共同研究報告書
| 研究区分 | 一般研究 |
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研究課題 |
氷天体のテクトニクスと衝突地形に関する研究 |
| 新規・継続の別 | 継続（平成17年度から） |
| 研究代表者／所属 | 名古屋大学大学院環境学研究科 |
| 研究代表者／職名 | 准教授 |
| 研究代表者／氏名 | 荒川政彦 |
| 研究分担者／氏名／所属／職名 | |||
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氏 名
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所 属
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職 名
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1 |
保井みなみ | 名古屋大学大学院環境学研究科 | 博士課程前期2年 |
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2 |
小島知高 | 名古屋大学大学院環境学研究科 | 博士課程前期2年 |
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3 |
岡本千里 | 名古屋大学大学院環境学研究科 | 博士課程後期3年 |
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4 |
山本哲生 | 北大低温研 | |
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5 |
香内晃 | 北大低温研 | |
| 研究目的 | 太陽系に分布している氷はほとんどがダストや岩石と混ざった状態で存在する。そこで、火星氷 河・氷床の流動過程や氷衛星のテクトニクスを知る上で、氷と固体粒子の混合物の力学特性を知ることが非常に重要となる。また、実際に含まれる固体粒子濃度は非常に幅広いと予測される。さらに、実際の火星表面や氷衛星表層の温度は極低温下にある。そこで固体粒子が及ぼすこれらの天体表面上の氷地形への影響を明らかにするには、幅広い固体粒子濃度における力学特性、特に流動則とそれに対する温度依存性を知る必要がある。 |
| 研究内容・成果 | 本研究では、温度を-10 ℃か ら-25 ℃まで変化させて氷・固体粒子混合物の変形実験を行い、各温度における流動則に対する固体粒子の濃度依存性を調べた。実験試料は氷粒子と球形のシリカビーズ（直径 1 ミクロン）を混ぜて作成した。また異なる内部構造を持つ 試料を作成するため、2つの方法で作成した。一方は、氷粒子・ビーズの混合物を約 50MPaで圧縮焼結させた圧密試料 (以下、試料を p.s.s. とする）作成法で、もう一方は、氷粒子・ビーズの混合物に水を加えて押し固める凍結試料（以下、 試料を f.s. とする）作成法である。含有率は p.s.s. は 30， 50wt.%、f.s. は 30， 50， 80wt.%とした。f.s. の 50 と 80wt.%はビー ズの懸濁液を凍結させて作成した。試料は全て円筒形で、作成後-10 ℃の低温室で 1 晩以上冷凍した。実験は北大・低温研 に設置された変形試験機を用いて行った。試験は等歪速度一軸圧縮実験で、歪速度範囲は 8.6x10^-7 s^-1 から 9.7x10^-4 s^-1 とした。温度は-10、-15、-20、-25 ℃の4種類とした。 結果：流動則は、各試料で得られる応力-歪み曲線上の最大応力と与えた歪速度の関係式（de/dt =A0 exp(-Q/RT)s^n; de/dtは歪速度、sは最大応力、Qは活性化エネルギー、Rは気体定数、Tは絶対温度、A0 とnは流動則パラメータ）として求めた。結果、同じ含有率・内部構造の試料ならば、温度が変化してもベキnが変化しないことが分かった。さらに今 回、-20 ℃や-25 ℃になると 50wt.%と 80wt.%の f.s. に限って変形形態が塑性変形から脆性破壊に変化することが分かった（図1)。そこで Arakawa and Maeno(1997) の純氷の結果と比べると、f.s. の脆性破壊は同じ歪速度で見たときにより高温で起 こっている。このことから、脆性破壊へとつながる試料内のクラックの成長が、純氷に比べ f.s. の方が起こりやすいとい うことが分かる。一方 p.s.s. は氷粒子の粒界にビーズが均等に分布するため、クラックが氷粒子内で成長して粒界にぶつかるとそれ以上クラックが成長できないために脆性破壊を起こしにくいと思われる。最後に、混合氷の活性化エネルギー Qを求めた（図2)。f.s. の 50wt.%と 80wt.%は低温下で脆性破壊を起こしたため、今回はそれ以外の試料について求めた。また nは上記の結果から温度依存性がないことが分かったため、各温度で平均した値を用いた。その結果、混合氷の活性化エ ネルギーは約 130kJ/mol となった。これは-8 ℃以上の純氷の活性化エネルギー 120kJ/mol(Barnes et al.， 1971)に近い値 である。この先行研究から-8 ℃以上の純氷の変形は粒界滑りによって支配されることが分かっている。従って、混合氷 はビーズが粒界に存在するため-10 ℃以下においても氷粒子の粒界滑りが変形を支配するのかもしれない。 |
| 成果となる論文・学会発表等 |
Yasui， M. and Arakawa， M.， Mechanical strength and flow properties of ice-silicate mixture depending on the silicate contents and the silicate particle sizes， in Physics and Chemistry of Ice (Royal Society of Chemistry， Cambridge， England)， 649-657， 2007. Yasui， M. and Arakawa， M.， Mechanical strength and flow properties of ice-silicate mixture depending on the silica contents and the silicate particle sizes， Proc. of the 39th ISAS Lunar Planetary Symp.， 194-197， 2007. 保井みなみ、荒川政彦，氷・シリカ粒子混合物の変形実験：流動則に対するシリカ粒子の効果と火星のlobate debris apron地形への流動モデルの適用，日本地球惑星科学連合2007年大会，2007年5月，幕張 Yasui， M. and Arakawa， M.， “ Effects of silica particles on the flow law of H2O ice: implication for lobate debris aprons on Mars”， IUGG XXIV， Perugia， Italy， (July， 2007) 保井みなみ、荒川政彦、高濃度粒子混合氷の粘性率とその氷天体流動地形への応用、日本惑星科学会2007年秋季講演会、2007年9月，高知 |