研究グループ一覧

島弧マグマ学グループ

http://epms.es.tohoku.ac.jp/arcmag/
教授 中村 美千彦 地質流体科学, プロセス岩石学, 火山学
准教授 奥村 聡 マグマ,火山噴火,水
助教 無盡 真弓 火山噴火,結晶の核形成・成長,ナノ結晶
助教 新谷 直己 火山噴火メカニズム,マグマ溜まり,岩石学

火山噴火のメカニズムを調べる

図1 火山の噴火様式や爆発性を決定するマグマの脱ガスや破砕のメカニズムを、軽石や火山灰の分析や、高温・高圧・変形実験で研究しています。
図1 火山の噴火様式や爆発性を決定するマグマの脱ガスや破砕のメカニズムを、軽石や火山灰の分析や、高温・高圧・変形実験で研究しています。

我々の目の前で莫大なエネルギーが解放される火山噴火や地震活動は、地球が活きていることを如実に表しています。我々は、固体地球の特徴的なダイナミズムと多様性をもたらしているマグマや流体の活動を研究しています。日本が位置する沈み込み帯は、世界的にも火山活動が活発な地域のため、フィールドに根差した研究を行いやすく、また研究者の育成ニーズが強い分野でもあります。

火山噴火現象は、文明を滅ぼしかねない巨大なカルデラ噴火から、水蒸気爆発のような小規模(しかし時に高リスクの)噴火まで、時間・空間的な規模の幅が広く活動の様式も多様です。また一回の噴火でも、活動様式は大きく変化するのが普通です。このような噴火現象の多様性は、初期条件・境界条件(マグマの化学組成、生産率、地殻・マントルの応力場と温度・物性構造、地質学的な経緯など)の違いに加えて、マグマが結晶化や発泡・脱ガスなどにより、急速に物性変化を引き起こすという特徴からもたらされます。我々の第一の研究目的は、火山噴火の多様性を引き起こすメカニズムを明らかにし、それに基づく推移予測を可能にすることです(図1)。

火山学は、典型的な総合科学です。噴火現象は、地下でマグマが生成され上昇してくる現象なので、我々が依って立つマグマの物質科学(火山噴出物の解析や、室内でのマグマプロセス再現実験)は、その中でも本質的なアプローチの一つです。我々は、物質科学による知見を地球物理学・地球化学的な観測データや火道流の数値モデルなどと組み合わせることで、噴火現象を総合的に理解することを目指しています。

我々は、①地質調査・火山噴出物の分析、②噴火プロセスの高温高圧再現実験、③数値モデリング を研究手法の三本柱としています。近代的な火山観測の歴史は大規模噴火の間隔に比べて遥かに短いため、過去の様々な噴火の堆積物を調べる火山地質学が役に立ちます。露頭から噴火の様子をイメージし、その推移を頭の中で再構築するのは火山地質学の醍醐味ですし、噴火の表面現象を正しく理解することは火山防災の第一歩でもあります。

火山噴出物には、マグマが経て来た多様な歴史が記録されています。精緻な岩石学・鉱物学・地球化学と最新の観察分析手法は、それを読み解くことを可能とします。詳細な分析データを取得し、作業仮説を立て、それを検証するためにまたデータを取るという手順を繰り返し、緻密な論理を積み重ねることで、岩石は自らその出自を語り出します。厳密な岩石学を身に付けることによってのみ、その声を聴けるようになるのです。


図2 電子顕微鏡下でのマグマからの結晶核形成・成長その場観察実験でマグマの結晶化過程を調べます。

火山噴火現象は、地球科学現象の中では珍しく短時間で進行するので、時間軸を大きく外挿することなく、実験室内で再現することができます。マグマが火道上昇中に経験したはずの発泡・脱ガス・破砕現象や、結晶の核形成・成長・溶解・化学反応などを実験的に再現することで、そのプロセスを物理化学的に理解することができるようになります(図2)。顕微鏡の中で観察される岩石の組織は、実験で再現して初めて根本から理解できるようになるのです。このように、我々は地球物質科学の基礎の上に火山の研究を行っています。

地質流体の実態解明

水・二酸化炭素などのいわゆる揮発性成分の地球内部での挙動は、なお重要な問題です。近年の電磁気学的観測は従来の概念を覆して、CHO系の超臨界流体相が、地殻・上部マントルに幅広く分布することを明らかにしました。そのような流体は、地震の発生など様々な地球科学現象に大きな影響を与えていると考えられています。

沈み込み帯では、スラブから楔形マントルに供給されるCHO系の超臨界流体の移動経路やマグマ生成への役割、化学輸送、火山フロントの形成、スラブ内地震に対する流体の役割、スラブから分離せずに地球深部に運ばれる流体の量、などの重要な問題が存在します(図3・4)。一方、安定大陸下のマントルは手掛かりが少なく、地球化学的なリザーバーとして最も理解が遅れている部分の一つです。我々のもう一つの主要な研究目的は、地質流体の実態(分布や存在量・存在状態・循環・化学組成)を解明することです。流体は地表に到達するまでに、時々刻々と周囲の岩石と反応し、また実験でも高温高圧条件から急冷して取り出すことが難しいため、その基本的な性質もまだ十分に解明されていません。我々は、上部マントルや下部地殻から直接もたらされた捕獲岩に含まれる流体包有物の研究、高温高圧下その場観察実験、岩石-流体系の組織形成実験などの様々なアプローチで地質流体の研究に取り組んでいます。

このように火山噴火のメカニズムや地質流体の挙動を科学的に解明していくことで、火山防災や資源探査などの社会的なニーズに対しても、本質的な貢献をすることを目指しています。

図3 マントル条件で岩石を合成すると、岩石の粒間に、流体がどのような形で分布するかがわかります。

図4 図3のような結果から、楔形マントルでの流体の分布と輸送経路についての新しいモデルを提案しています。