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

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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．