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★ [SVC50-16] 発泡マグマ模擬材料における脆性的遅れ破砕のメカニズム
キーワード：マグマ, 破砕, 粘弾性, 急減圧, X線CT
マグマの破砕は火山爆発をつかさどるカギとなる現象である．破砕は，固体的（脆性）破砕と流体的（延性）破砕に分けることができる．脆性破砕は延性破砕に比べて危険である．なぜなら，マグマに含まれる気泡内に閉じ込められているガスが破砕によって急激に放出することで，爆発的噴火を引き起こすと考えられるからである．マグマはMaxwell型粘弾性体であり，現象の特性時間に応じて，固体的にも流体的にも振る舞い得る．我々は，１０年余りにわたって，ユニークなマグマ模擬材料である酸素気泡入り水あめを用いて，急減圧にともなう破砕に対する粘弾性の影響を明らかにする実験を進めてきた（Kameda et al. GRL 2008; Kameda et al. JVGR 2013）．一連の実験を通して，我々は，「脆性的破砕」という，脆性破砕と延性膨張との中間に位置する現象があることを見出した．この現象は，マグマの粘弾性特性が流体的な性質を帯びるタイムスケールにおける固体的破砕と定義される．マグマの粘弾性緩和時間と天然の火山噴火から見積もられる減圧特性時間との比較から，実際の火山では脆性的破砕が生じていると考えられる．可視光を用いた高速度ビデオ撮影から，脆性的破砕は，試料に生じたき裂から試料内のガスが急激に放出することをきっかけに生じていることがわかった．試料サイズを変えたさらなる観察（Shida et al. IAVCEI 2013）から，試料サイズを小さくすると，脆性度（Ichihara and Rubin JGR 2010）が１に近い（すなわち固体的にふるまう状況）であっても，破砕が起きにくくなることがわかった．我々の試料は，サイズを小さくすると，内部の気泡分布がより均一になる．この観察は，脆性的破砕を引き起こす試料内部で進展するき裂は，試料内の気泡分布が不均一な部分をきっかけに生じていることを示唆している．次に，我々は，試料内部をX線マイクロCT撮影によって観察した．高輝度光科学研究センターの放射光施設（SPring-8，BL20B2）に実験装置を持ち込んで撮影を行った．減圧開始前の試料の初期状態を３次元CT撮影によって調べた．高速度ラジオグラフィによって急減圧にともなう試料の動的挙動をとらえた．撮影は，視野16 mm×5 mm，空間分解能8 μm/pixelの条件でCCDカメラを用いて実施し，試料台を0°から180°まで回転させながら1800枚の透過像を撮影してCT再構成を行った．ラジオグラフィ撮影は200 frames/sで行った．以上の実験から，我々は，脆性的破砕の発生をとらえることに成功した．試料の三次元再構成像から，脆性的破壊は，大きな気泡の周りに存在する小さい気泡の連結部や切欠き部をきっかけに生じていることがわかった．以上を踏まえると，脆性的破砕は，次のような過程を経て生じていると推察される：(1)気泡の連結によって初期き裂が延性的に成長する．(2) き裂先端の応力集中と脆性度がある瞬間に臨界値を上回ると，脆性破壊に移行する．(3) クラックの開口によって試料内のガスが放出されそのあたりの圧力が急激に減少することで局所的に脆性度が高まり，試料の一部分が破砕に至る．このような延性的なき裂の成長と部分破砕が繰り返し起こることで脆性的破砕が進行する．