Michihiko Nakamura

研究目的 島弧火山のマグマは、火道浅部の圧力においてもなお、爆発的な噴火を十分に起こし得るだけの揮発性成分を含んでいる。発生頻度の大部分を占めるブルカノ式・サブプリニー式噴火と、非爆発的な溶岩ドーム・溶岩流噴火を分けるものは、火道浅部における脱ガス度などのマグマ挙動の差であると考えられている。そこで本研究では、火道浅部におけるマグマの脱ガス度やガスの浸透性を、噴出物の組織解析から見積もる手法を開発する。この手法を用いて、マグマ噴火の開始後に、噴出物の継続的なモニタリングを行い、浅部マグマの状態の時間変化を捉えることにより、噴火様式（爆発性）の推移予測に貢献する。 噴出物から、マグマの脱ガス度やガス浸透性、それらの変化をもたらす滞留時間を見積もる方法の原理は以下の通りである。（１）含水マグマでは、上昇・減圧により鉱物のリキダスが上昇し、過冷却状態に陥る。プリニー式噴火のように、火道深部から加速し一気に噴火する場合には、メルトは過冷却状態のままガラスとして急冷するのに対し、それより噴出率の低い噴火様式（サブプリニー式噴火・ブルカノ式噴火・溶岩噴火など）の場合には、マグマの上昇速度が遅く火道浅部を長時間かけて通過するので、石基鉱物を晶出する。これらの噴火様式の相違は、石基鉱物の結晶サイズ分布に現れる。マグマの上昇速度が遅い場合、または火道浅部・地表付近で滞留する場合には、マイクロライトの粒間の過冷却メルトから、さらに核数密度の高い「ナノライト」の核形成・成長が起こる（無尽・中村, 火山学会2012年秋季大会）。このナノライトの結晶化カイネティクスを、地球物理学的な観測記録のある噴火事例、および再現実験によって明らかにすることで、噴火の爆発性と、火道浅部での平均上昇速度（滞留時間）の関係を調べる。（２）マグマは、上昇・流動中は、剪断変形によって気泡の連結が促進され、浸透率が高い状態にあることがこれまでの我々の研究により明らかになっている。もし火道浅部でマグマ上昇速度が低下すると、気泡の表面張力によって空隙構造の組織緩和が支配的になり、浸透率が低下して、爆発を引き起こすガス過剰圧が蓄積されやすい状態となる。よって、発泡したマグマ（メルトフォーム）の組織緩和速度を実験で決定することにより、爆発の発生間隔（ガス過剰圧の蓄積速度）を求める。 具体的には、以下の項目を実施する。 １．浅部火道条件における珪長質メルトの結晶化カイネティクスを明らかにし、新燃岳2011年噴火を例に、マグマの浅部滞留時間と噴火様式の分岐点の関係を明らかにする。 ２．軽石・火山灰中の火山ガラスの結晶度の分析時間を短縮する技術開発を行い、活動中の火山の火道浅部におけるマグマの状態を物質科学的に推測する（岩石学的モニタリング）手法を考案する。 ３．浅部火道条件における、安山岩質メルトフォームの表面張力

石英管封入と水熱装置を用いた実験を行い、ガラスサンプルは，イオンマイクロプローブH，D の濃度プロファイルを測定し，拡散係数の決定を行う。

岩石から分離した鉱物粒子の表面形状から地殻流体の存在形態を調べる。

噴火様式の支配要因を理解するため，マグマからの脱ガスメカニズムに対する結晶の役割を調べる．

新学術領域研究『地殻流体』計画研究A02-2

貴金属資源である金の産出を支配する基本的な要因を調べるため，ピストンシリンダー装置を用いて，アダカイト質メルトに対する金の溶解度を下部地殻～最上部マントル条件下で決定する．

火山体浅部におけるマグマあるいは熱水などによって生じる火山性流体挙動の素過程について，モデリングと数値シミュレーション，および室内実験によって調べる．火山噴火の多様性を生むマグマ内揮発性成分の挙動に着目し，気泡成長や脱ガス過程の素過程の解明と，それらのマグマ全体の動態への影響を明らかにする．また，火山活動によりしばしば観測される振動現象のメカニズムを明らかにする．

桜島火山噴出物の物質科学的特徴から、火山噴火様式と、その支配要因としての脱ガス過程との関係を明らかにすることを目的とする。桜島火山の活動が活発化した時に，その後の噴火様式の推移を予測することは、防災上の最重要課題の一つである。そのためには、噴火の駆動力を生む揮発性成分が発泡し，さらに火道やマグマ溜まりのマグマから分離する脱ガス過程の理解を進めることが必要である。桜島は、質・量ともに世界最高の地球物理学的観測が行われいる火山であり、プリニー式噴火や溶岩流噴出などの多様な噴火を繰り返している。よってこれらの各噴火事例の最初期噴出物の揮発性成分に関する物質科学的特徴を比較することで、噴火様式の推移を支配するメカニズムの理解を進展させられることが期待できる。

桜島火山噴出物の物質科学的特徴から、火山噴火様式と、その支配要因としての脱ガス過程との関係を明らかにすることを目的とする。桜島火山の活動が活発化した時に，その後の噴火様式の推移を予測することは、防災上の最重要課題の一つである。そのためには、噴火の駆動力を生む揮発性成分が発泡し，さらに火道やマグマ溜まりのマグマから分離する脱ガス過程の理解を進めることが必要である。桜島は、質・量ともに世界最高の地球物理学的観測が行われいる火山であり、プリニー式噴火や溶岩流噴出などの多様な噴火を繰り返している。よってこれらの各噴火事例の最初期噴出物の揮発性成分に関する物質科学的特徴を比較することで、噴火様式の推移を支配するメカニズムの理解を進展させられることが期待できる。

火山噴出物の浸透率を測定し、マグマからの脱ガスメカニズムを明らかにする。

世界で最も良く研究されている火山の一つである浅間火山の有史の噴火メカニズムを火山学的・岩石学的に明らかにする。

活火山から噴出される火山ガスをサンプリングするための、無線操縦飛行機による火山ガス採取技術を開発する。

Ｘ線マイクロトモグラフィーを用いてFluid-bearing rocksや火山噴出物、それらを模擬した実験産物の三次元構造を明らかにし、それらが地球深部での物質移動やレオロジー、火山噴火ダイナミックスなどに果たす役割を明らかにする。

１． 研究目的 火山の噴火機構を理解し、噴火の開始・推移予測を行うためには、マグマと結晶・ガス相の元素分配・拡散係数、発泡のカイネティクス等を高温高圧実験により求め、地殻内のマグマの挙動を精密に理解する必要がある。ＴＺＭ（TiZrMo）合金製の反応容器を用いた外熱式ガス圧装置は、従来型に比べ飛躍的に高温・高圧条件下(1200oC, 500MPa)での運転が可能なため、これまで主として内熱式またはピストンシリンダー装置で行われていた珪酸塩マグマの研究に用いることが可能である（図１）。本研究では、さらにマグマの上昇・噴火に対応した減圧・急冷機構を付加してマグマ研究に特化した外熱式ガス圧装置を設計開発することを目的とする。 ２．研究概要 2.1 設計・開発 外熱式装置は、内熱式に比較し安全・安価・簡便で装置改良が容易、酸素分圧制御の自由度が高い、圧力の滑らかな調節が可能、などの利点がある。一方で、最高運転温度圧力や試料急冷能力などの点では内熱式より不利であった。ＴＺＭ合金を採用して外熱式の欠点を克服しつつ、圧力制御機構を新たに付加することによって、外熱式の長所を最大限に利用するのが基本的な設計方針である。主反応容器は熱対流による温度勾配を最小にするため横置とし、急冷時には圧力配管から切り離して、低温の急冷用延長容器にFiller Rodごと滑落させる。これによって、落下急冷式の内熱式ガス圧装置に匹敵する冷却速度が得られる。 通常のガス圧装置の場合、圧力自体を直接精密に、または自動的に制御することは非常に難しいが、加熱炉の温度制御は比較的容易である。本装置ではこの点に着目して、主反応容器に直結する副容器を設け、主反応容器の圧力をフィードバックしてプログラム調節計を通し副容器の温度を制御することで、圧力の微調節・プログラム制御を可能とする設計とした（図２）。 2.2 含水マグマの減圧発泡実験 マグマ中の揮発性成分の大部分を占める水の溶解度は、圧力100-200Mpaでほぼ最大に達し、圧力が下がるとともに低下して大気圧ではほぼ0となる。従って、数重量％以上の水を含む安山岩－流紋岩質マグマは上昇・減圧に従って水に飽和し、発泡・脱ガスする。その際の水の体積膨張が爆発的な火山噴火の主たる要因である。そこで減圧速度と発泡度・それに伴うリキダスの上昇による結晶化度との関係がわかれば、軽石など天然の火山噴出物を用いて実際の噴火におけるマグマの上昇速度などを推定することができる。図３には、有珠火山1663年噴火の流紋岩質軽石に水を3％加えて950oC・100MPaで融解させ、10MPa/分で等温減圧した予備実験試料の電子顕微鏡写真を示す。軽石に特徴的なbubble wall組織を再現することができ、またこの条件では約70体積%の気泡が生ずる一方でリキダス上昇による結晶化はほ