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ニュースレター第33号

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研究ノート

2020年

投稿：2020年5月25日投稿

受理：2020年7月13日

黒鉛炉を用いた鉱物試料の短時間加熱試験
村上雅紀*・田上高広**

Short-term heating experiments of mineral samples using graphite furnace
Masaki Murakami* and Takahiro Tagami***応用地質株式会社, OYO corporation**京都大学, Kyoto University

Abstract

It is necessary to understand realistically the thermal behavior of minerals under thegeological phenomena with instantaneous heating such as fault movement and volcanicactivity. Short-term heating experiments of mineral samples have been performed usinggraphite furnaces and infrared temperature sensors. We introduce two systems for theheating experiments (named 2003 and 2018 models), and describe the current situation andthe future technical issues.

はじめに現象を理解するためには発熱時の温度情報を得度，すなわち地温を基準としている．地温を構の乱れは一時的なものなので，短時間ですぐにる必要があるが，これらの地質現象による地温

地質学における温度は，地下（地質）の温拡散してしまう．それゆえ，地質学において成する熱源は，地球内部においてウランやトリは，鉱物粒子内に残された熱痕跡を解析するこウムなどの放射性物質が崩壊する時に発生したとによって発熱時の温度情報を得られることが熱と考えられ，その熱は地表に到達するまでにある．

冷えていく．こうした熱の流れは，地質学的な鉱物粒子内に残された熱痕跡を解析するに長い時間スケールでみると平衡状態となるたは，「地質温度計」と呼ばれるツールを用いめ，深度に対する温度の上昇率（温度勾配）はる．代表的な地質温度計としては化学組成の変各深度で一定であるとみなされている．この温化や相転移，熱年代学的手法などが挙げられ，度勾配のことを我々は地温勾配と呼び，地質を各手法の詳細については金沢ほか（2005）に解釈する時のツールとして用いている．日本列まとめられている．一般的に地質温度計は，室島及びその周辺域における具体的な地温勾配に内試験やボーリング調査等の結果から温度とのついては，産業技術総合研究所「数値地質図関係が推定されているが，これは続成作用や変（CD−ROM）DGM P−5 日本列島及びその成作用のような比較的長い時間の被加熱を想定周辺域の地温勾配及び地殻熱流量データベースしたものである．そのため，例えば断層運動の（田中ほか, 2004a）」に収められている．

ように，変位と同時に瞬間的に温度異常を作る一方，断層運動や火山活動など熱を伴う地質ような地質現象を解釈するためには，数秒〜数現象が地下深部で発生すると，周辺の温度構造分のような短時間領域で説明できる地質温度計が乱され，地温勾配がばらつくことが知られてが新たに必要となる．

いる（田中ほか, 2004b）．このような各々の1

そこで本論文では，地質温度計の短時間領域与えることになる．ここで，実際の加熱開始，における特性評価を目的として実施された，鉱終了時刻をそれぞれt₀，t₁とする．加熱温度Ta物試料の短時間加熱試験装置を紹介する．過去に到達するまで昇温する時間（t₀〜ta）をＡ区に著者が実施した短時間加熱試験を例に挙げ，間，加熱試験時間（ta〜tb）をＢ区間，加熱試現状と今後の課題を述べる．

験終了後に初期温度T₀まで降温する時間（tb〜t₁）をＣ区間とする．本来実施すべき加熱試験

短時間加熱試験モデル

がＢ区間の加熱であるのに対し，Ａ区間とＣ区間を正確に測定する必要がある．加熱試験におるため，それぞれの加熱区間について，試料へ間の加熱は試料を過剰に加熱していることにな

まず，加熱試験では試料の加熱温度と加熱時の熱影響を適正に評価する必要がある．

ける温度の時間変化モデルを図１に示す．ここ

試料の加熱時間（tb-ta）が十分に長い場合，では，加熱温度Ta，加熱時間（tb-ta）の加熱試

加熱温度の推移は図１(c)のようになる．この験を想定し，taは試料の加熱開始時刻，tbは試時，Ａ区間とＣ区間の加熱による影響が，Ｂ区料の加熱終了時刻，T₀は初期温度，Taは試料の間の加熱に比べて無視できるほど小さいので，加熱温度を示す．図１(a)は，理想的な加熱試験

図１(a)のような理想的な加熱試験に近くなのモデルを示したものである．実際には，試料る．逆に，試料の加熱時間が短い場合，図を加熱する炉（加熱炉）が加熱開始から加熱温１(d)で示されるようにＡ区間とＣ区間におけ度に到達するまでの昇温時と，加熱温度から初る加熱の影響が大きくなるため，試料への影響期温度に到達するまでの降温時に時間を要するが無視できなくなる．例えば，目的の温度に到ため，図１(b)のような温度推移で試料に熱を図１

加熱試験モデル(a)理想的な加熱試験、(b)現実的な加熱試験、(c)加熱時間が十分長い場合、(d)加熱時間が短すぎる場合
t0,実際の加熱開始時刻

t1,実際の加熱終了時刻

ta,理想的な加熱開始時刻

tb,理想的な加熱終了時刻

T0,初期温度

Ta,試料の加熱温度2達するまでの時間が，昇温時（Ａ区間）で３分

黒鉛炉は炉本体が黒鉛製（図２）で，使用時間，降温時（Ｃ区間）も３分間の能力を持つ加には両端に電極を接続する．この電極から電気熱炉を使って加熱試験を行うとすると，過剰にを流すことによって，黒鉛炉が抵抗体となって試料を加熱する区間（ＡおよびＣ区間）の合計発熱する仕組みになっている．電極に流す電流は６分間となる．１時間の加熱試験であれば，と黒鉛炉の温度は相関があるため，電流値を調単純計算で最大＋１０％の時間誤差になるが，整することによって黒鉛炉の温度を制御するこ

１分間の加熱試験では，昇温時と降温時の加熱とができる．加熱中は，試料が発熱体となって時間が試験時間の６倍にも及ぶことになるたいる黒鉛炉に直接接触し，空気のような媒体をめ，試料の実効的な加熱温度・時間の見積に対介さずに熱を伝えるため，熱伝導のロスが少なする誤差の影響が無視できない．

く，電気マッフル炉よりも速く試料を昇温・降

このように，短時間の加熱試験では，試料が温させることが可能である．今回用いた黒鉛炉

過剰に加熱される昇温時と降温時の加熱時間・の大きさの制限から，最大 5 mm径程度の試料温度を評価できる加熱装置をデザインする必要しか加熱することができないが，鉱物粒子のみがある．

を加熱するには十分の大きさである．加熱試料の制約としては，炉の加熱中は通電しているた

短時間加熱試験のデザイン

め，黒鉛より電気抵抗が小さい試料を加熱する（１）加熱炉の選定

英や長石類などの鉱物粒子であれば，問題なことはできない．しかし，電気抵抗が大きい石加熱装置は，加熱炉と温度計で構成される．

い．

通常の加熱試験では加熱炉として，電気マッフル炉が用いられる．これは，内部に設置され（２）温度計の選定たヒーター（電熱線）が炉内の空気を加熱し，電気マッフル炉を用いた加熱試験では，温度暖められた空気を通じて試料を加熱する仕組み

計として熱電対もしくは測温抵抗体が用いられになっている．このような雰囲気加熱は，熱媒ることが多い．これらの温度計は，センサーの体となる空気の熱伝導性が低いため，一旦雰囲気が擾乱されてしまうと，元の均質な炉内温度
図１ 加熱試験モデル

電気的性質（熱電対であれば起電力，測温抵抗

熱試験であれば無視できる程度の影響である特徴を利用し，測温対象となる試料（または雰体であれば電気抵抗）が温度に依存するという(a)理想的な加熱試験、(b)現実的な加熱試験、に戻りにくいという問題点がある．長時間の加(c)加熱時間が十分長い場合、(d)加熱時間が短すぎる場合
t0,実際の加熱開始時刻

t1,実際の加熱終了時刻

が，短時間加熱試験においては試料投入時に炉ta,理想的な加熱開始時刻 tb,理想的な加熱終了時刻

囲気）にセンサーを接触させて対象の温度を測を適切に評価しなければならない．

いられている金属材料の組み合わせによって異定する．温度センサーの特性は，センサーに用内温度分布が擾乱されてしまうため，その影響T0,初期温度 Ta,試料の加熱温度なるが，精密な温度校正が行われていれば，正確な温度測定が期待できる．しかし，接触式の温度センサーはセンサー本体が熱容量を持つことから，温度計の測定値が実温に到達するまで十分な時間が必要となる．そのため，短時間加熱試験では必要な温度情報が得られない可能性がある．また，測定試料の熱容量が温度センサー本体の持つ熱容量と比べて十分に大きくない場合，センサーの接触によって熱伝導による試料の温度低下を招いてしまうことにも注意が必要である．

図２ 黒鉛炉（キュベット）1

3

一方，放射温度計は測定対象物から放射され法によって，昇温時・降温時の加熱評価が異なる赤外線の強度を測定して対象の温度を計測する．図３は試料の投入方法によって，試料の温ることができる．赤外線の強度で温度を測定す度がどのように昇降するかを示したものであるため，応答時間が速くかつ非接触で物体の温る．炉内に試料を入れたまま加熱した場合，熱度測定をすることができる．それゆえ，接触式

容量が試料よりも加熱炉の方が十分に大きい場

温度計のようにセンサー本体の熱伝導による熱合，図３(a)のように加熱炉の昇温に合わせて拡散を起こさない．その反面，放射温度計を用試料も加熱される．一方で，加熱中の炉に試料いた温度の測定には，対象物の放射率を設定すを投入した場合，図３(b)のように加熱炉に接る必要がある．放射率は物体に依存し，黒体は触したことによる熱伝導によって試料が昇温す

放射率1，空気は放射率0とされ，全ての物質るため，熱伝導によるロス（図中のＢ−）が生は0〜1の放射率を持つ．例えば，金の放射率じる．いずれの場合も，加熱炉の特性や実現性は0.14，銀は0.07，銅は0.10，鉄は0.35を加味し，適切な方法を選択する必要がある．

な どの 値 を もつ こ と が 知 ら れて い る （ λ ＝0.65μm，株式会社チノー放射率表）．温度計（４）降温時の加熱評価

使用前には，温度校正を行って正確な放射率を同様に，図４は試料の回収方法によって，試設定しておく必要がある．また，加熱試験に黒料の温度がどのように降温するかを示したもの

鉛炉を使う場合には，金属製センサーを電流のである．炉内に試料を入れたまま降温した場

流れた炉に接触させることができないため，温合，熱容量が鉱物試料より加熱炉の方が大きい

度測定には放射温度計を用いるのが適切であため，図４(a)のように加熱炉の降温に合わせる．て試料も冷却される．一方で，加熱中の炉から試料を直接回収した場合，加熱炉の状態は無視（３）昇温時の加熱評価できるので，図４(b)のように鉱物試料の熱拡

鉱物試料を加熱する際，炉内の投入・回収方散だけで冷却される．昇温時と同様，いずれの図３ 昇温時の試料の温度(a) 炉内に試料を入れたまま加熱した場合、(b)加熱中の炉に試料を投入した場合

4

図３ 昇温時の試料の温度(a) 炉内に試料を入れたまま加熱した場合、(b)加熱中の炉に試料を投入した場合

図４ 降温時の試料の温度(a) 炉内に試料を入れたまま冷却した場合、(b)加熱中の炉から試料を回収した場合
場合も，加熱炉の特性や実現性を加味し，適切な方法を選択する必要がある．
短時間加熱試験（2003年試験モデル）（１）装置概要

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短時間加熱試験の加熱炉として，セイコー電子工業株式会社（現セイコーインスツルメンツ株式会社）製フレームレス原子吸光分光分析装
置SAS7500の黒鉛炉を用いた（図５）．本来は無機元素の定量分析を行うための装置であるが，短時間加熱試験のための加熱プログラムを図５作成し，鉱物粒子の加熱試験を行った．温度計は放射温度計を用いた．なお，ジルコンFTア

原子吸光分光分析装置 SAS7500入する．試料の投入には，先端が球状になってニ ー リ ング 特 性 評 価 を 想 定 して 行 っ たいる特殊なピンセットを用いて，一定量の試料

Murakami et al.(2006)では，この装置が用いが同時に炉内に落ちるようにする． (c) 加熱開られた．

始から一定時間経過した後，黒鉛炉を停止し，降温させる．(d) 冷却後，試料を炉から回収す（２）試験手順る．

黒鉛炉を使った加熱試験手順を図６に示す．

加熱温度と加熱時間の条件を設定し，加熱プロ（３）加熱温度・時間の評価

グラムを作成する．(a) 放射温度計を黒鉛炉の鉱物試料の加熱試験後に，加熱温度と加熱時鉛直上に設置し，黒鉛炉の温度を監視する．黒

間の記録の読み取りに基づいて評価を行う．

鉛炉を起動し，昇温させる．(b) 設定温度に到（a）加熱温度の評価達したのを確認した後，上部から鉱物試料を投54図６ 黒鉛炉を使った加熱試験手順

図７

試料投入時刻の評価

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鉱物試料の加熱温度は，黒鉛炉の鉛直上に設た赤外線強度の時系列変化を見たものである．

置した放射温度計を用いて計測する．加熱中の試料投下時には，赤外線強度にノイズが発生急激な温度変化がないことを確認する．

し，その時刻は15時59分51.250秒と計測され（b）加熱時間の評価る．一方で，黒鉛炉の降温開始時は赤外線強度

鉱物試料の加熱時間は，加熱開始時刻と加熱が下がるので，その時刻を計測すると16時1分終了時刻を計測して評価する．黒鉛炉の横に設32.375秒となる．その差分は，101.1秒と求め置したもう一台の放射温度計を使い，試料が炉られ，鉱物試料の加熱時間を読み取ることがで内に投下された際に，鉱物粒子が黒鉛炉表面をきる．

遮ることによる（見かけ放射率の変化に伴う）
赤外線強度の変化から投下時刻を読み取り，加（４）課題熱開始時刻とする（図７）．また，同じ放射温2003年型の加熱試験では，以下の課題が挙

度計から黒鉛炉の降温開始時刻を読み取り，加がった．

熱終了時刻とする．一連の計測を１台の放射温(a) 装置の構造上の問題度計で行うため，時刻補正の必要が無く，正確

本加熱試験では，黒鉛炉と装置の構造上の問な加熱時間を求めることができる．加熱時間を題から，試料の投入と温度計測を同時に行うこ評価した一例として図８を示す（Murakamiとが難しい．温度計測は試料投入口と共有してet.al., 2006）．図は，鉱物試料（ジルコン）いるため，試料の投入作業が温度計測の邪魔にを100秒間加熱した際に放射温度計で測定され

図８2003 年型加熱試験なりやすい．また，たとえ温度計測の邪魔にな

加熱時間の評価（Murakami et al., 2006）7

らず試料を投入できたとしても，温度計測点に異物が入ると見かけの放射率が変わってしまう
ことで，正確な温度が計測できない恐れがある．以上の理由から，１試験に投入する試料の分量を少なくして加熱試験を行っている．試料の分量を増やすには，工夫が必要である．
(b) 温度安定性の問題
黒鉛炉は繰り返し試験によって炉本体が酸化

図９

偏光ゼーマン原子吸光光度計 ZA3700（株式会社日立ハイテクサイエンスカタログより）
図９ 偏光ゼーマン原子吸光光度計 ZA3700

し，痩せていくことから，同じ設定条件で加熱（株式会社日立ハイテクサイエンスカタログより）を行って同じ温度に到達しないという温度再現性の問題点がある．そのため，事前に加熱性能試験を行って，装置の特性を調べておく必要がある．
短時間加熱試験 (2018年試験モデル: 現行型)
（１）装置概要

現行型の短時間加熱試験は，黒鉛炉として株

図１０式会社日立ハイテクサイエンス製偏光ゼーマン

２孔型黒鉛炉

原子吸光光度計 ZA3700（図９）を用いた．
先代機同様，無機元素の定量分析を行うための

図１０

装置である．短時間加熱試験のための加熱プロ

２孔型黒鉛炉7

後，試料を炉から回収する．

グラムを作成し，鉱物粒子の加熱試験を行った．温度計には放射温度計を用いた．
2003年試験モデルで使用した黒鉛炉はサン（３）加熱温度・時間の評価

プリング孔が１孔であったが，本装置はサンプ（a）加熱温度の評価

リング孔が２孔の黒鉛炉（図１０）が利用でき

7
試料の加熱温度は，黒鉛炉の鉛直上に設置しるため，本試験では，この２孔型黒鉛炉を採用た放射温度計を用いて評価する．加熱中の急激し，片孔を温度計測用，もう片孔をサンプリンな温度変化がないことを確認する．

グ用として加熱試験を行った．

（b）加熱時間の評価
鉱物試料の加熱時間は，加熱開始時刻と加熱（２）試験手順終了時刻を計測して評価する．試料が炉内に投に示す．加熱温度と加熱時間を決め，加熱プロの変化時刻を下された際に炉温度が微小に変化するため，そ２孔型黒鉛炉を使った加熱試験手順を図１１

グラムを作成する．(a) 放射温度計を黒鉛炉に放射温度計で読み取り，加熱開始時刻とすある片方の孔の鉛直上に設置し，黒鉛炉の温度る．また，黒鉛炉の降温開始時刻を読み取り，を監視する．黒鉛炉を起動し，昇温させる．

加熱終了時刻とする．現行型では，放射温度計(b) 設定の温度に到達したのを確認した後，もの 測 定 頻 度 を 上 げ， 5 0 H z （ 2 0 0 3 年 型 はう片方の孔の上部から試料を投入する．試料の8 Hz）で監視できるため，加熱時間の読み取投入には，SUS管などを用いて炉内に落ちるより分解能が向上した．加熱時間を評価した一例

うにする．(c) 加熱開始から一定時間経過したを図１２に示す．図は，鉱物試料（石英）を後，黒鉛炉を停止し，降温させる．(d) 冷却

2 秒間加熱した際に放射温度計で測定された赤8

図１１ ２孔型黒鉛炉を使った加熱試験手順8
図１２ 現行型加熱試験
加熱時間の評価9外線強度の時系列変化を見たものである．試料

謝辞

投下時には，赤外線強度が上がり，その時刻は本原稿を執筆するにあたり，匿名査読者より20.22秒と計測される．一方で，黒鉛炉の降温多大な助言を賜りました．厚く感謝を申し上げ

開始時は赤外線強度が下がるので，その時刻をます．また，今回著者が実施した短時間加熱試計測すると22.40秒となる．その差分2.18秒

験では，防災科学技術研究所雪氷防災研究センが，鉱物試料の加熱時間と読み取ることができ

ターおよび京都大学大学院理学研究科地球惑星る．

科学専攻地質学鉱物学教室にて，施設使用の協力をいただきました．厚く御礼を申し上げ，感（４）課題謝する次第です．に試料を投入するため，試料の加熱は瞬間的と引用文献

現行型の加熱試験では，十分加熱された炉内いえる．その一方で，降温時については，試料

田中明子・山野誠・矢野雄策・笹田政克

は炉内で自然冷却されるため，炉本体の降温特（2004a）：日本列島及びその周辺域の地性に依存する．加熱した炉から試料を瞬間的に温勾配及び地殻熱流量データベース，数値取り出せるような工夫が必要である．

地質図DGM P-5，産業技術総合研究所地質調査総合センター．
田中明子・山野まとめ

誠・矢野雄策・笹田政克（2004b）：日本列島及びその周辺域の地本論のまとめを以下に示す．

温勾配及び地殻熱流量データベース，地質１．断層運動のような瞬間的に発熱する地質現ニュース，603号，42-45.

象を解釈するためには，数秒〜数分の短金沢淳・富山眞吾・及川輝樹・梅田浩司

時間領域で扱える地質温度計が必要とな（2005）：地質温度計による熱履歴の調る．短時間加熱試験は，瞬間的な熱の発査 手 法 に つ い て ， サイ ク ル 機 構 技 報 ，生を鉱物試料スケールで再現するため，No.26，1-18.

地質温度計の短時間領域における特性評

株式会社チノー，放射率表価に活用することができる．

h t t p s : / / w w w. c h i n o . c o . j p / s u p p o r t /２．鉱物試料の加熱試験は，試料の加熱温度とtechnique/thermometers̲index/

加熱時間を正確な記録と補正に基づいてhousyaritsu/評価できることが最も重要である．

Masaki Murakami, Ryuji Yamada and３．黒鉛炉と放射温度計を用いてデザインした

Takahiro Tagami (2006): Short-term

試験機で短時間加熱試験を行った．そのannealing characteristics of spontaneous

結果，加熱炉の温度，加熱開始時刻，加ﬁssion tracks in zircon: A qualitative

熱終了時刻を計測記録に基づいて，鉱物試

description, Chemical Geology, Volume

料の加熱温度と加熱時間を評価すること

227, Issues 3‒4, 214-222.

ができた．

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