従来の流紋岩質マグマの浸透流脱ガスモデルが中間組成のマグマでは成立しないことがわかり、脱ガスメカニズムを根本から再考する必要があることがわかった。
さらに、ナノライトの結晶作用がブルカノ式噴火メカニズムに与える影響を初めてあきらかにした（Bull. Vol.誌）。これはナノライトは結晶化末期になって大きな影響を与えるというモデルであり、プリニー式噴火のメカニズムを支配するという海外の研究グループの見解とは異なるものである。また富士火山宝永噴火のダイナミクスを、記載・実験・物理モデル計算から明らかにすることに成功し、玄武岩質マグマの爆発的噴火メカニズムの理解が進展した。ナノライトの研究は、岩石磁気学に革新をもたらす可能性がある重要な研究に発展しつつある。さらに本研究に関連した浅間火山の調査の過程で、濃厚な火山性ミストによって噴出物の表面に非晶質シリカコーティングが形成され、その厚さが過去の火山ガスの到達範囲の指標になることを思いがけず発見した。
以上のように、幅広いマグマ組成の現象について、多くの有意義な」結果が得られている。ただし、X線CT装置の故障により、噴出物の組織観察を伴う研究の一部に遅れがでて繰り越しをおこなったため、（2）おおむね順調に進展している、とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究計画全体の最終年度に入ったので、不足している実験を実施しつつも、基本的には、これまでの研究をまとめていく予定である。
もっともチャレンジングな実験であった、FE-SEMによる鉱物の核形成・成長その場観察は、第一報論文とはメルト組成や条件を変えながら、斜長石や輝石のについてさらに実験を継続する。これに関連した、ガラスチューブ法による、桜島火山大正噴火軽石を出発物質としたナノスケール結晶の相平衡実験は、一連の実験結果が出そろい粗稿がまとまりつつあるので、論文としてまとめ投稿する。天然の軽石試料においても、石基鉱物の非古典的核形成・成長が起こっていることの証拠を発見したので、論文として完成し投稿する。富士火山宝永噴火玄武岩の相平衡実験とダイナミクスに関する研究も、第一稿が書けているので、論文を完成させて投稿する。今後、さらに噴出物の3次元組織とマグマ供給系に関する研究を補足し、総合的により深く宝永噴火のメカニズムを明らかにしていく基盤を作る。気泡を含む安山岩質マグマの変形実験は、やはり重要な結果が得られているので、論文として投稿する。
岩石磁気的性質に対するナノライト・ウルトラナノライトの効果に関する共同研究を引き続き継続する。
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[Journal Article] The universal sample holders of microanalytical instruments of FIB, TEM, NanoSIMS, and STXM-NEXAFS for the coordinated analysis of extraterrestrial materials2020
Author(s)
Ito M., Tomioka N., Uesugi K., Uesugi M., Kodama Y., Sakurai I., Okada I., Ohigashi T., Yuzawa H., Yamaguchi A., Imae N., Karouji Y., Shirai N., Yada T., Abe M.
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Journal Title
Earth, Planets and Space
Volume: 72
Pages: 133(2020)
Peer Reviewed
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