How pore size distribution affects fracture-enhanced permeability in lava domes
X線マイクロトモグラフィーおよび格子ボルツマン法を用いた雲仙岳デイサイトの解析による本研究は、亀裂の数密度が主に空隙の連結性を制御する一方で、溶岩ドームにおける浸透率には亀裂の幅が支配的な要因であり、かつ両方の指標が初期の空隙サイズ分布によって著しく調整されることを示している。
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火山ドームは、遠くから見ると滑らかで丸みを帯びた丘のように見えることが多いが、実際にはそうではない。噴火口の上に積み重なった、粘り気があり動きの遅い溶岩によって形成されるこれらの構造物は、常にストレスにさらされている。熱い岩石が冷却・収縮する際、あるいは閉じ込められたガスによる圧力が上昇する際、固まった地殻に亀裂が生じる。これらの亀裂は単なる表面的なものではない。これらはガスが脱出するための主要な高速道路である。もしガスが、孔（あな）や割れ目の連なったネットワークを通じて外へ出る道を見つけられなければ、圧力が上昇して岩石が粉砕し、爆発的な噴火を引き起こす可能性がある。これらの隠れた経路がどのように形成され、どのように連結するかを理解することは、ドームが静かに成長するのか、あるいは激しく崩壊するのかを予測する上で不可 Zeit essential（不可欠）である。鍵となるのは、岩石の内部構造、すなわち、微細な穴のサイズと配置、そしてそれらの穴を割れ目がどのように繋いでいくかにある。
ドイツ、イギリス、そして日本の研究チームは、この隠された世界をマッピングするために、火山岩の一片を詳細に調査した。彼らは、1990年代の日本の雲仙岳の噴火から採取された、デイサイト（一種の火山岩）のサンプルを研究した。この特定の岩石は、溶岩ドームの核となることが多い、結晶に富んだ緻密な物質であるブロック状の堆積物から採取されたものである。研究者たちは高解像度のX線イメージングを用い、岩石の内部の三次元デジタルモデルを作成し、孔の複雑な景観を明らかにした。これらの孔は、微細なミクロレベルの空隙から、ミリメートル単位の大きな気泡まで多岐にわたる。その後、研究者たちはコンピュータ・シミュレーションを用いて、破砕のプロセスを模倣した。物理的に岩石を壊す代わりに、デジタル上で3Dモデルに亀裂を導入し、それによって亀裂がどのように広がり、既存の穴を繋いでいくかを観察した。彼らは2つの異なる初期条件をテストした。一つは、岩石に微細な孔と大きな孔の両方が含まれている状態であり、もう一つは、微細な孔を取り除いて大きな孔のみを残し、それが結果にどのような変化をもたらすかを見るための状態である。
結果は、割れ目が岩石を連結させる方法は、それらが繋ごうとする孔のサイズに大きく依存することを明らかにした。岩石に大小両方の孔が含まれている場合、割れ目はすべてを連結させるためにより多くの労力を必要とした。微細な孔は孤立した島のように機能し、その隙間を埋めるために高い密度の亀裂を必要とした。しかし、研究者が大きな孔のみを持つ岩石をシミュレートしたところ、割れ目はより効率的にネットワークを連結させた。これらのシミュレーションにおいて、ネットワークを繋ぐために最も重要な要因は、亀裂の数であった。亀裂が十分に多くなり、孔を繋ぐようになると、岩石は浸透性を持つ、つまりガスが流れることが可能になる。しかし、実際にガスがどの程度の速さで移動できるかは、それらの割れ目の幅が最も重要であった。亀裂の幅がわずかに増加するだけで、浸透性は劇的に跳ね上がり、ガスがより急速に脱出することを可能にした。
また、この研究は、破砕が始まると、岩石の初期の連結性が驚くほど小さな役割しか果たさないことも示した。たとえ岩石が非常に少ない連結経路から始まったとしても、割れ目の導入によって、高度に連結されたネットワークが迅速に形成された。これは、実際の火山ドームにおいて、割れが生じるという行為が、圧力が蓄積している密閉された岩石を、ガスを排出できる浸透性のシステムへと急速に変容させ得ることを示唆している。研究者たちがデジタルで作成した割れ目を持つサンプルの浸透性は、雲仙岳の天然の岩石で見られる範囲内に収まっていたが、シミュレーションの結果が時として、より高い流動率を示すこともあった。この違いは、おそらくデジタル上の割れ目が理想化されており、ガスの流れを遅らせる実物の割れ目特有の、粗くギザギザした表面を欠いていることに起因する。それにもかかわらず、このモデルは、岩石のテクスチャがガスの脱出をどのように制御するかという根本的な挙動をうまく捉えていた。
これらの知見は、なぜ一部の溶岩ドームが他のドームとは異なる挙動を示すのかについて、より明確な全体像を提供している。孔のサイズと割れ目の密度の相互作用が、ドームがガスを穏やかに放出するのか、あるいは爆発するまで保持し続けるのかを決定するのである。もしドームが結晶に富み、特定の孔のサイズ分布を持っている場合、浸透性を持つために一定量の破砕を必要とする可能性がある。一度その閾値を超えると、岩石がガスを逃がす能力は劇的に変化する。この理解は、科学者が火山ドームの安定性を評価する助けとなる。岩石の内部テクスチャが、その破砕能力とガス排出能力にどのように影響するかを知ることで、研究者はドームが崩壊する条件、すなわち、緩やかな崩壊か、あるいは突発的で危険な噴火かをより良く予測することができる。この研究は、火山体の安全性は、内部の圧力だけでなく、岩石自体の微細でミクロな幾何学的構造にかかっているということを強調している。
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