減衰衝撃波を利用した衝撃回収実験 1: 炭酸塩の波状消光の発生条件
黒澤耕介 1, 大野遼 1, 新原隆史 2, 三河内岳 2, 富岡尚敬 3, 玄田英典 4, 境家達弘 5,近藤忠 5, 鹿山雅裕 2, 小池みずほ 6, 佐野有司 2, 松崎琢也 7, 村山雅史 7, 佐竹渉 1,松井孝典 11

千葉工業大学, 東京大学, 3 海洋研究開発機構, 4 東京工業大学,
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大阪大学, 6 広島大学, 7 高知大学

はじめに: 地球上で発見される隕石のほと意識から我々は Calcite の衝撃回収実験を計画

んどは程度の差はあるが, 衝撃を経験し, そした. 旧来の衝撃回収実験は金属コンテナにの証拠が衝撃変成として刻まれている. 過去

平板飛翔体を衝突させ, 試料に衝撃波を作用の衝撃回収実験によって隕石に含まれているさせる手法が用いられてた. この手法は試料ような珪酸塩鉱物については変成の程度と衝にかかる衝撃圧力を精度良く計算可能である

撃圧の関係が整理されている. 衝撃圧は衝突という得難い長所がある. しかしよく知られ速度と相関があるため, 隕石の衝撃変成度のているように衝撃波の反射によって試料が複頻度分布から過去の太陽系の衝突速度分布を数回の圧縮を受けてしまい, 天然の衝突とは復元することも可能であろう.

異なる衝撃圧縮条件となるという弱点がある.

多くの炭素質隕石は水質変成を経験した

また, 一般的に 1 shot で達成される衝撃圧は 1ことがわかっている. この水–岩石–有機物の点のみであること, 実験ごとに金属コンテナ相互作用によって炭素質隕石中では様々な興が丸ごと破壊されてしまうことから時間的•味ある有機化合物が合成されたと期待されて金銭的なコストが高くデータの蓄積に向かないる. 水質変成鉱物そのものから衝撃の程度い, という弱点があった.

を推定することができるようになればこの化減衰衝撃波の利用: 衝撃後の試料回収には学反応場に制約を与えることが可能になるだ

金属コンテナの利用は不可欠であろう. そころう.

で我々は高強度レーザを用いた衝撃回収実験

炭酸塩の衝撃変成: 今回我々は典型的な水で確立された実験手法を二段式水素ガス銃で質変成鉱物である炭酸塩(Calcite, CaCO3)に注使えるように実験系の設計を行った. 金属コ

目して研 究を行 った . Calcite は多く の CMンテナに対して十分に小さい飛翔体を用いれchondrite に含まれていることが知られておば試料中で衝撃波が減衰し, 反射衝撃波の影り, 中には 10 m を超える大きさの粒子を含響を無視できる. この手法は衝撃圧力を直接む隕石も報告されている. さらに NASA の小求めることができないのが難点であるが, 近惑星探査機 OSIRIS-Rex が小惑星 Bennu の試料

年の数値衝突計算コードは試料中の衝撃圧力を採集した地点近傍では炭酸塩の鉱脈が発見を精度良く推定することを可能にしている.

されており, 回収試料に Calcite が含まれてい実験条件: 実験は千葉工業大学惑星探査研ることも期待できる.

究センターの高速度衝突実験室にて実施した.

Calcite の衝撃変成としては機械双晶の発飛翔体には直径 4.8 mm のポリカーボネイト

生(>0.48 GPa)と衝撃脱ガス(>20 GPa)が知られ球を使用した. 衝突速度は 5.1–7.3 km/s の範囲ている. 実際の小惑星への天体衝突を想定しで変化させた. 標的は Carrara marble を円柱て衝撃圧力分布を検討すると, 前者は圧力が形状(直径 30 mm, 高さ 24 mm)に加工して使低すぎ, 後者は高すぎで母天体中での Calcite用した. Carrara marble は 100–300 m 程度のの位置についてほとんど制約を与えることがCalcite 粒子が無秩序に並んでいる大理石であできない. 中間衝撃圧力領域での衝撃変成指る. バルク密度は結晶の Calcite とほぼ同じで標の確立が必要であった.

あり, 空隙はほとんどない. 金属コンテナは

旧来の衝撃回収実験の問題点: 上記の問題

チタンで製作し, 衝突面の金属蓋にはチタン,もしくはアルミ(厚みは 3 mm か 4 mm)を用い割れなどの筋状構造も観られなかった. それた.

に対して, 衝撃を受けた試料は衝突点からの数値計算条件: 試料中を伝播する衝撃波を距離に応じて変化が観られた. 試料裏面付近評価するため iSALE shock physics code を用い

では出発試料とあまり変化がなかったが機械た数値衝突計算を実施した. 垂直衝突を表現

双晶の数密度は有意に増加していた. 先述しするため 2 次元円柱座標を用いた. 計算中のたように裏面付近の圧力は~1 GPa であり, 機弾丸, 試料, 金属コンテナの実サイズは全て械双晶の発生条件を上回っているので, 今回衝突実験と同じ値である. 弾丸半径を 46 格子の衝撃で新たに発生した機械双晶であろう.

で分割した. これは衝撃圧力分布を計算する

衝突点近傍では以下のような変化が認められには十分な計算解像度である. 弾丸, 金属コた. (1) 「波状消光」を示す粒子が衝突点に近ンテナにはそれぞれポリカーボネイト, チタづくに従って増えた. (2) 機械双晶が複雑に入ンに対応する Tillotson EOS を用いた. ポリカ

り組み消光しないような粒子も観られた. (3)ーボネイト球は完全流体として扱い, 金属コ大きな割れ構造に加えて個々の粒子間にも微ンテナには von Mises strength model を用いて小な隙間が空いていた. 波状消光とは偏光顕金属の降伏挙動を表現した. Calcite 試料には微鏡上で回転させた場合に粒子全体が消光す

ANEOS calcite を用い, 脆性物質の弾塑性挙動るわけではなく, 消光領域が粒子を掃引してを表現する Rock strength model を適用した.

いく様を指しており, 珪酸塩鉱物でも弱い衝

初期温度は 300 K, 重力は無視し, 衝突速度は撃変成の証拠として頻繁に用いられるもので衝突実験の実測値そのものを与えた.

ある.

減衰衝撃波の特徴付け: 最初に本実験手法

波状消光発生頻度と衝撃圧力の関係: 試料裏で試料に作用する衝撃波の諸量について述べ面付近では波状消光を示す粒子がほとんど観る. 定常運転の最高到達速度に近い 6.8 km s

-1られず, 衝突点近傍ではほとんどの粒子が波の衝突の場合, 爆心点(金属蓋の直下の試料)状消光を示していたことから試料中に波状消で達成される圧力は~10 GPa であった. 試料中光の発生閾値となる衝撃圧力が存在しているで衝撃波は減衰し, 裏面付近では~1 GPa までことがわかった. この閾値を決定するため,衝撃圧力が下がることがわかった. 顕著な温衝突点真下の領域を~15 個の小領域に区切り,度上昇が起こるのは爆心点の近傍数 mm の領詳細な観察を行った. 小領域中には~100 個程域に限られた. PVDF 応力計測計を用いた垂直度の Calcite 粒子が含まれる. 波状消光の発生応力の実測値との比較も実施した. Hugoniot

頻度を定量化するため, 一つの小領域から 10弾性限界よりも大きい衝撃圧力では衝撃圧力個の粒子を選び出し, 偏光顕微鏡の対物レン値を精度良く再現でき, Hugoniot 弾性限界以ズ 20 倍で詳細に観察し, 波状消光の有無を調下においては iSALE の計算値は 2 倍程度の過べた. 主観が入り込むことが避けられない計大評価を与えることがわかった.

測であるため 3 名の研究者が独立に計測を実

衝撃後の Calcite の変化: 実験後には衝撃を施した. 小領域に対応する衝撃圧力値を受けた大理石を回収し, 30 mm の厚さの薄片iSALE で算出した. その結果>3 GPa の衝撃圧に加工し, 偏光顕微鏡で観察した.衝撃を加え力の領域で半分以上の粒子が波状消光を示すていない試料も同様に薄片に加工し, 衝撃前

こ と が わ か っ た . こ の 閾 値 は Calcite の後の Calcite 粒子の様子を比較した.

Hugoniot 弾性限界より少し大きく, 顕著な塑

今 回 用 い た Carrara marble に 含 ま れ る
Calcite 粒子は衝撃を加える前にすでに機械双性変形が起こると波状消光として観察されることがわかった.

晶を含むものであったが, 偏光顕微鏡上で回炭素質隕石母天体への応用: 炭素質隕石母転観察すると, 結晶粒子全体が鋭く消光した.

天体への天体衝突の際に>3 GPa を超える領域

また粒子間にはほぼ隙間がなく, 粒子中にはの深さを調べるため, 隕石母天体への衝突として, よく想定されている直径 20 km の天体が直径 100 km の隕石母天体に 5 km s-1 で衝突する条件の iSALE 計算を実施した. 両天体は空隙率 25%の蛇紋岩(含水鉱物)からなる, と仮定した. この条件では深さ~30 km まで 3 GPaの衝撃圧力が与えられることがわかった. つまり隕石中から波状消光を示す Calcite 粒子が見いだされた場合, 母天体の表層から 30 km以浅の位置で衝撃を受けた可能性が高いということになる.
結言: 水質変成鉱物の衝撃変成指標を得るべく減衰衝撃波を用いた衝撃回収実験手法を確立した. Calcite の波状消光は>3 GPa で顕著になり, 偏光顕微鏡で判別可能である. Calciteの波状消光を利用して炭素質隕石母天体中の水岩石反応場の深さに制約を与えることができるかもしれない.
※図や参考文献についてはスライドの PDF ファイルをご参照下さい.