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自然科学研究所総合研究報告

1-1 世界規模での気候変動による温度上昇が地形・植生環境に与える影響に関する総合的研究●代表者 江口誠一（地理学科・教授）●分担者 藁谷哲也（地理学科・教授）
竹村貴人（地球科学科・教授）
佐藤浩（地理学科・准教授）

金丸龍夫（地球科学科・准教授）【研究の目的および概要】
近年の熱波による地形や植生へ与える影響は，これまでに発生していなかった箇所での森林火災や氷河の融解などとして現れている。しかし，これらの現象は近年の急速な気候変動によることから，メカニズムに基づいた予想ができるほどの知見はほとんど得られていない。気候変動のメカニズムは不確定要素が多く，その精度は著しく低いが，気温の上昇により何が起こり得るかに関しては観測，実験と数値計算を組み合わせることによって明らかにすることは可能である。そこで，熱波による気温と地表面の温度測定のみならず，フィールドにおいて温度調査や岩盤の歪み測定などを連続的に計測することで，気温上昇時に何が起こっているか明らかにする。
具体的には，文理学部近辺とオーストラリアを対象とした気温・地表面の温度測定を行い，地形を構成する岩盤の熱膨張の変動モニタリングを行う。つまり北半球と南半球での計測を行うことで，年に 2 回の夏の気温上昇時のデータを得る。そして実フィールドでの岩石の温度―歪みの同時測定を行うことで，気温がどの程度まで上昇したら影響が生じるかを明らかにする。測定結果として，岩石の種類によっては表面温度が 70 度を超えると新たな亀裂が生じることが想定されるが，より高い温度に岩石がさらされることで，崩落の危険性を増加させることにつながる。また，歴史的建造物や現存する建物に使われている石材についても，同様の危険性が生じることも意味している。
【研究の結果】
野外観測は，2020 年乾季のオーストラリア Deep Gorge で，岩塊斜面を構成する長径約 1 ｍの岩塊の表面（天頂，北向き，西向き），および亀裂部にシート状の T 型温度センサーを貼り付けて 5 分間隔で実施した。その結果，岩石表面の最高温度は天頂方向で 60.2℃が記録され，北向き（57.7℃），西向き（56.5℃），亀裂部（56.4℃）の順で小さくなった。また，岩石表面の温度上昇速度は，亀裂部に最大で 1.8℃／分が記録され，天頂（1.6），西向き（1.4），
北向き（1.2）の順で低下した。温度降下速度についても，亀裂部に最大で 2.0℃／分が記録され，北向き，天頂，西向きは 1.2℃／分であった。
熱サイクル実験による細孔分布の変化は花崗岩，大理石，砂岩の 3 岩型から作成した試料をもとに，環境試験機を利用して行った。熱サイクルは，4℃〜 84℃の温度変化の繰り返しを 5 サイクル，熱衝撃破砕の閾値とされる温度変化速度 2℃／分で試料に与えた。そして熱サイクルを被った試料とこの熱サイクルを与えていない試料について，ポロシメータによる細孔分布を求めた。その結果，細孔分布は花崗岩の場合とくに直径 0.8 〜 0.5nm の範囲で約 6％減少し，0.4 〜 0.1nm で約 5％増加した。大理石では，とくに 0.5-0.1nm の範囲で約 16％減少して，6-0.65nm で約 16％増加した。砂岩では，変化率は小さく細孔の変化はほとんど見られなかった。
また上記の実験用岩石は，顕微鏡下で顕著な文象構造を示す文象斑岩であった。石英以外の主成分鉱物はほぼ全て変質し，緑泥石または繊維状・羽毛状の変質鉱物となり，わずかに長石の双晶らしき構造が残るのみである。岩石の熱膨張に最も大きな影響のある石英については，清澄な多形結晶として晶出時の構造が保持されている。岩石薄片から測定した，石英のモード組成（体積比）は約 32vol.％であった。この岩石表層は肉眼で顕著な赤褐色を呈し，内側ほど灰褐色となる。また，表層から約 5mm の深さまでは顕著な赤褐色化が認められる。これらから，岩1

石の表層は，風化または皮膜の形成により赤色化したことを示唆している。顕微鏡下では，最表層部の数 μm ほどの厚さを持つ赤色物質に覆われている。同様な物質は，岩石表面から数 mm ほどの深さにわたり，鉱物粒間や割れ目を埋めている。また，表層部の一部の顕著な赤褐色部には，不定形アメーバ状で金属光沢を示す物質が成長している。EPMA による化学組成マッピングおよび定量化学組成分析によると，アメーバ状物質は，鉄，アルミニウムに富み，マンガンを含む物質である。これらの特徴から，本試料には，rock varnish または iron film による coatingが形成されている。
実フィールドから採取した岩石試料を用いて，外部の温度・湿度が岩石内部の温度・湿度へ与える影響のメカニズムに関する実験を行った。試料は，文理学部近郊で採取した泥岩を用い，5cm×5cm×3cm ほどの角柱状に整形の上，断熱ボードとシリコンで周囲を被覆し，5cm×5cm の面の一方に閉じた空間を作り，温湿度センサーを埋設した。これは 5cm × 5cm の面から外部の温度が伝導し湿度が移流できるようになっており，移動距離は厚みである3cm ほどとなる。ここでは外部の温度，湿度をサイン波で振動させて与えることで，岩石試料の厚み分の深さにある温湿度センサーの応答を測定し，その位相差から岩石試料の熱伝導と透湿係数を考えることができる。岩石試料の厚みを変えて実験を行った結果，厚み約 2cm までは外部の温湿度の影響を強く受けることが明らかとなった。熱の岩石内部への移動は熱伝導率が関わってくるため，各種岩石（17 種類）の熱伝導率の測定を行った。また，透湿係数を考える際のパラメータとなる有効間隙率の測定も行った。熱伝導率を使った熱の伝導について，有効間隙率を使い透湿過程を数値計算でシミュレーションするためのモデル作成を行った。モデルは熱伝導方程式および拡散方程式を基礎としたものであり，計算の結果，外部からのサイン波で温度，湿度を振動させた時の内部の応答を再現することができた。
【研究の考察・反省】
野外における岩石表面温度の観測結果から，砂漠ワニスの発達する岩石表面では 60℃もの高温と約 2℃／分の温度上昇，降下が生じていることがわかった。しかし，表面温度の観測期間は 3 日間と短期間であり，このような温度とその変化の継続時間や頻度については不明である。そのため今後も継続的な研究を行い，長期間の観測データの取得に努めたい。一方，熱サイクル実験で用いた試料には，西オーストラリアの現地試料を加えることができなかった。その理由として，調査地点がオーストラリア先住民の管理地，聖地であることによる。サンプル採取は，現地機関とのやり取りを繰り返したものの最終的にはかなわなかった。今後現地サンプルを入手して，物性値を測定することも課題として残された。
また，気候変動に伴う気温の上昇が与える岩石内部への影響は，石材で作られている遺跡や重要文化財を保全するためには重要な現象となってくる。実験結果から外部の温度が上昇した際の内部への影響が泥岩の場合で 2cm ほどの深さまで影響を与えていることがわかった。より緻密で熱伝導率の高い岩石（例えば花崗岩）であれば，熱の影響はより深く，湿度の影響はより浅くなると考えられる。これらの熱，湿度の日々の繰り返しが石材の劣化を進行させることから，どの程度の深さまで補修を進めるべきかなどの指針を作成する際には影響深度を確認しておく必要がある。今回はその指針を作成するための具体的な方法となるものである。また，オーストラリアでの岩石試料を用いることができなかったが，実験方法と数値計算手法を確立することができたので，今後，オーストラリアでの岩石試料を入手できれば，現地での実測データとの比較が可能で，気温上昇が岩石内部に与える影響のメカニズムを明らかにできると考える。
本研究での野外調査は 2019 年度に実施することはできたが，2020 年 4 月以降は，政府や法人からの COVID-19 感染防止要請に従って現地調査を進めることができなかった。そのため，2019 年度に収集した観測データを整理するとともに，文理学部近郊にて採取された試料の分析結果をもとに報告することとなった。今後は引き続き進められ2

る総合研究に委ねる形で，調査分析を行う計画である。
【研究発表】
Waragai, T.（2020/07/14）Detection of microcracks in rock specimens due to thermal changes using the acoustic emission
method. JpGU-AGU Joint Meeting 2020, オンライン
Waragai, T.（2019/09/19）Measurements of thermic damage of Angkor dimension sandstone used for World Heritagetemples. IAG Regional conference on geomorphology, Greece【研究成果物】
藁谷哲也（2021）岩石の熱破砕に関わる温度勾配の効果―アコースティックエミッション法を利用した熱風化実験からのアプローチ―．日本大学文理学部自然科学研究所研究紀要，56，1-9．
Waragai, T.（2020）Measurements of thermic damage of Angkor dimension sandstone used for World Heritage temples.
IAG Regional conference on geomorphology: GEOMORPHOLOGY OF CLIMATICALLY AND TECTONICALLYSENSITIVE AREAS Abstract book. Faculty of Geology and Geoenvironment, National and Kapodistrian University ofAthens, Greece. pp59, ISSN 978-960-466-213-5.
藁谷哲也（2019）西オーストラリア，バーラップ半島の岩塊斜面．地学雑誌，128 巻 6 号 p. Cover06_01-Cover06_02（https://doi.org/10.5026/jgeography.128.Cover06_01）

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