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．

This study is aimed at exploring the limits of material science on the use of chemical reactions in volcanic smoke and its rapid cooling within a few minutes. This year's achievements include: (1) the investigation of acidification reaction of ferrosulfide in ejecta, the elucidation of acidification mechanism, the determination of optimum acidification degree of ejecta by quantitative method;(2) the investigation of smoke emission and the fusion of material science; and the prediction of acidification degree. (1)The temperature and contact degree of three kinds of ejecta are different. The acid structure of ferrosulfide is recorded. As a result, the acid structure of ferrosulfide is recorded. The acidizing mechanism is (a)ladder type (b) fraboidal type, and (c) the acidizing mechanism is (d) fraboidal type. In particular,(a) the results of the comparison of the structure of the magnetic ferrosulfide acid studied in advance show that the chemical reaction between the particles is generated, the surface reaction rate is increased, the magnetic ferrosulfide is increased, the dispersion rate is increased, and the second stage of the ferrosulfide is increased. The estimation of acidification time in smoke emission and the determination of red iron thickness are proposed. Contrib. Mineral. Petrol. (2)In (1-a), the authors determined the initial value of the rate of formation of ferromanganese in the acidizing mechanism of ferromanganese, and the results of the fluid dynamics analysis of the basic soot 3D model were combined to estimate the thickness of ferromanganese formed in the plume. The results show that the thickness of red iron particles measured by the jet of the Dazheng fire in the island is different from that measured by the natural base material science. The numerical calculation method is suitable for the determination of the temperature and the improvement of the reaction speed. The method of material science is an important achievement in controlling the behavior of smoke.

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

Bayerisches Geoinstitut(Germany)

巴伐利亚地质研究所（德国）

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

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