挑战研究引发火山爆发的机制!
采访了研究生院综合科学研究科环境自然科学讲座 並木敦子(Namiki Atsuko)副教授
(采访: 宣传小组 2016.7.13)
序言
並木敦子副教授的研究领域是地球科学,主要研究对象是火山。通过使用岩浆模拟物(糖浆)进行震动实验,首次发现有可能引发火山喷发的冲激的发生可能性(※)。根据实验结果,找到了岩浆中的气泡破裂的条件。以富士山宝永喷发为例,定量估算了宝永地震引发火山喷发的可能性。这项研究成果于2016年6月发表在荷兰科学杂志《Elsevier》上。
※冲激:当震动注入液体的容器时,容器内的液体会激烈晃动的现象。
期待这个发现能找到大地震引发火山爆发的机制。我就现在的研究内容和今后打算采访了並木老师。
研究课题是固体地球物理学
固体地球物理学是指研究地球内部结构和变化,以及因此引发的现象的领域。研究对象面很宽,不仅有地球的内部结构,还包括地震、火山和板块构造等。並木老师的专业是固体地球物理学,专门研究火山。
老师说,“我的专业领域用物理语言来说,是“流体力学”。听到“流体”,大家也许会想到水和空气。其实许多搞流体力学专业的物理学者,确实是研究液体和气体的,所以,我的研究领域有点特别”。据说在流体力学领域,以粘性很高的固体地球为研究对象的研究人员非常少。
使用糖浆模拟岩浆的实验
老师说,2000年发生的有珠山和三宅岛火山爆发,引起了她对火山研究的兴趣。老师是如何研究火山的呢?她的方法非常独特。她使用常见的糖浆和粘土,对“岩浆如何流动?”,“如何变成火山灰?”等进行试验。老师说,“糖浆的流动与岩浆的流动相似,还有一点是糖浆比较容易调节粘度”。说到“岩浆”,有的像玄武岩质岩浆那样比较稀,而有的像流纹岩质岩浆那样比较稠。岩浆的粘度因岩浆性质而不同,因此需要改变水的分量,调节粘度。
要理解岩浆上升机制,不仅要了解糖浆的流动,还与“硬度”有关。用粘滞系数测定仪夹住糖浆,从上方加以拧力,测量糖浆的硬度。老师说,“用这个装置测量拧力需要的力量的大小和拧入的量。软的东西,用较小的力就能拧入很多。相反,硬的东西,用较大的力也拧不动”。
通过实验、测量和分析,研究火山喷发“为什么会发生?”,“如何发生?”,力图发现火山喷发的机制。
老师拿着用于实验的糖浆
在岩浆库会发生冲激吗!?
冲激是指当震动注入液体的容器时,容器内的液体会激烈晃动的现象。据说老师是碰巧看到电视播放的新闻,才把冲激和火山联系起来的。老师说,“我看到了储油罐破裂的新闻报道。报道说,地震后,储油罐内发生了冲激,石油泄漏,罐盖也坏了。我突发奇想,在火山下的岩浆库是不是也会发生冲激呢?”
如果液体上方没有缝隙,则冲激就不会发生。以前,一般认为,岩浆库在地下深处,因此岩浆充满空间,没有缝隙。尽管这样,那为什么老师会想到也许在岩浆库也会发生冲激呢?老师说,“以前我研究过火山爆发前,岩浆内的气泡是如何破裂的课题。根据这项研究的经验,我认为‘岩浆库上方如有气泡,当气泡破裂,就会产生缝隙’”。并且假定“摇晃后气泡将破裂”,然后把糖浆当作岩浆进行震动实验,非常完美地证明了这个假定的正确性。在震动实验中,确认了即使容器上方没有缝隙,但因为震动,气泡就会消失,就会产生缝隙,这样就会发生冲激。老师说,这是世界上首次证实了在岩浆库发生冲激的可能性。
通过震动实验确认冲激
地震与火山关系的研究前进了一步
一般认为,引发火山爆发的可能性有多种,在岩浆库产生气泡,或温度不同的岩浆混合在一起,都有可能引发火山爆发。
震动实验的结果,确认了震动会使气泡破裂。如果这发生在岩浆库内将会怎样?不仅有发生冲激的可能性,还预测会产生气泡。这是因为气泡破裂后,气体被释放,因此岩浆库的压力下降,溶于岩浆的气体气化。另外,使用糖浆的震动实验,还确认到了由于冲激,粘度不同的糖浆会混合的现象。这能说明冲激使火山容易爆发。
老师首次验证了震动引起火山爆发的可能性,找到了研究地震与火山爆发关系的有力线索。
自制实验设备,挑战难题!
由于专业研究固体地球物理学的研究人员本来就很少,而且像老师那样,采用实验方式进行研究的研究人员就更少了,老师说,“没有现存的实验方法和步骤”,很辛苦。老师苦笑道,“由于没有现存的实验装置,大多都要自行制作。由于装置是手工制作的,所以在实验当中,有时会发生故障,实验很难顺利进行”。但是,老师微笑道,“因此,实验成功时,或得到了正确的实验数据时,非常高兴,感到很有成就感”。老师还说,“如果得到预料的实验数据,当然很高兴。即使得到的数据与预料的不同,也会有新的收获,这很有意思”,这番话道出了研究的乐趣。
测量喷发的温度和压力的实验装置
老师说明糖浆的硬度的测量方法
重视“人与人之间的合作”
老师说,“研究不是靠一个人的力量,而是有了周围人们的帮助才能成功”。据说实验装置除了自制,有许多是请校内手工制作广场制作的。老师谈到了研究人员之间合作的重要性。她说,“冲激的震动实验,没有德国GFZ Potsdam的研究人员Eleanor・Ribalta先生的合作是无法实现的。并且还与加利福尼亚大学伯克利分校联合研究智利塔提奥间歇泉。这项研究多亏有加州大学的研究人员负责与当地人联系,安排相关事宜,我们才得以能到现场观测。在国内也是在其他研究人员的合作之下,共同推动研究”。
今后的打算
火山爆发的机制还有许多没搞明白。因此,老师说,“今后还是想继续搞能为喷发预测做贡献的基础物理研究”。她热切地说道“我想测量岩浆的流动和上升机制,建立理论,更进一步搞清喷发发生的条件。还想了解喷发的基本机制,搞清为什么会发生喷发”。
这个夏天,据说老师将再次去德国的研究机构GFZ Potsdam,实验岩浆是如何上升的。另外还挑战从来没人尝试过的测量火成岩的硬度,在喷气孔内的摄影等。
除了火山以外,据说並木老师还与本校理学研究科的片山郁夫老师联合研究地震。老师微笑地说,“虽然我既要上课,又要有充分的时间搞研究并不是一件容易的事,但是现在和志同道合的朋友们愉快地进行研究”。“我喜欢物理,想用物理来说明地球上发生的现象”,老师的研究挑战还将继续下去。
老师介绍今后的研究打算
后记
並木老师的座右铭就是“做与别人不一样的事”。我被老师的做谁也没做过的实验的挑战精神和行动力感动了。实际接触各种不同的火成岩,看到糖浆的流动,以及参观了充满创意的自制的实验装置,我彻底迷上了火山研究。日本是地震多发国家,也有许多火山爆发。地震与火山的关联性至今知之甚少,我感受到了研究的必要性和重要性。非常期待老师的研究得到进展,搞清火山与地震的机制!(F)