富士火山の下でのマグマと H2O フルイドの間の超臨界現象
Supercritical Behaviors Between Fuji 1707 Magmas and H2O fluids
研究代表者

京都大学大学院理学研究科附属地球熱学研究施設

助手

川本竜彦

Institute for Geothermal Sciences, Graduate School of Science, Kyoto University
Assistant Research Professor, Tatsuhiko Kawamoto
和文要旨
外熱式ダイアモンドアンビルセルを用いて、火山の下の高温度高圧力条件において、マグマや水を直接観察する手法を確立した。この手法を用いて、富士火山の 1707 年の噴火によって噴出したデイサイト（70％SiO 2 ）と安山岩（60％SiO 2）マグマと、H 2O フルイドが、お互い完全に固溶し超臨界条件になることを観察した。このことは、富士火山直下の低周波地震の震源付近で動いているものが、H 2O フルイドなのか、マグマなのか区別できないことを示している。1707年噴火の最後の噴出物は玄武岩（50％SiO 2 ）であるが、ダイアモンドアンビルセルで実験可能な温度 1050℃では超臨界現象は確認できなかった。
Abstract
A series of direct observation of complete miscibility between H2O fluids and island arc andesite/rhyolitemagmas has been conducted using Bassett's type externally heated diamond anvil cell. The supercriticalbehavior are observed between H2O fluids and Fuji 1707 magmas with chemical compositions fromandesite (60 weight % SiO2) to rhyolite (70 % SiO2). Such a supercritical behaviour between H2O fluidsand magmas equiribrated with mantle peridotite system remains uncertain. This study is the firstobservation of a supercritical behavior of natural andesite and rhyolite with H2O fluids, suggesting apossibility of the second critical point between magmas and aqueous fluids beneath the volcanoes.

１．研究目的

リダス温度を低下させるだけではなく、シリケ

高温度高圧力条件での水を含んだマグマ（ケイトを多く溶かし込む。最近、アルバイトメル

イ酸塩溶融体）の化学構造を知ることは地球惑

トなどのシリケイトメルトと H2O の混和現象が星の物質進化における最も基本的な問題である。

報 告 さ れ て い る (Shen and Keppler 1995

地球内部でマグマが発生する場合、多かれ少な

Nature, Bureau and Keppler 1999 Earth

かれマグマ中には H2O が含まれる。H 2O はソ

Planet Sci Lett)。このような混和現象が地球内1日産科学振興財団研究報告書 25 (2002)
部でも起こっているとすると、ソリダス温度のファイト化するが、1000℃よりも低温では比較定義を変更する必要が生じる。本研究は、外熱的容易に実験を行うことが可能である。ガスケ式ダイアモンドアンビルセルを利用して、天然ットにはレニウムを使用し実験を行っている。の安山岩と流紋岩と H2O との間での完全混和現

実験圧力は現在のところ、約 6GPa（60kb, 6 万象が起こるかいなか、起こるとすればどのよう気圧）以下である。

な温度圧力条件で起こるのかその場観察によって決定することを目的とし実験的研究を行った。
２．研究経過２．１

道具

実験に用いたバセット型外熱式ダイアモンドアンビルセル(DAC)は、ダイアモンド全体を加熱するため小さな温度勾配を有するダイアモンドアンビルセルである（Figure 1）。
このセルは２個のブリリアントカットされた0.15 カラットのダイアモンドをタングステンカーバイト（ＷＣ）製の台座に MgO を主体としたセメント（以下セメントと呼ぶ）で固定する。
ＷＣの台座には 60 度の開口がなされている。
そのＷＣ製の台座の周囲に、セメントで電気的絶縁を施した上で、直径 0.25ｍｍのモリブデンのワイアーを巻き付け、セメントで外側を固定

Figure 1.

する。２個のダイアモンドには、それぞれクロ

diamond anvil cell.

メル−アルメル型熱伝対を接触させ、セメント

２．２

Plan of Bassett’s type externally heated

出発物質の合成で固定している。２個のダイアモンドに対応す

富士火山が最後に噴火したのは 1707 年である２台の直流安定化電源を用いて、モリブデンり、その時の噴出物は、噴火の進行とともに化のワイヤーに電流を流すことで温度を上げる。

学組成を変化させていった。まず、カルクアルそれぞれのダイアモンドの温度が一定になるよ

カリ流紋岩が噴出し、その後、安山岩、最後にうに、ヒーターに流す電流をコントロールする。

玄武岩を噴出している。この噴火は密度成層しセルの内部には、アルゴン−２％水素の混合ガ

たマグマ溜まりからの上部から噴出したと考えスを流す。このガスによって、ダイアモンドとられている。富士火山の 1707 年の噴出物であセルを構成する金属の酸化を防いでいる。

るカルクアルカリ岩質安山岩(60% SiO2)と流紋ダイアモンドは 1050℃を超えると急速にグラ岩(70% SiO2)に 2wt.%の水を加えたガラスをピ2

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ストンシリンダーで作成した。
２．３

３．研究成果その場観察実験

富士火山の 1707 年の噴火によって噴出した作成した安山岩(60% SiO2)と流紋岩(70%デイサイト（70％SiO 2）と安山岩（60％SiO 2）

SiO2)のガラス片をそれぞれ水とともに DAC にマグマと、H 2O フルイドが、お互い完全に固溶封入し加熱した。安山岩は約 1GPa、950℃で完し超臨界条件になることを観察した。

全な一相の流体がえられ、これ以下の温度では地球内部において、H 2O とマグマが同一相に全体がパール状に「もやもや」し二相に分離しなってしまうということは地球内部の物質進化た。臨界現象は圧力増加とともに低温度で起こを考える上で貴重な情報である。従来の考え方ると考えられるので、1GPa（およそ 30km）よでは、地球内部を構成する固体（岩石）が温度りも深く 950℃よりも高温度のところでは、H2Oの上昇、または、圧力の低下によって、「ソリダを含んだ安山岩質メルトとシリケイトを溶かしス温度」を超えると、部分融解が始まり、それ込んだ H2O フルイドの区別はなくなる。Figureがマグマの生成であると理解していた。H 2O が2 に 900℃、1GPa での H2O のマトリックス中加わると成分の数が増えるため、この「ソリダに球状に分布する安山岩メルトと結晶共存してス」温度が低下しマグマはより低温度で発生すいる写真を示す。また、流紋岩(70% SiO2)は、ると考えられた。しかし、H 2O とマグマが混和より低い 800℃で H2O と完全混和する。このこする条件があるということは、ある温度になるとは、これまで単純系でシリカ量と臨界温度がと、H2O 中に溶け込むシリケイト成分（マグマ逆比例すると提案されてきたやや強引な仮説の主成分は珪酸塩、シリケイトである）が急に（Bureau and Keppler 1999 Earth Planet Sci

増大するということを示している可能性があるLett）と正反対の結果である。

(Figure 3)。このことは、富士火山直下の低周波地震の震源付近で動いているものが、H 2O フルイドなのか、マグマなのか区別できないことを示している。

Figure 3. Schematic phase diagrams in the system of
Figure 2

Photograph of andesite meltin H2O fluid at 1 GPa and 900 °C.

and crystals

mineral A and H2O. H is a hydrous mineral.

0.6mm x 0.5mm.

3日産科学振興財団研究報告書 25 (2002)
もし、そういうことが天然で一般的に起こってためには、次の 3 つの方法が考えられる：（１）いると仮定すると、もはや、H 2O を含む条件で内熱式加熱。試料の周辺のみ局所的に加熱するの「ソリダス」温度というものは意味をなさなことで 1 気圧にさらされているダイアモンド自くなる。つまり、ある温度になると、H 2O にど身を 1000℃以下に保つ。（２）レーザー加熱。

んどんシリケイトが溶け込んでいって、マグマ炭酸ガスレーザーなどを試料に照射することでが発生するということになる。今後、マグマの加熱する。試料とダイアモンドの間には断熱材組成と混和現象の起こる温度圧力条件を更に理を置き、ダイアモンドに熱が奪われないように解していくことが重要である。

工夫する。ただしこれら２つの方法では、数3-4100℃以上の温度勾配を避けることができない。

今後の課題と展望

外熱式ダイアモンドアンビルセルは完全な静（３）ダイアモンドに代わる物質を探す。その水圧性と数度Ｃ以下の小さな温度勾配を有する物質は、高温度でも硬く（SiC でも柔らかすぎ

理想的な高温度高圧力発生容器であり、マントる）、シリケイトメルトと反応せず、透明である

ル深部条件でマグマを直接観察することを可能ことが要求され、立方晶ホウ化ケイ素が望ましにする道具である。ダイアモンドは広い波長領いが、大きな単結晶を作成するのが困難と聞く。

域で透明であるため、X 線、可視光、赤外線を５用いて実験を行うことが可能である。また、本

1. Kawamoto, T., Kagi, H., Yamashita, S., Matsukage,

研究によって確立された実験手法は、地球内部

K., Handa, T., Ikemoto, Y., Moriwaki, T. Kimura, H.,

科学分野のみならず、広く物性測定を目的とす

Mid infrared throughput with 5 mm aperture for H2Oる実験に用いることが可能である。今後、高温

determination of an andesitic glass: Comparison of

度高圧力条件におけるその場観察によって、こsynchrotron radiation source at SPring-8 with

れまで急冷回収実験では得ることの出来なかっconventional light sources. Geochemical Journal, 37,

た実験データを得ることができ、地球内部科学

253-259 (2003)や物性研究の進展に繋がると確信する。

2. Kawamoto, T., Hydrous phase stability and partial

論文リスト

最後に、本研究によって用いた DAC の温度

melt chemistry of H 2O-saturated KLB-1 peridotite up

に対する制約条件に付いて述べる。実験に用い

to the uppermost lower mantle. submitted to Recent

た安山岩よりも MgO の高いマグマ（玄武岩）

Developments in High-Pressure Mineral Physics andは、加熱中に結晶してしまい、1050℃以下の温Applications to the Earth’s Interior.（投稿中）

度で再溶融できず、過冷却状態のメルトを得る3. Kawamoto, T., Matsukage, K., Mibe, K.,

ことはできない。つまり玄武岩をこの方法によNishimura, K., Isshiki, M., Ishimatsu, N., S. Ono,ってメルトにすることは出来ない。ダイアモン

Direct observation of Mg/Si ratios of aqueous fluids

ドを 1100℃以上に加熱すると急速にグラファイ

in the Earth’s upper mantle. submitted to Earth andトに相転移してしまう。より高温度で実験する

Planetary Scienece Letters. （投稿中）

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