火山が爆発するかどうか、またどのように爆発するかは、上昇するマグマ内で水蒸気と二酸化炭素の気泡がどのように、そしていつ形成されるかによって決まる。
このプロセスはシャンパンのボトルに例えることができる。ボトルが閉じられ加圧されている状態（マグマ溜まり内の溶岩のような状態）では、二酸化炭素は溶液中に留まる。コルクが取り除かれると、圧力が低下し二酸化炭素が気泡を形成する。これらの気泡は液体を上方に引き上げ、泡を形成し、ボトルから爆発的に噴出させる原因となる。
これまでは、火山噴火を引き起こすガス気泡は、主にマグマが上昇する際に周囲の圧力が低下することで形成されると考えられていた。しかし、この説明は不完全であり、一部の火山の噴火スタイルを説明できない。
今回、ETHチューリッヒの科学者を含む国際研究チームが、マグマの動きをシミュレーションし、地表への噴火メカニズムについて新たな説明を提供した。
研究者たちは、上昇するマグマ内でのガス気泡の形成が、圧力低下だけでなく、溶岩内のせん断力によっても生じることを示した。
火山内部で起こることをシミュレーションするため、研究者たちは溶岩の物理的特性に似た粘性ポリマーを用い、それに二酸化炭素ガスを飽和させた。そして、この溶岩のような液体が動き出すとどうなるかを観察した。
研究者たちの実験によると、気泡は主に導管の縁に沿って形成され、そこでは液体が導管壁に沿って引きずられる。この摩擦がせん断運動を生み出し、粘性物質を変形させ、気泡の核形成を促進する。
「私たちの実験では、せん断力によるマグマ内の動きが、圧力低下がなくても気泡を形成するのに十分であることが示されました」とETHチューリッヒの火山学・マグマ岩石学教授であり、共著者の一人であるオリビエ・バッハマン氏は説明する。
新たな発見によると、ガス含有量が低く爆発的でないように見えるマグマでも、上昇するマグマ内のせん断力によって多数の気泡が形成されれば、強力な爆発につながる可能性がある。
逆に、せん断力はガス含有量が多く潜在的に爆発的なマグマにおいても、早い段階で気泡の発達と結合を引き起こし、マグマ内に「脱ガスチャネル」を形成してガス圧を下げることがある。
「したがって、ガス含有量が高いにもかかわらず、一部の粘性マグマが爆発せずに穏やかに流出する理由を説明できます。これは長い間私たちを悩ませてきた謎でした」とバッハマン氏は述べている。
このモデルの実例として、1980年のセントヘレンズ山の噴火がある。マグマはガス含有量が多く潜在的に爆発的であったにもかかわらず、噴火は火山内部での非常に遅い溶岩の貫入から始まり、数カ月かけて山をゆっくりと変形させた。マグマに作用する強いせん断力が追加のガス気泡を生成し、初期段階ではガスの放出を可能にし、地表で測定された高いガスレベルを説明している。地滑りが火山の火道をさらに開き、急激な圧力低下が起こった時に初めて火山は爆発した。
「火山の危険性をより正確に予測するためには、火山モデルを更新し、火道内のせん断力を考慮に入れる必要があります」とバッハマン氏は結論づけている。
研究論文「マグマにおけるせん断誘起気泡核形成」はScience誌に掲載され、オンラインで閲覧可能である。
追加資料とインタビューはETHチューリッヒから提供された。
