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寅丸 敦志(とらまる あつし) データ更新日:2018.02.07

教授 /  理学研究院 地球惑星科学部門 固体地球惑星科学


主な研究テーマ
地質学と物質科学による巨大噴火の長期予測
キーワード:火山噴火 長期予測
2016.09~2026.09.
柱状節理の研究
キーワード:柱状節理
2000.03~2026.03.
結晶サイズ分布の逆問題
キーワード:火山噴火,噴火様式,マイクロライト、結晶化カイネティックス
2009.04~2026.04.
噴火様式遷移の支配要因の研究
キーワード:火山噴火,噴火様式,マグマの発泡,マグマだまりの構造
2009.04~2026.04.
アナログ実験による火山噴火現象の解明
キーワード:実験間欠泉、アナログ実験、短時間挙動、長時間挙動、火山性微動、噴火様式
2010.04~2026.04.
リーゼガングリングの研究
キーワード:リーゼガングリング、パターン遷移、周期構造、枝分かれ構造、DLA
1994.05~2026.05.
地質学的流れによる構造形成の地球科学と物理学
キーワード:変形、流動、拡散、streamline mixing、マントル対流、流紋岩、マグマ混合
1998.05~2026.05.
食材を用いた実験
キーワード:キッチン地球科学
1996.05~2026.05.
火成岩の岩石組織学とパターン形成
キーワード:マグマ、岩石、パターン形成、結晶化、発泡、非線形、核形成、反応拡散系
1996.05~2026.05.
火成作用の地球科学と物理学
キーワード:マグマ、カイネティックス、結晶化、発泡、火山噴火、2相流
2000.04~2026.12.
従事しているプロジェクト研究
地震予知・噴火予知計画
2008.04~2013.03, 代表者:寅丸敦志, 九州大学
地震予知・噴火予知に資する研究を行う。.
研究業績
主要著書
主要原著論文
1. Atsushi Toramaru, On the second nucleation of bubbles in magmas under sudden decompression, EARTH AND PLANETARY SCIENCE LETTERS, 10.1016/j.epsl.2014.07.035, 404, 190-199, 2014.10.
2. Atsushi Toramaru, 前田一樹, Mass and style of eruptions in experimental geysers, Journal of Volcanology and Geothermal Reserches, 257 (2013) 227–239., 2013.04, In the present study, we conducted laboratory experiments of geysers to reproduce the time predictability of
natural geysers in Yellowstone and other geothermal areas. We measured pressure and temperature in a hot
water chamber, flux from a cold water reservoir, and mass erupted by each eruption (total number of eruptions
are up to 100), varying experimental conditions such as the heating rate, water quality, and system
geometry. We observed two styles of eruptions, “jet” and “flow” depending on the maximum height reached.
Under some conditions, only jet events occurred, while under other conditions, jet and flow events
co-occurred. Based on the statistical analysis of the erupted mass, an experiment setup that produces only
jet events exhibits a narrower frequency distribution with a relatively large average mass. As the proportion
of flow events increases, the frequency distribution of the erupted mass widens with relatively small average
mass. The temperature measurements indicated that jet-dominated experimental setups had smaller
temperature fluctuations than flow-dominated setup. We proposed a triggering condition involving boiling
of water that defined the onset of an eruption. We assumed two thresholds of the efficiency of decompression
boiling that defined explosivity and eruption development on the basis of hydrodynamic energetics. Using
the triggering condition and the two thresholds, to explain experimental correlations between erupted
mass, eruption style, and the magnitude of thermal fluctuation, we conducted a Monte Carlo simulation in
a square consisting of 256 × 256 parcels with the superheating temperature as a stochastic variable by a
Gaussian probability density function (PDF). The results showed that when the PDF has a larger average
and smaller standard deviation, the event tends to be explosive and large fraction of water is evacuated, as
in jet events. Decreasing the average temperature or increasing the standard deviation of the PDF shifts the
events to an explosive style followed by an effusive event and to an event that produces only effusive flow.
This transition of eruption styles from explosive to effusive and the relationship with the erupted mass is
consistent with results of the laboratory experiments, suggesting that the spatial distribution pattern of
supersaturated portions just prior to an eruption is a factor controlling the style and transition of the
eruption..
3. A. Toramaru and M. Matsumoto, Numerical experiment of cyclic layering in a solidified binary eutectic melt, Journal of Geophysical Research, VOL. 117, B02209, doi:10.1029/2011JB008204, 2012, 2012.02, In shallow magmatic intrusions, a characteristic layering structure (hereafter referred to as cyclic layering) can sometimes be observed.
This cyclic layering is different from what is observed as rhythmic layering caused by gravity.
Here, we present examples of cyclic layering in Japan and Scotland.
The cyclic layering is visualized as differential weathering in response to the differential stiffness caused by textural variations such as those in the volume fraction, number density, and size of vesicles or crystals.
The spacing of layers seems to increase according to a geometric progression, like as in Liesegang bands of a diffusion-precipitation system.
Their geological occurrences suggest an origin in which the interplay between double diffusion (mass and heat) and the kinetics of crystallization or vesiculation has an important role.
In order to understand the development condition for cyclic layering and the characteristics of textural variations, such as the spacing of layering in crystallized multi-component melts by conductive cooling, we carried out a numerical experiment on the 1D crystallization process of a binary eutectic melt.
This simulation took into account the cooling from contact with country rock as well as the compositional and thermal diffusion and the kinetics of diffusion-limited crystallization.
The governing equations include dimensionless control parameters describing the relative importance of thermal diffusion or compositional diffusion (Lewis number, $Le$) and the effective latent heat release (Stefan number, $St$).
From the results of the numerical experiments, it was found that the layering develops through eutectic oscillation (compositional and thermal oscillation below the eutectic point), suggesting that the bi-activating condition, whereby both phases cooperatively activate their crystallization rates, is essential for the development of layering.
No layering is observed at the margin, and the length of the region with no layering increases exponentially with decreasing $St$.
The amplitude of textural oscillation decreases with decreasing $St$.
Thus, practically no layering develops at small latent heat release.
Three types of layering structure or oscillatory profiles of spatial texture are observed (short, long and multiple types), depending mainly on $Le$.
Realistic values of $Le$ and $St$ suggest that natural cyclic layering is the multiple or long type of layering.
Assuming that the spacing of natural layering corresponds to the distance between adjoining local maxima of textural quantities, such as crystal number density or mean crystal radius, the spacing in numerical experiments is mathematically well described by a geometric progression with common ratios that are functions of the controlling parameters,namely $Le$, $St$, nucleation barrier, and crystal growth rate scale.
The common ratios converge with increasing $Le$ to constants in the range of approximately 1.02 - 1.05, which is similar to the range of the natural observations.
Experiments with no latent heat release by the second-phase simulated vesicles show similar oscillatory behaviors, suggesting that the latent heat release of the first crystallizing phase is an essential factor for the development of vesicle layering.
Applying the results to vesicle layering, we propose a revised formation scenario in which the thermal effect of first-phase crystallization below the eutectic point dominates the effect of volatile diffusion..
4. A. Toramaru, T. Miwa, Vesiculation and crystallization under instantaneous decompression: Numerical study and comparison with laboratory experiments, Journal of Volcanology and Geothermal Research, Volume 177, Issue 4, 20 November 2008, Pages 983-996
, 2008.11.
5. Toramaru, A., S. Noguchi, S. Oyoshihara, A. Tsune, MND(microlite number density) water exsolution rate meter, Journal of Volcanology and Geothermal Research, Volume 175, Issues 1-2, 30 July 2008, Pages 156-167
, 2008.07.
6. A. Toramaru, BND (bubble number density) decompression rate meter for explosive volcanic eruptions, Journal of Volcanology and Geothermal Research, 154 (2006) 303–316, 2006.05.
7. A. Toramaru and T. Matsumoto, Columnar joint morphology and cooling rate: a starch-water mixture experiment, Journal of Geophysical Research, 109, B02205, doi:10.1029/2003JB002686, 2004.02.
8. A. Toramaru, T. Harada and T. Okamura, Experimental pattern transitions in a Liesegang system, Physica D, 183, 133-140, 2003.09.
9. A. Toramarau, A numerical experiment of crystallization for a binary eutectic system with application to igneous textures, J. Geophys. Res., 106, 4037-4060, 2001.03.
10. A. Toramaru, E. Takazawa, T. Morishita, and K. Matsukage, Model of layering formation in a mantle peridotite (Horoman, Hokkaido, Japan), Earth Planet Sci. Lett., 185, 299-313, 2001.02.
主要総説, 論評, 解説, 書評, 報告書等
主要学会発表等
1. 寅丸 敦志, マグマの結晶化モデルにおける問題点について, 日本火山学会秋季大会, 2013.09.
2. 佐野恭平, 寅丸 敦志, 和田恵治, Textural analysis of obsidian lava flow in Shirataki, Northern Hokkaido, Japan, IAVCEI (International Association of Volcanology and Chemistry of the Earth's Interior)2013 Scientific Assembly, 2013.07.
3. 寅丸 敦志, Laboratory geyser; Insights into predictability of mass and style of eruptions, IAVCEI (International Association of Volcanology and Chemistry of the Earth's Interior)2013 Scientific Assembly, 2013.07.
4. 寅丸 敦志, 火山噴出物の組織解析についての展望
噴出物のミクロな組織からマクロなダイナミクスを理解するための手法について
, 地球惑星科学連合大会, 2013.05, 噴出物の組織や化学組成のミクロな特徴は、目に見えない火道中でのマグマの運動の歴史を記録している。その記録を、化学組成・組織のデータから定量的に読み解く手法の開発が、この10年で格段に進んできた。その中には、マイクロライト組成、気泡やマイクロライトのサイズ分布に基づくマグマの飽和深度や上昇の際の減圧速度、マグマ滞在時間の推定などが含まれる。そして、その応用の成果として、リアルタイムで取得されている地表での地球物理的・化学的観測データと併せて、マグマが移動を開始してから噴出に至るまでのマグマの運動のイメージがより現実的に描けるようになってきた。こうした手法の発達は、噴出物の組織や化学組成を再現する実験的研究、観察・測定技術、実験結果や観察結果を物理化学的に解釈する理論的研究が、相補的に進歩してきた結果である。しかし、そうした進歩にもかかわらず、物質科学的手法を利用して、マグマの運動を的確に予想し、また、地質学的情報と併せて、過去の噴火の推移を定量的に復元できるまでには至っていない。ましてや、噴出量や噴火様式の推移の指標となる観測量の発見さらにはそれらの間の関係性など、火山噴火研究の一つの目標である噴火現象に関する物質科学的基本法則の発見には程遠い状況である。こうした困難を意識したうえで、物質科学研究の現状を省みると、天然で見られる噴出物の組織や化学組成の特徴が定性的にも定量的にもおおかた理解できた訳では決してなく、その背後にある根本的な問題が数多く残されていることに気づく。例えば、気泡やマイクロライトのサイズ分布関数のさまざまな形の成因や、非平衡下で結晶化する際の結晶組成決定性の問題である。本講演では、それらの問題の一つであるマイクロライトの結晶サイズ分布(CSD)に関して現状と展望を語る。
CSDは、指数分布すなわち、横軸を結晶サイズ、縦軸をpopulation density(決まった結晶サイズの範囲にある結晶数)として片対数でプロットすると、直線的になる場合がしばしばある。指数分布になるには、時間の指数関数として結晶核形成速度が増加する必要があるが、その増加速度を決める時間の係数は、均質核形成理論と減圧結晶化実験から予想される値よりはるかに小さくなる。また、多くのCSDは、大きいサイズでは指数分布よりpopulation densityが大きくなり、小さいサイズでは小さくなり、指数分布からずれてくる。すなわち、指数分布のCSDは近似でしかなく、それと数学的に一致することの物理的理由を探ることに定量的意味はない。とはいえ、CSDが、結晶の核形成と成長の歴史を表していることに間違いはない。物理的にはCSDは、実効的冷却速度が大きくなれば傾きの絶対値と切片の値が大きくなる(細かい結晶が沢山形成することに相当する)から、傾きや切片の値は、時間スケールすなわち実効的冷却速度(減圧速度)や滞在時間の指標である。それ故、よく用いられるCSD法では、指数分布を仮定して、状況証拠的時間スケールを与えて、その傾きから結晶成長速度を推定するが、これは本末転倒と言える。講演者らは、結晶化のモデルを順問題として解き、その結果から、実効的冷却速度と結晶数密度(CSDの0次のモーメント)の関係を導き、それを用いて、結晶数密度から、実効的冷却速度を推定する方法を提案した。この方法では、核形成速度最大時の瞬間的な線形の冷却速度や減圧速度が推定できるが、CSDの最大値付近の接線の傾きと切片の情報しか利用していないことになる。しかし、CSDの形自体に、マグマの温度・圧力の時間変化に関してもっと多くの情報があるはずである。その情報を定量的に推定するために、Lagrange的なCSDの記述方法から出発し、温度圧力の非線形な時間変化を特徴づけるパラメータを未知数とした、逆問題を定式化する。講演では、その定式化と応用を示し、CSDインバージョンンの方法を提案しその可能性について議論したい。
.
5. 入山宙, 寅丸 敦志, 山本哲生, テフラ堆積物の粒径サイズ分布の高さ変化と初期サイズ分布の関係, 地球惑星科学連合大会, 2013.05.
6. 吉瀬毅, 寅丸 敦志, 過冷却によって結晶成長する斜長石マイクロライトのサイズ分布と化学組成の関係について, 地球惑星科学連合大会, 2013.05.
7. Atsushi Toramaru Kazuki Maeda, STATISTICAL CHARACTERISTICS OF EXPERIMENTAL GEYSERS: FACTORS CONTROLLING MASS AND STYLE OF ERUPTION, American Geophysical Meeting Fall Meeting 2011, 2011.12.
8. 寅丸敦志 前田一樹, 実験間欠泉における噴出様式と噴出量の数理モデル, 日本火山学会秋季大会, 2011.10.
9. Atsushi Toramaru, Factors controlling styles and intensity of eruption from the textural and chemical analysis of bubbles and microlites, 2011 International Union of Geodesy and Geophysics (IUGG) General Assembly, 2011.07.
10. 寅丸敦志 市原美恵, Rayleigh-Plesset 方程式と流体系振動方程式のカップリング
, 地球惑星科学連合大会, 2011.05.
11. Atsushi Toramaru, Pattern transition in a precipitation-diffusion system in gels: Insights into
pattern transition in thermal fracturing of columnar joints, CNRS/JSPS Joint Seminar on Deformation, Flow and Rupture of Soft Matter, 2010.07.
12. 寅丸敦志、前田一樹、児浪愛, 間欠泉実験からみた火山噴火の長期予測・短期予測可能性, 産業技術総合研究所 火山談話会, 2010.05.
13. Atsushi Toramaru Mitsuo Matsumoto, Occurrence of cyclic layering: natural examples and numerical simulations, American Geophysical Meeting Fall Meeting 2009, 2009.12.
14. 寅丸敦志 松本光央, 貫入岩におけるCyclic Layeringの特徴と発達条件, 日本火山学会, 2009.10.
15. Atsushi Toramaru, Mitsuo Matsumoto, Makiko Yoshida, Cyclic layering in solidified magma bodies: Pattern formation in the diffusion-crystallization system, IAVCEI2008, 2008.08.
16. Atsushi Toramaru, Takahiro Miwa, Microlite systematics: Origin and implications for the conduit flow, IAVCEI2008, 2008.08.
17. 寅丸敦志・山内沙耶香, リーゼガングパターンに及ぼす電場の影響, 地球惑星科学連合大会, 2008.05.
18. 寅丸敦志・三輪学央, 結晶数密度―結晶度マイクロライト・システマティックスの意味, 地球惑星科学連合大会, 2008.05.
19. 寅丸敦志, 減圧するマグマにおける膨張する気泡の暴走合体, 日本火山学会秋季大会, 2007.11.
20. Toramaru, A., Miwa, T, Vesiculation and Crystallization under Constant Amout of Decompression: Numerical Study and its comparison with Laboratory Experiments, COV5 (Cities on Volcano 5th meeting), 2007.11.
21. Atsushi Toramaru, Experimental study of pattern transition in a Liesegang Ring, Workshop on Experimental and Theoretical Studies of Precipitation Patterns, 2007.06.
22. 寅丸敦志, マグマの発泡によって励起される低周波地震, 地球惑星科学関連学会合同大会, 2007.05.
23. Atsushi Toramaru, BND (bubble number density) decompression rate meter for explosive volcanic eruptions, American Geophysical Union, Fall Meeting, 2006.12, [URL].
24. Atsushi Toramaru, Satoshi Noguchi, Shinobu Oyoshihara, Akira Tsune, MND(microlite number density) water exsolution rate meter, American Geophysical Union, Fall Meeting, 2006.12.
25. 寅丸敦志, Bubble Number Density (BND) Decompression Rate Meter, International workshop on volcanic explosion in KOBE, Japan, 2005.01.
学会活動
所属学会名
アメリカ地球物理学連合
形の科学会
日本鉱物学会
日本火山学会
学協会役員等への就任
2010.07~2012.06, 日本火山学会, 理事.
2006.04~2008.03, 日本火山学会, 各賞選考委員会.
2006.04~2008.03, 日本火山学会, 大会運営委員.
学会大会・会議・シンポジウム等における役割
2015.05.24~2015.05.28, Japan Geoscience Union Meeting 2015, 座長(Chairmanship).
2013.09.29~2013.10.01, 日本火山学会2013年度秋季大会, 座長(Chairmanship).
2005.02, Unzen International Workshop at Shimabara, 座長(Chairmanship).
2015.05.24~2015.05.27, 日本地球惑星科学連合2015年大会, Co-convener.
学会誌・雑誌・著書の編集への参加状況
2010.07~2014.06, 日本火山学会誌「火山」, 国内, 編集委員長.
学術論文等の審査
年度 外国語雑誌査読論文数 日本語雑誌査読論文数 国際会議録査読論文数 国内会議録査読論文数 合計
2015年度    
2014年度      
2013年度      
2012年度      
2010年度      
2009年度    
2007年度    
2006年度
2005年度
2004年度
その他の研究活動
海外渡航状況, 海外での教育研究歴
University of Lausanne, Switzerland, 2016.04~2016.04.
St Helens 火山, Washington, USA, USGS Cascades Volcano Observatory, Washington, USA, Newberry crater, Oregon, USA, UnitedStatesofAmerica, 2015.09~2015.09.
St Helens 火山, Colombia River Basalt, Yellowstone, Stillwater igneous complex, UnitedStatesofAmerica, 2010.09~2010.09.
Ecole Normale Supérieure de Lyon, France, 2010.07~2010.07.
University of Bristol, UnitedKingdom, 2001.03~2001.11.
Arizona State University, UnitedStatesofAmerica, 1991.03~1993.03.

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