2022 Fiscal Year Annual Research Report

Examination of viscosity effect on magma vesiculation through laboratory decompression experiments

Research Project

Project/Area Number	20J20188
Research Institution	Kyushu University
Principal Investigator	西脇瑞紀九州大学, 理学府, 特別研究員(DC1)
Project Period (FY)	2020-04-24 – 2023-03-31
Keywords	マグマ / 水 / 飽和溶解度 / ケイ酸塩メルト / 減圧発泡 / 部分モル体積 / 溶解熱 / 化学熱力学
Outline of Annual Research Achievements	採用最終年度である2022年度は、次のように多くの成果を挙げることができた。(1) 含水流紋岩質メルトの減圧発泡における系の温度変化の数値計算において、これまで水の離溶熱 (溶解熱の逆符号) の圧力依存性のみを考慮し、温度依存性を無視していたが、両方を考慮するようにコードを改良した。これにより、離溶熱のもつ顕著な温度依存性が系の温度変化にもたらす影響を評価できるようになった。数値計算の技術面では元・東大地惑所属の福谷貴一氏の多大なる支援を受けた。(2) ただし、溶解熱の温度依存性の示す複雑な振る舞いは、あくまでケイ酸塩 (の架橋酸素 O) と水 (H2Om, OH) の理想混合を仮定していることに依拠している可能性があることに気づいた。というのも、現実にはケイ酸塩と水は低圧で不混和領域をもち、ケイ酸塩メルトに水が溶解する際には混合熱 (溶解熱) および体積変化が発生することが実験から確認されているからである。Stolper (1982) 以降、理想混合近似は良い近似として知られていたが、今一度見直す必要がある。(3) この問題意識は前年度に再発見した「ケイ酸塩メルト中の水の部分モル体積のパラドックス」と非常に密接に結びついていることにも気づいた。すなわち、これまで見過ごされてきた混合の非理想性をきちんと評価することで、ケイ酸塩と水の混合という地球科学において極めて根本的なトピックに登場する諸々の化学熱力学パラメータの「実験による測定値」と「理論的な見積り値」の整合性を担保できるようになるのではないかという考えに至った。その先の具体的な計算はいまだ不十分ではあるが、以上の思考プロセスを博士論文としてまとめた。その途中過程では九大地惑の池田剛准教授・吉田茂生准教授と複数回にわたる議論を行い、非常に有益な助言を得た。
Research Progress Status	令和4年度が最終年度であるため、記入しない。
Strategy for Future Research Activity	令和4年度が最終年度であるため、記入しない。
Remarks	メインの研究と並行して、九大数理学府 D3 の重富尚太氏と共同研究を行い、その成果を投稿論文として発表した。内容は以下のとおり。楕円テータ函数の豊かな数学的性質を用いて、非定常核形成速度に関する複数の非自明な関係式を導いた。そのうちの1つを解くことで、非定常核形成速度の時間発展を機械的に推定するための簡単な式を導いた。これにより、核形成現象の観察実験における労力・時間等のコストの削減が期待される。