高校地学 噴火様式と火山の形—粘性と気体の条件から噴出物を説明する｜武蔵野個別指導塾

温度や成分による粘性の違いと気体の逃げ方を切り分け、自作資料の噴出物から推定できる範囲を考えます。

よくあるのは、粘性が高い火山なら常に同じ噴火になると答える場面です。資料には同じ火山の異なる時期に、溶岩が流れた記録と細かな火砕物が積もった記録が並んでいます。粘性は重要ですが、気体がどれほど含まれ、上昇中にどれほど逃げたかによっても振る舞いは変わります。噴出物から何が言え、何が決められないかを順にたどります。

噴火を読むときの問い

設問の型は大きく分けて3つです。まず、マグマの温度や成分を比較して粘性の傾向を説明する型です。次に、気体の発泡と逃げやすさを手掛かりに、溶岩流と火砕物が生じる過程を説明する型があります。さらに、堆積物や地形の模式図から、可能な噴火の経過と、その資料だけでは決められない条件を区別する型です。

中学理科では、火山の形と溶岩の粘り気を結び付けます。高校ではその関係を出発点とし、気体の挙動や噴出の履歴を重ねて考えます。例えば、傾斜が緩い地形があっても、その形だけで過去の噴火がすべて穏やかだったとは言えません。比較の条件をそろえ、観察した事実から説明を組み立てることが必要です。

流れにくさと泡の行方

粘性は流体が変形して流れるときの抵抗の大きさです。粘性が高いほど、同じ条件では流れにくくなります。温度が高くなると一般にマグマは流れやすくなりますが、温度だけで決まるわけではありません。成分の違いや結晶の量、溶け込んでいる水なども関係します。シリカに富むマグマは、ほかの条件が同程度なら粘性が高い傾向があります。シリカの割合だけで、実際の粘性を一意に決めることはできません。

地下のマグマには水などの揮発性成分が溶け込んでいます。上昇して圧力が下がると、溶けたまま保てる量が減り、気泡が生じて成長します。泡がつながり、割れ目などを通して気体が外へ逃げることを脱ガスと呼びます。気体が逃げにくい場合には、膨張する泡と周囲のマグマとの相互作用によって破砕が起こり、火砕物が生じることがあります。

図1のように、粘性と脱ガスは異なる条件です。高粘性でも気体が十分に逃げれば、破砕が目立たず粘り気のある溶岩が押し出される場合があります。逆に、比較的低粘性のマグマでも、気体の供給や周囲の水との相互作用などの条件によって爆発的になることがあります。粘性が高いから必ず爆発するという一本線の説明では足りません。

地表に流れ出たマグマが溶岩です。流れやすい溶岩は広がりやすく、流れにくい溶岩は火口付近にたまりやすい傾向があります。ただし地形は噴出量、流出速度、斜面、繰り返しの噴火や侵食にも左右されます。火砕物は破砕された物質で、粒の大きさはさまざまです。火砕流は高温の火山灰や岩片などと気体が混ざって地表を流れ下る現象で、溶岩流とは区別します。

カルデラは大きなくぼ地で、地下から多量のマグマが出た後、上部が陥没して形成される場合があります。くぼ地を見ただけで、噴出物の量や噴火の詳細を断定できません。形の観察と堆積物の観察は別の証拠として扱い、互いの説明が合うかを確かめます。

比較を成立させる条件

粘性を比較する資料では、何を変え、何を同じにしたかに線を引きます。成分も温度も異なる2種類のマグマを比べた場合、流れ方の違いを温度だけに帰することはできません。結晶の量が増えると流れ方が変わることもあり、気泡を含むマグマは単純な液体とは異なる振る舞いを示します。成分をそろえた比較は、こうした要因を見落とさないための出発点です。

同じ火山で噴火の様子が変化する場合にも、まず時期ごとの噴出物を区別します。溶岩が先で火砕物が後なのか、逆なのかによって、説明すべき経過は変わります。堆積物の上下関係を調べる際も、途中で侵食された部分や別の場所から運ばれた物質を考慮する必要があります。現在見える順序は観察事実ですが、それを地下の気体の量や上昇速度へ結び付ける段階には推論が入ります。

気泡が増えたという情報と、気体が外へ逃げたという情報も同じではありません。泡ができても互いにつながらず、気体が内部に残る場合があります。反対に、割れ目などを通じて脱ガスが進めば、残る気体は減りえます。噴火の説明では、発泡の有無に加えて、逃げ道があるかどうかを問い直します。これらは傾向を考える材料であり、噴火の結果を単独で予言する規則ではありません。

基本例題：泡が逃げる場合と残る場合

自作のモデルとして、同じ成分・温度・粘性をもつマグマAとBを考えます。両者は上昇前に同じ量の揮発性成分を含みます。Aでは上昇中に気体がよく逃げ、Bでは気体が逃げにくいとします。ほかの条件は同じです。Bで破砕が起こりやすい理由と、Aで比較的まとまった溶岩が出る可能性を、圧力低下・発泡・脱ガスの語を使って説明してください。いずれも必ずその噴火になると断定せず、条件付きで答えます。

図2のAとBでは、まず上昇によって圧力が低下します。次に、溶けていた揮発性成分が気泡をつくります。Aでは気体が逃げるため、膨張する気体がマグマを引き裂く作用は相対的に小さくなり、まとまった溶岩として出る可能性があります。Bでは気体が残り、泡の膨張によって周囲のマグマが破砕される可能性が高まります。

答えの例は「上昇に伴う圧力低下で発泡する。Aは脱ガスが進むため溶岩がまとまって出る可能性があり、Bは気体が逃げにくく、泡の膨張でマグマが破砕されやすい」です。この比較で変えた条件は脱ガスのしやすさです。粘性の違いを原因として書くと、与えられた条件に反します。

モデルの結論を元の条件へ戻します。AとBの温度、成分、粘性は同じで、気体の逃げ方だけが異なります。したがって、この比較から粘性が低ければ必ず穏やかになるという結論は導けません。実際の噴火では上昇速度や通路の形も変わりうるため、このモデルは変数を整理するための道具です。

標準・発展：噴出物の割合と観察の限界

ある自作資料では、同じ条件で採取した試料Xは全体が40 gで、そのうち火砕物が10 gでした。試料Yは全体が60 gで、火砕物が30 gでした。どちらも火砕物と溶岩の破片の合計を全体とし、分類の誤りはないものとします。各試料の火砕物の質量割合を百分率で求め、差をパーセントポイントで答えてください。値は問題の仮定で、実際の観測値ではありません。

割合は、対象の質量を全体の質量で割って求めます。百分率にするには100を掛けます。Xは10を40で割って0.25、百分率は25%です。Yは30を60で割って0.5、百分率は50%です。差は50 − 25で25パーセントポイントです。Yの割合がXの2倍であることと、差が25パーセントポイントであることは別の表現です。

式の意味を確かめるには、求めた割合を全体へ戻します。40 gの25%は10 g、60 gの50%は30 gで、どちらも条件の火砕物の質量を再現します。別解では、Xの10対40を1対4、Yの30対60を1対2に約分し、4分の1と2分の1を百分率へ直せます。分母をそれぞれの全体にする点は同じです。

この数字だけから、Yを出した噴火が必ずXより爆発的だったとは言えません。採取地点によって堆積物の比率が異なり、運搬や侵食でも残り方が変わるためです。試料の割合は採取した部分についての値であり、火山全体の噴出量の割合とは限りません。試料を採る位置と層準を記録し、複数地点で同じ方法を使えば、場所による偏りを調べる手掛かりになります。

発展として、横軸に火口からの距離、縦軸に火砕物の堆積層の厚さをとったグラフを考えます。一般に離れた場所では薄くなる例がありますが、風向や地形によって同じ距離でも厚さは異なりえます。傾きは距離あたりの厚さの変化を表し、噴火の時刻を直接示すものではありません。厚さを測った場所の範囲を超えて直線を延ばし、全体の量を確定することもできません。

観察を設計するときは、同じ層を対応させる目印、採取位置、測る方向を決めます。厚さの測定では境界が不明瞭なことや後の侵食が誤差の原因になります。複数回の測定は読み取りのばらつきを示しますが、侵食による偏りを自動的に取り除くものではありません。危険のある観察や実験は学校の指導の下で行います。

間違いを条件へ戻す

誤答の例は「粘性が高いので必ず爆発的で、火砕物しか出ません」です。図3のように、この文は流れにくさから気体が逃げないことまで決め、その先の噴出物まで固定しています。しかし高粘性という情報だけでは、揮発性成分の量や脱ガスの程度はわかりません。

直すには「粘性が高く、気体が逃げにくい条件では破砕が起こりやすい」と書き換えます。さらに「気体が逃げた場合には粘り気のある溶岩が出ることもある」と補います。複数の時期に異なる噴出物があれば、その違いを説明できる条件を探します。どの条件が実際に変わったかは追加資料が必要です。

別の誤答は「急な斜面だから、今も高粘性のマグマが存在する」です。地形は過去の噴出とその後の変化の結果で、現在の地下の状態を直接示す計器ではありません。斜面の形から過去の流れにくい溶岩の蓄積を候補として挙げることはできますが、現在の粘性を決めるには別の証拠が必要です。

練習：資料と条件を分けて考える

次の資料と数値はすべて自作の条件です。割合は百分率、差はパーセントポイントで答えます。

1. 同じ成分と結晶量のマグマCとDを比べます。Cの温度がDより高いとき、一般に流れやすいのはどちらですか。理由も書いてください。
2. 同じマグマが上昇するとき、圧力が低下して気泡ができました。気体がよく逃げた場合と逃げにくい場合のうち、破砕が起こりやすい条件を選び、泡の働きとともに説明してください。
3. 試料Eは全体80 gのうち火砕物が20 g、試料Fは全体100 gのうち火砕物が40 gです。それぞれの割合と割合の差を求め、元の質量に戻して確かめてください。
4. 山頂付近に大きなくぼ地があり、周辺に厚い火砕物が見つかりました。考えられる形成過程を1つ述べ、形だけでは決められないことも1つ挙げてください。
5. ある層の厚さを火口から異なる方向の複数地点で測る計画です。単一地点だけの場合よりよい点と、それでも残る限界をそれぞれ述べてください。

解答と考え方

1. Cです。ほかの条件が同じなら高温のマグマは一般に粘性が低く、流れやすくなります。温度以外の条件が変わる比較には、そのまま適用できません。
2. 気体が逃げにくい場合です。圧力の低下で生じた泡が膨張し、周囲のマグマを破砕する可能性が高まります。気体が逃げやすい場合には、その作用が小さくなる可能性があります。
3. Eは20を80で割り25%、Fは40を100で割り40%です。差は15パーセントポイントです。80 gの25%は20 g、100 gの40%は40 gとなり、条件に戻ります。差を15%とだけ書くと、割合の差か相対的な増加率かが曖昧です。
4. 多量のマグマが噴出した後に上部が陥没し、カルデラが生じた可能性があります。くぼ地の形だけでは、噴出した物質の正確な量や噴火の経過は決められません。周辺の堆積物を対応させて検討します。
5. 方向による厚さの違いを比較でき、単一地点に偏る危険を減らせます。ただし未測定地点の厚さや、侵食前に存在した分は直接にはわかりません。同じ層を測ったかも点検します。

覚えておくこと

粘性は温度や成分などの条件で変わります。
発泡した気体が逃げにくいと破砕が起こりやすくなります。
溶岩流と火砕物の形成過程を区別します。
火山の形は噴出とその後の変化の結果です。
形だけで噴火の全経過や現在の地下を決められません。

答案が止まったとき

「粘性が高い」の次に、気体がどうなるかを書く欄を設けてみてください。発泡、脱ガス、破砕を順につなげられれば、途中の飛躍が見えます。図では気体の矢印とマグマの移動を分け、観察した噴出物と推定した過程を別々に記します。割合の問題では分母が試料全体か火砕物かを確認し、求めた割合を質量へ戻します。地形と噴火の関係は、条件を付けて説明すると資料に即した答案になります。