【研究領域課題番号】19H00713 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

粘弾性流体 / マグマ / 破壊 / レオロジー / 火山 / 降伏応力 / 懸濁流

【研究成果の概要】

爆発的な火山噴火ではマグマなどの複雑流体が急速な変形を受けて破砕し火山灰などが形成される．このような流体破壊の物理を解明することを目的とし，理論・実験・数値計算を組み合わせた研究を実施した．マグマを模擬するソフトマター物質としてひも状ミセル水溶液と市販の整髪ジェル水溶液を選出した．レオメーターによるレオロジー試験を行ったところ，ひも状ミセル水溶液はマクスウェル型の粘弾性を，ジェル水溶液は降伏応力と歪み速度弱化の特徴を示した．いずれもマグマ物性の特徴の一部を表している．これらの流体の中で気泡を急膨張させたり円柱を急速に動かしたときの流動と破壊を調べる実験装置を設計・製作した．そして，気泡や円柱周りの弾性歪み場を可視化する装置も組み立てた．一方，水蒸気噴火においてマグマ噴火とよく似た音波が形成されていることから，水蒸気噴火噴出物である火山泥もマグマと共通の破壊メカニズムを持つ可能性がある．そこで，天然の火山泥のレオロジー試験を実施したところ，ジェル水溶液とよく似た物性を示した．しかし，火山泥は固体粒子と低粘性流体からなる懸濁流体であり，そのレオロジーは計測方法によって見かけの物性が変化する可能性が指摘されている．球形粒子と液体からなる懸濁流に対し，変形中の粒子体積分率を制御した計測と粒子圧力を制御した計測を別々に行うことにより，懸濁流の見かけ粘性の歪み速度，固体粒子体積分率，粒子圧力などの間の普遍的な関係を得ることに成功した．理論と計算のパートでは，マクスウェル型粘弾性の様々な非線形構成方程式を整理し，適切と思われるものを選定した．そして，それを，有限要素法とフェーズフィールド法を組み合わせた粘弾性流体の破壊シミュレーションコードに実装した．オンラインによる研究会を複数回開催し，各国からの共同研究者（フランス・イスラエル・イギリス・チリ・日本）との議論を行った．

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2019-04-01 - 2023-03-31

【配分額】46,020千円 (直接経費: 35,400千円、間接経費: 10,620千円)

【研究分野】固体地球惑星物理学

【研究領域課題番号】16H04039 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

レオロジー / マグマ / 噴火 / 流動 / 破壊 / 気泡 / 粘弾性 / 粘弾性流体 / 破砕実験

【研究成果の概要】

流体であるマグマが固体的に破壊する現象の解明を目的とし，理論研究・数値計算・模擬物質の変形実験の３つを進めた．理論的考察の結果，既存のマグマレオロジーモデル式の問題が明らかになり，非線形項（場の変形・回転効果と変形による散逸効果）を正確に記述する必要があることが分かった．一方，線形粘弾性モデルを用いて，フェーズフィールド法と有限要素法を組み合わせて粘弾性流体の破壊シミュレーションを行い，実験で見られている現象の特徴を再現することに成功した．発泡・硬化過程のポリウレタンフォームをマグマ模擬物質として用いた変形実験を行い，マグマ破砕直前の変形履歴を噴出物の気泡変形度から読み取る方法を提案した．

【研究の社会的意義】

流体の破壊という未解明の問題について，理解が大きく進んだ．この問題は，火山噴火の爆発性を決める要因を明らかにするための基礎である．また，複雑な流体の製造・加工・応用を行う様々な工学分野でも重要である．本研究で得られた理論的知見や，数値計算手法は，まだ不完全であるが，今後進めるべき方向性について明らかになった．また，マグマ模擬物質としてポリウレタンフォームの変形実験を行ったが，実験手法や得られた結果は，火山学のみならず，ポリマーの分野でも新規性のあるものである．地球科学と工学の連携により，流体の破壊力学という新しい連続体力学への第一歩を踏み出すことができた．

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】18,200千円 (直接経費: 14,000千円、間接経費: 4,200千円)

【研究分野】固体地球惑星物理学

【研究領域課題番号】25800253 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

地震 / スロー地震 / 摩擦 / 破壊 / 東北地方太平洋沖地震 / 断層 / 沈み込み帯 / シミュレーション / 動的破壊 / 東北沖地震 / 大地震 / 前震 / 動的弱化 / 滑り速度強化 / 地震発生物理学 / レオロジー / 断層構成則 / 地震破壊 / 超巨大地震

【研究成果の概要】

2011年東北地方太平洋沖地震について，前震による低速な余効滑りと本震による高速滑りの観測データをも用いて，広い速度レンジでの天然断層の摩擦特性を推定した．摩擦特性の推定のために，境界積分方程式法を用いた数値計算を行い，観測により求められた滑りを入力として得られた応力変化を計算した．その結果，前震の余効滑り領域において，10**-6 [m/s]程度の低速滑り時には弱い速度強化特性を示したのに対し，1 [m/s]程度の高速滑り時には強い速度弱化特性を示していたことが明らかとなった．

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2013-04-01 - 2018-03-31

【配分額】3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)