[S-VC32] 火山噴火のダイナミクスと素過程

[SVC32-08] 高粘性マグマ貫入過程解明のための二次元アナログモデル実験

*吉田 英臣¹、田中 良²、市原 美恵³、青山 裕² (1.北海道大学大学院理学院、2.北海道大学大学院理学研究院附属地震火山研究観測センター、3.東京大学地震研究所)

キーワード：アナログモデル実験、ダイク貫入、高粘性マグマ

有珠山2000年噴火やBardarbunga （Iceland）2014年噴火などで見られるように，マグマは鉛直に貫⼊したり斜めに貫⼊したりすることが知られている．マグマ貫入の方向は⼭体周辺の応⼒場，⺟岩の岩⽯特性，マグマの⼒学的特性，マグマの加圧等に影響を受けると考えられている.これらの要因の影響については，数値計算や室内実験など様々な⼿法で研究されている．室内実験では，低粘性マグマ貫入を模擬した水や空気をゼラチンに貫入させる実験が多く行われている．一方，高粘性マグマを模擬した実験は多くなく，実験的研究による高粘性マグマのマグマ貫入過程とその表面到達位置に関する検討は進んでいない．そこで，本研究は，表面地形や地下構造が異なる条件下における⾼粘性マグマの貫⼊過程の特徴を明らかにすることを⽬的とし，⼆次元アナログモデル実験を行なった．
実験では，高粘性マグマの類似物として用いる水飴を実験装置の底部から母岩類似物として封入したシリカパウダーに貫入させ，その様子を観察した．実験条件として母岩が均質かつ表面が平坦な実験（均質実験），母岩が均質かつ表面に山体がある実験（山体実験），母岩が二層かつ表面が平坦な実験（層実験）の3種類を設定した．実験装置は，高さ200 mm, 幅460 mm, 厚さ50 mm で側面をガラスとした二次元的な装置を作成して使用した．シリカパウダーのかさ密度は1500 kg/m3, 粘着力は600 Pa, 内部摩擦角は34°であった．また，水飴の粘度は11.6 Pa s, 密度は1380 kg/m3であった．無次元数による検討から，本実験は深さ1000 m からの粘度10⁵-10⁷ Pa sのマグマ貫入現象を模擬している．
水飴の貫入はほとんどの実験で二段階の成長過程を経た．第一段階では水飴はほぼ鉛直に貫入し，先端近傍に逆断層が形成された．この段階では断層は表面に達していないが，第二段階では水飴はその逆断層の方向に貫入し，表面に到達した．水飴の注入部と表面到達位置を結んだ線分の鉛直からの角度によって表面到達位置の分布を整理した（図1a, b）．均質実験では多くの場合，注入部から20-39 º程度の位置に水飴が到達した（図1a）．これは，第一段階において傾斜した逆断層が形成され，それに沿って水飴が貫入することが原因と考えられる．山体実験では，均質実験で到達した20-39 ºに加えて，注入部から0-9º 程度の位置にも多く水飴が到達した（図1b）．これは，山頂に向かう最大圧縮応力軸に沿ってダイクが貫入することが原因と考えられる．層実験においては，均質実験と異なる結果は得られず，二層構造による大きな影響は確認出来なかった．
殆ど全ての実験において水飴貫入に伴うシリカパウダー表面の割れ目が確認された．この割れ目は実験のかなり早い段階から形成されており，割れ目がダイクの傾斜よりも早く形成されたことが明らかになった．また，一つ目と二つ目の割れ目の水平距離と，一つ目の割れ目と水飴の表面到達位置の水平距離の比から，一つ目と二つ目の割れ目の水平距離に対して，1-4 倍の位置に約60%の割合で水飴が到達することを明らかにした（図1c）．この結果は，実際の噴火においても，割れ目の形成過程から噴火位置を推定できる可能性を示唆するが，実際の噴火に適用する為には，三次元実験など，より現実に即した複雑な系での検討が必要である．
謝辞
本研究の実験装置について，海洋研究開発機構の桑野修氏には多くのご助言をいただきました．北海道⼤学理学院機械⼯作室の佐々⽊康隆氏には，実験装置を作成していただきました．深く感謝申し上げます．