円筒状導管内で気泡化するマグマのせん断促進動的透水性の発展

溶岩中の気泡が重要な理由

火山噴火は溶けた岩石中に閉じ込められたガスによって駆動されます。火山が穏やかに溶岩を流すか、あるいは灰を高く吹き上げるかは、ガスがどれだけ容易に抜け出せるかに大きく左右されます。本研究は、粘性が高くガスを多く含むマグマ中の気泡がどのように互いに、そして外部と繋がっていき、ガスを閉じ込めるスポンジ状の岩石がどのように漏れやすいフォームに変わるかを調べます。この変化を理解することで、なぜある噴火が爆発的で、別の噴火が比較的静穏であるかが説明されます。

岩のパイプ内を上昇する気泡

火山内部では、マグマはしばしば直径が数メートルに達するような概ね円筒形の導管―岩のパイプ―を上昇します。圧力が低下すると、溶けていた水やその他の気体が溶液から出て気泡を形成します。これらの気泡が十分に接触してつながると、ガスはマグマを通して浸透（ペルコレーション）し、逃げ出せるようになります。以前の研究では、そのような経路が形成されるにはマグマ体積の非常に高い割合、しばしば半分以上が気泡である必要があるとされてきました。しかし多くの推定は、導管壁に沿って擦れることでマグマが強くせん断（引き伸ばされること）される影響を無視していました。著者らは、実際の流紋岩質オブシディアン（天然の火山ガラス）を用いて実験室でこの状況を再現し、せん断がガスが自由に流れるようになる閾値をどのように変えるかを調べました。

ミニチュアの実験室火山

研究チームはオブシディアンの小さな円筒コアを採取し、気泡が成長し始めるまで加熱しました。一連の実験では、試料が周囲に強く押し付けられない場合を模して自由に膨張させました。別の一連では、各ガラス円柱をやや内径の大きい厚手の玄武岩管の内側に収め、気泡だらけのマグマが側方に広がって管に接触し、その後主に上方へ膨張するようにしました。試料と管の間の隙間の大きさを変えることで、せん断がいつ始まりどの程度強くなるかを制御しました。加熱と保持の期間を通して、彼らは試料の膨張量、形成された気泡の数、それらの気泡の形状変化、そして結果として生じたネットワークを通してガスがどれだけ移動しやすいかを追跡しました。

気泡を引き伸ばすことが逃げ道を開く仕組み

実験は、静的なマグマとせん断を受けたマグマの間に明確な差を示しました。試料が自由に膨張すると、気泡はほぼ球形を保ち、気泡含有率が非常に高くても―体積の約3/4程度に達しても―マグマは実質的に気密で極めて低い透水性を維持しました。しかし、拘束によりせん断が導入されると状況は変わりました。周縁部では気泡が速やかに流れに沿って細長く引き伸ばされ、隣接気泡が接触して融合し始めました。中程度のせん断を受けた試料では、泡だらけのマグマが容器壁に触れた時点で、気泡分率約60〜70％付近ですでに顕著なガス経路が現れました。最も強いせん断の場合には、非常に低い気泡含有率、時には20％未満でも連結が確立しましたが、これらの初期経路は全体としての透水性は低めでした。

ガスの増加と喪失の動的な均衡

せん断を受けた試料の透水性は単に気泡総量とともに上昇するわけではありませんでした。むしろ、実際に連結している空隙のどの部分が寄与しているか、および気泡同士をつなぐ細い喉（ソールト）の大きさと形状に依存していました。経路が形成されると、ガスは試料を覆う濃密な外側の“皮層”が裂けた領域を通って逃げ始めました。著者らは測定値を気泡成長モデルと組み合わせて、高温下での体積透水性が時間とともにどのように変化したかを再構築しました。穏やかに拘束されたケースでは、せん断により誘発された連結によってガスの逃げが気泡成長とほぼ均衡し、過渡的な自己調節的状態が生じました。強く拘束されたケースでは、連結が達成された後も気泡成長は続きましたが速度は遅く、気泡がつながったからといって粘性の高いマグマからガスが瞬時に完全に排出されるわけではないことを示しました。

この結果が現実の噴火に示すこと

自然の火山導管に対して、この結果は穏やかなせん断でさえガスが浸透するのに必要な気泡含有率を劇的に低下させうること、そして一度接続が形成されると気泡が後により球形に戻ってもその接続が維持されうることを示唆します。ただし、効果的な脱気には周囲の岩盤まで連続した経路と、それを駆動する圧力差も必要です。したがって、珪長質噴火における爆発的挙動から溶岩流出的挙動への移行は、単に気泡がどれだけ存在するかだけでなく、導管内でマグマがどのように圧搾・引き伸ばされるか、そしてそのガス経路が広い火山の配管系にどのようにつながっているかによって決まります。

引用: Birnbaum, J., Schauroth, J., Weaver, J. et al. Shear-enhanced dynamic permeability development of magma vesiculating in cylindrical conduits. Sci Rep 16, 9838 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43344-8

キーワード: マグマ透水性, 火山の脱気, 気泡ネットワーク, 噴火様式, 流紋岩質マグマ