火山地質学分野セミナー 　　１０月２６日（火）

論文紹介「最近のマグマの粘性係数測定実験について」　佐藤博明

趣旨：　火山活動をモデル化する際に最も重要なパラメータの一つに粘性係数がある．天然のマグマの粘性係数は１０^1～＞１０^13 Pa sec と１２桁以上の範囲に及ぶと考えられており，粘性係数によってマグマの挙動は大きく変化する．粘性係数の測定は1920～1960年代にかけてガラス工学の分野で盛んにおこなわれてきた．これらは１気圧下無水の条件での測定であり，回転法，沈降法，釣合法，平行板法，貫入法，曲げ式などの測定法がある．地球科学分野ではこれら低圧でのデータをコンパイルしたBottinga and Weill(1972), Shaw(1972) の式がよく用いられるが，これらの式はArrhenian relation （ln η∝1/T）を仮定している．近年のsub-liquidus での測定結果はnon-Arrhenian な関係が認められ，それらのデータを説明するために，VFT [Vogel-Fulcher-Tammann: log η=A + B/(T-C)] (Hess & Dingwell, 1996) の式や，WLF [Williams-Landel-Ferry: log(η／ηg）= A(T-Tg)/(B+T-Tg)] (Taniguchi, 1995) などが提案されている．広い組成範囲についての一般式は未だ与えられていない（後藤章夫氏の学位論文で得られているが印刷されていない！）．また，Spera et al.(1988) によると，測定の際の歪速度により得られる粘性係数は異なり，大きな歪速度では低粘性になる傾向(pseudoplastic-viscoplastic)が認められており，天然過程のモデルを考える場合には歪速度の効果の検討も必要である．

　粘性係数に対する圧力の効果はKushiro(1976), Scarfe et al.(1986) などにより実験的に検討され，重合度の高いAb～安山岩質メルトでは高圧で粘性係数が減少することが見い出された．ただ，圧力の効果は一般に 2 GPa (2万気圧）で１桁以下である．

　マグマの粘性係数が微量の水により著しく減少することはShaw(1963), Friedmann et al.(1963) などによる実験で確認されている．これは，水が SiO4 四面体の重合を切断するため（-Si-O-Si- +H2O → -Si-OH HO-Si-）と考えられる．Hess & Dingwell(1996) は花崗岩質メルトに関するそれまでの11グループによる111個の測定値を説明する4つの式を検討し，次の式が最も小さい残査を与えることを示した．log η= (-3.5+0.83 ln Xw)+(9600-2368 ln Xw)/[T-(195.7-32.25 ln Xw)] ．この式によると，粘性係数に対する水の効果は，低温で含水量が低いほど大きい．これは含水量が小さい時は水はメルト中でOHとして存在する割合が大きいという赤外吸収からの観測と調和的である．1200度Kでは無水で １０^10 Pa s，含水量0.5％で １０^7 Pa s ，含水量1wt％で　１０^6 Pa s, と変化する．マグマ中の飽和含水量は 2 MPa （１００m深程度に相当）で0.5wt.%, 6MPa で 1wt.% であり，マグマが上昇噴火する際の火口近傍での脱ガス過程でマグマの粘性係数が数桁変化することが考えられる．このほか，粘性係数に対するCO2, F の効果なども実験的に検討されている．

　以上の測定はいづれも均一メルト相についてのものであるが，実際のマグマは結晶や気泡を含み，それらの存在の効果を定量的に評価する必要がある．結晶の存在する場合については，Einstein-Roscoe の式： ηs／ηl = (1-Rφ)^-2.5 が通常用いられる．Rは最密充填固相量の逆数で，Marsh(1981) は1.67としている（60％固相で粘性が無限大）．Murase et al.(1985) はMt.St.Helens dacite について，結晶の存在下と結晶のない場合についての粘性係数を実測し，結晶度が50-60％で急激に粘性係数が増加し，またyield strength も急激に大きくなることを示した．さらに，これらのデータを説明する式として，結晶の平均サイズDmを含む次の式を提案した．log η= log η0 + 0.019Dm/[1/φ)^-1/3-1]．Pinkerton & Stevenson(1992) はMurase et al.(1985) の式の元になっているSherman(1968) は微小なemulsion について用いられるもので，粒径が大きい場合には大きな誤差を生じることを指摘した．彼等は工業化学等で得られている結晶を含むメルトの実験データを説明するのに適当な一連の式（結晶度と平均粒径，応力項を含む）を提案しており,さらにPinkerton & Norton (1994) でEtna basalt についてその有効性を示している．Lejeune & richet(1995) はMg3Al2Si3O12 メルトについて結晶度0-60％の場合の粘性係数の測定をおこない，Einstein &Roscoe の式が概ね適用できることを示した．Bagdassarov & Dingwell(1992) は平行板法で発泡した流紋岩質メルトの粘性係数を計測し，相対的な値が次の式で最もよく説明できることを示した．η=η0／(1-22.4*f), 但し，f は気泡の体積分率．

　以上のような粘性係数の計測結果を用いて，いくつかの火山現象についての応用を試みる．

＜文献＞　多数の論文が出されているが大半は以下の論文の引用文献にある．