硫化鉱物の大気酸化モデルに基づく火山噴煙ダイナミクスの物質科学的研究

基于硫化物矿物大气氧化模型的火山羽流动力学材料科学研究

• 批准号: 16J01888
• 负责人: 松本 恵子
• 金额: $ 1.22万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2016
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2016-04-22 至 2018-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-16J01888/
• 关键词: 噴火; 噴煙; 磁硫鉄鉱; 酸化; 反応速度; 大気; シミュレーション

本研究は，火山噴煙のダイナミクスについて，マグマが破砕後に急冷するまでのごく短い時間（数分以内）での化学反応を利用することで，物質科学的な制約を与えることを目指している．本年度の成果は(1)噴出物中の磁硫鉄鉱の酸化反応に着目し，その酸化機構を解明，噴出物酸化度の最適な定量法を決定した(2)噴煙モデルと物質科学の融合を図るための，酸化度を予測するワークフローを完成させたことである．(1)では，桜島大正大噴火での経験温度・大気接触度が異なった3種類の噴出物を対象に，磁硫鉄鉱の酸化組織の記載を行い，結果，噴出物間で磁硫鉄鉱と酸化鉱物に系統的なバリエーションが見られることが分かった．さらに酸化組織は(a)ladder typeと(b)framboidal typeに分けられ，それぞれ酸化機構が違うことを発見した．特に(a)は，先行研究の磁硫鉄鉱酸化実験で観察された組織との比較の結果，鉱物-ガス間の化学反応で生成し，表面反応律速で成長する磁鉄鉱と，拡散律速による赤鉄鉱の二段階あることを明らかにした．また噴煙内での酸化時間の推定に，赤鉄鉱の厚さ測定が有効であることを提案した．以上の内容はContrib. Mineral. Petrol. 誌にて査読中である．(2)では，(1-a)で解明した磁硫鉄鉱の酸化機構を元に，赤鉄鉱の生成速度の実験値を選定し，共同研究者による流体力学モデルに基づく噴煙３Dシミュレーション結果と組み合わせ，噴煙内を移動する噴出物中で生成する赤鉄鉱厚さの推定を行った．その結果は，桜島大正噴火噴出物で測定された赤鉄鉱の厚さに満たなかったことから，モデルと天然に基づく物質科学の融合には，数値計算手法，モデルにおける仮定の妥当性，反応速度の実験データの点で改善が必要であることを明らかにできた．これは，物質科学的手法で噴煙ダイナミクスの制約を行う上で重要な成果となった．

这项研究旨在通过在裂缝后岩浆淬灭之前在很短的时间内（在几分钟之内）内使用化学反应来对火山羽流的动态施加材料科学的限制。今年的结果是（1）侧重于弹射体中硫酸盐的氧化反应，阐明氧化机制，并确定射精氧化度（2）的最佳定量，以预测氧化度，以预测氧化度对烟雾模型之间的氧化程度。在（1）中，我们描述了在Sakurajima Taisho喷发期间，在三种类型的喷发中具有不同温度和大气接触水平的硫化石硫酸盐的氧化结构，结果，我们发现在喷发之间观察到了硫酸含量的系统变化和氧化的矿物质的系统变化。此外，我们发现将氧化结构分为（a）梯子类型和（b）framboidal型，并且每种氧化结构具有不同的氧化机制。特别是，（a）表明有两个阶段：磁铁矿，磁铁矿是由矿物质和气体之间的化学反应产生的，并在表面反应的极限和由于扩散控制速率以及扩散控制速率而产生的赤铁矿。我们还建议测量赤铁矿的厚度有效地估计烟雾中的氧化时间。目前正在贡献中审查上述信息。矿物。汽油。杂志。在（2）中，基于在（1-A）中阐明的热液的氧化机制中，选择了赤铁矿的产生速率的实验值，并与协作者基于流体机械模型的烟雾模拟的3D模拟的结果估算了在羽流中含水岩中生成的hematite生成的厚度。结果表明，在Sakurajima Taisho喷发射出中测得的赤铁矿的厚度小于赤铁矿的厚度，并且模型和基于自然的材料科学的融合需要改善数值计算方法，模型中假设的有效性以及对反应率的实验数据。这是使用材料科学方法限制烟气动态的重要结果。

项目成果

デジタルカメラ画像を利用した火山噴煙の噴火開始検知アルゴリズムの開発

开发一种使用数码相机图像检测火山羽流喷发开始的算法

• 发表时间: 2016
• 作者: Y. Kanno;K. Ino;H. Abe;K. Y. Inoue;M. Matsudaira;A. Suda;R. Kunikata;H. Shiku;T. Matsue;齊藤雅典，松本恵子，柳田泰宏，久利美和
• 通讯作者: 齊藤雅典，松本恵子，柳田泰宏，久利美和

Pyrrhotite oxidation as a tool for reconstructing thermal structure of eruption columns

磁黄铁矿氧化作为重建喷发柱热结构的工具

• 发表时间: 2017
• 作者: K. Matsumoto;M. Nakamura;Y. Suzuki
• 通讯作者: Y. Suzuki

Bayerisches Geoinstitut(Germany)

巴伐利亚地质研究所（德国）

火山観測機器開発を通じた分野融合教育

通过开发火山观测设备进行跨学科教育

• 发表时间: 2016
• 作者: Y. Kanno;K. Ino;H. Abe;K. Y. Inoue;M. Matsudaira;A. Suda;R. Kunikata;H. Shiku;T. Matsue;久利美和，谷島諒丞，山内元貴，松本恵子，柳田泰宏
• 通讯作者: 久利美和，谷島諒丞，山内元貴，松本恵子，柳田泰宏

Pyrrhotite oxidation as a tool for reconstructing the thermal structure of eruption columns

磁黄铁矿氧化作为重建喷发柱热结构的工具

• 发表时间: 2016
• 作者: K. Matsumoto;M. Nakamura;Y. Suzuki
• 通讯作者: Y. Suzuki