室内実験によるマグマ溜りのダイナミクスと地震波観測の対応

岩浆房动力学与室内实验地震波观测的对应关系

基本信息

批准号：
15038209
负责人：
隅田育郎
金额：
$ 3.07万
依托单位：
Kanazawa University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
财政年份：
2003
资助国家：
日本
起止时间：
2003 至 2004
项目状态：
已结题

项目摘要

火山の噴火様式を決定する一つの主要な要因は、マグマからの揮発性物質の脱ガス効率である。マグマは結晶を含むと、速い変形速度程、柔らかく振舞うという、非ニュートン粘性を持つが、そのような流体からの気泡の脱ガスについては十分に分かっていない。そこで本研究では、このような脱ガス過程を理解するために室内アナログ実験を用いた。アナログ物質としては、キサンタンガム水溶液を用いた。まず、単一気泡の上昇速度の気泡体積依存性を調べた。その結果、気泡の上昇速度は、ニュートン粘性流体に比べて強い体積依存性を持ち、また界面張力が利く体積より小さい体積では、異なる体積依存性があることが分かった。次に気泡の注入間隔を変えた時の上昇速度について調べる実験を3つの気泡サイズについて行った。このような気泡の注入間隔の依存性はニュートン流体では見られないものである。その結果、上昇速度は気泡の注入間隔が長くなるにつれて、遅くなることが分かった。さらに、上昇速度と気泡注入間隔の間には、冪乗則の関係があり、大きな気泡程、注入間隔が遅くなるのに時間がかかることが分かった。この結果は、気泡が通過した後に通り道ができて、それが時間とともになくなる過程を反映していると解釈された。最後に、以上の実験結果を踏まえて、多数の気泡を発生させた場合の実験を行った。その結果、ニュートン粘性流体では気泡サイズにばらつきがあり、それが合体することにより間欠的に気泡が抜けていくことが分かった。また、気泡が下降流に伴って下方に運ばれる現象も見られた。一方、非ニュートン流体については、気泡が2,3の通り道を作り、そこを選択的に通って抜ける現象が見られ、下降流は生じなかった。気泡の上昇速度は、単一気泡が上昇する時に比べ数倍速く、気泡が抜ける通り道が出来ていることと整合的であった。マグマが結晶を含むと粘性が上がり、脱ガスが困難になると考えられているが、一方で本実験が示すように、通路を作る可能性もあり、その場合は脱ガスが効率的になることが示唆される。

决定火山喷发方式的一个主要因素是岩浆中挥发物的脱气效率。当岩浆含有晶体时，它具有非牛顿粘度，这意味着变形率越高，它的行为就越软，但这种流体中气泡的脱气尚不完全清楚。因此，在本研究中，我们使用室内模拟实验来了解这个脱气过程。使用黄原胶水溶液作为类似物。首先，我们研究了单个气泡的上升速度对气泡体积的依赖性。结果发现，与牛顿粘性流体相比，气泡的上升速度具有较强的体积依赖性，并且在比界面张力有效的体积更小的体积中具有不同的体积依赖性。接下来，我们进行了一项实验，研究改变三种气泡尺寸的气泡注入间隔时的上升率。在牛顿流体中没有观察到这种对气泡注入间隔的依赖性。结果发现，随着气泡注入间隔变长，上升速度变慢。此外，还发现上升速度与气泡注入间隔之间存在幂律关系，气泡越大，注入间隔变慢所需的时间越长。这一结果被解释为反映了气泡通过后产生通道，并且通道随着时间的推移而消失的过程。最后，基于上述实验结果，进行了产生大量气泡的实验。结果发现，在牛顿粘性流体中，气泡尺寸变化，并且随着气泡合并，气泡间歇性逸出。我们还观察到气泡随着向下流动而向下移动的现象。另一方面，在非牛顿流体的情况下，观察到气泡产生一些路径并选择性地通过这些路径逸出的现象，并且没有发生向下流动。气泡的上升速度比单个气泡快几倍，这与气泡逃逸路径的形成一致。人们认为，当岩浆含有晶体时，它会增加其粘度并使脱气变得困难，但正如该实验所示，也有可能产生通道，在这种情况下脱气会变得更加有效。