[S-CG58] 地球惑星科学におけるレオロジーと破壊・摩擦の物理

[SCG58-P08] アナログ実験による柱状節理の形態的遷移についての研究

*濱田 藍¹、寅丸 敦志² (1.九州大学大学院理学府地球惑星科学専攻、2.九州大学大学院理学研究院地球惑星科学部門)

キーワード：柱状節理、形態遷移、アナログ実験

溶岩流および溶結凝灰岩に見られる柱状節理には、一層の岩体内でコラムの幅、形状、発達方向が明瞭に異なる２つの形態が隣接して観察され、Colonnade(コロネード，コラムの幅が比較的大、直線的、規則的な配列)およびEntablature(エンタブラチャー，柱の幅が比較的小、曲線的、不規則的な配列)と呼ぶ。柱状節理は冷却固結にともない熱応力が蓄積された結果、ある等温面に対して垂直にクラックが形成すると考えられているが、形態遷移の再現を試みたアナログ実験例はなく、Entablatureのような曲線的で方向性の変化に富んだ形態の領域においても、上記のクラックの形成過程が適用されるのかは明らかではない。本研究ではアナログ物質としてデンプンと水の混合物を用いた乾燥実験により曲線的な構造の再現を行い、X線CT撮影画像をもとにクラックの伸展過程および水の濃度分布とクラックの関係を調べ、さらにコラムの幅の変化を再現した実験結果の幾何学的解析も合わせて、天然で見られる柱状節理のColonnade-Entablature形態遷移の概念モデルを提案する。実験１: 片栗粉と水の混合物の上方からランプを点灯して乾燥させ、混合物中を伸展するクラックと混合物内の水の濃度分布の時間変化をX線CT解析装置で撮影し観察した。混合物の質量変化より算出した乾燥速度の変化には、(１)上澄み液の蒸発(２)混合物表面からの一定の蒸発(３)クラックの伸展に伴う混合物内部での水の移動を伴う蒸発、の３つの時間領域があることが分かった。(３)の時間領域では混合物内には直線的なクラックが内部に向かって伸展し、乾燥速度が時間の－1/2乗に比例することから、混合物中の水の移動は拡散過程で進行していることがわかった。クラックフロントは時間の1/2乗に比例して進行していることから、クラックの伸展はある決まった水の濃度において起こることがわかった。実験２: 混合物を直角三角柱型の容器に入れ、１つの面を樹脂で塞いで、直角をなす他の２つの乾燥面を通してのみ乾燥が起こるようにした。クラックの時間発展をX線CT解析装置で観察したところ、クラックはそれぞれの乾燥面に垂直に伸展し始め、直線的に伸展したあと、２つの乾燥面の２等分面付近で交わることなく、曲がった構造が形成された。混合物内の水の移動が拡散過程で進行すると仮定し、ある等濃度面に垂直にクラックが伸展するとした場合のクラックの形態計算結果と比較すると、クラックの伸展は初期濃度の0.6倍程度の濃度で起こることが分かった。実験３: １方向からの乾燥によるクラックの発達途中で乾燥速度を瞬間的に増加させた場合、乾燥速度増加後のコラムの数は増加し、コラムの断面積は減少した。乾燥速度強制増加後には、既存のコラムの３重点もしくは４重点に新しいコラムの形成(コラムの核形成)が起こっていることが分かった。以上の３つの乾燥過程を利用したアナログ実験結果から、天然のマグマの冷却に伴う柱状節理の形成に関して
１、クラックフロントの伸展は拡散過程で進行する。
２、２つの冷却面から冷却する矩形領域において熱が拡散過程で進行すると、ある等温度面に垂直に節理形成が起こり、その節理が出会う岩体の中央付近では曲がった構造が形成される。
３、冷却速度の急激な増加はコラムの核形成を起こし、コラムの幅を小さくする。
上記の結果および岩体最上部を冷却面として岩体内部を鉛直方向に伝わる熱輸送Q_１およびクラックを冷却面として岩体内部を水平方向に伝わる熱輸送Q₂を仮定して、柱状節理の形態遷移のシナリオを提案する。大分県豊後大野市杓子岩は高さ約100mの一層の火砕流堆積物（阿蘇４溶結凝灰岩）内の上部にColonnade、中央にEntablature、下部にColonnadeの順番に配列した形態的に異なる３つの部分から成る構造が見られる。EntablatureはUpper Colonnadeから発達する直線的なクラックを起点にクラックが発達し放射状の構造を作り出し、この放射状構造は水平方向にいくつか隣接して見られる。Upper Colonnadeの冷却は、岩体最上部を冷却面としてより高温の岩体内部から鉛直上方向に伝わる熱輸送Q₁が拡散過程により進行し、ある温度T_cになった位置でクラックが等温面に垂直に進展し、Colonnadeが形成される。クラックがUpper Colonnade内をEntablatureの上部まで伸展するとクラック自身が新たな冷却面となり、熱輸送Q₁に加えて水平方向に伝わる熱輸送Q₂が卓越してくる。すると、クラック先端付近の等温面の形状が下に凸になり、温度T_cとなる等温面に対して垂直にクラックが伸展する。この際、Q₁からQ₁+Q₂の熱輸送に遷移することで、急激な冷却が起こりコラムの核形成が誘発され、Upper Colonnadeよりも幅の小さなコラムが放射状構造を形成した。これは、天然の観察事実と調和的である。