マントル対流のしくみを教材化する研究

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マントル対流に関わる諸現象を高校授業の教材とするため、以下の3点に関して研究を行った。1、熱対流の運動と温度構造を可視化する演示実験透明水槽にグリセリン(原液ないし濃い水溶液)を入れ、かくはんしながら熱し、全体を一様に30℃にしておく。そこに感温液晶シート(変色域30〜35℃、プラスチック板に貼付)を差し入れ、底面の一部をホットプレートで熱し、また表面の一部を保冷剤等で冷やす。すると、マントルプルーム(ホットプルーム)によく似た高温部(緑〜青)と、コールドプルーム(崩落するメガリス)によく似た低温部(赤〜黒)が10〜15分かけて上昇、下降する様子が鮮やかに現れることがわかった。予め味噌などを少量溶かしておくと、液体自体の運動をよく追跡できる。ビデオカメラ(インターバル撮影がよい)等で撮影すると、大変わかりやすい教材になる。なお、感温液晶カプセルを用いた実験も行ったが、部屋を暗くした上に強力な照明が必要で、発色も弱く、教室での演示教材とするにはさらに研究が必要である。2、海洋プレートの沈み込みのモデル実験アクリル板(100×25×5mm)数枚を蝶番で連結したものを用意し、静かに水面に浮かべる。アクリル板は水より高密度であるが、水の表面張力の影響でかろうじて浮いている。このとき、片方の端にきっかけを与えると自重で沈み込む。セロテープ等をひれ状に適宜貼り付け、水への抵抗を調節すると、ゆっくりと斜めに沈み、海洋プレートの沈み込みの演示教材になることがわかった。3、カンラン岩の部分融解の再現実験マントルかんらん岩を工芸授業用の陶芸窯(最高1300℃)で数時間熱すると、部分融解を起こす。また、玄武岩は完全融解をする。マントルにおける玄武岩質マグマ発生が、高校の設備でも再現可能であることがわかった。