New approach for the mechanical properties and initiation of plate tectonics

• Project/Area Number: 20H00200
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 17:Earth and planetary science and related fields
• Research Institution: Hiroshima University
• Principal Investigator: 片山 郁夫 広島大学, 先進理工系科学研究科(理), 教授 (10448235)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 吉田 晶樹 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 海域地震火山部門(火山・地球内部研究センター), 主任研究員 (00371716) ; 平内 健一 静岡大学, 理学部, 准教授 (10633290) ; 佐久間 博 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主幹研究員 (20400426) ; 河合 研志 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (20432007) ; 岡崎 啓史 広島大学, 先進理工系科学研究科(理), 准教授 (90784257)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥45,110,000 (Direct Cost: ¥34,700,000、Indirect Cost: ¥10,410,000); Fiscal Year 2023: ¥8,710,000 (Direct Cost: ¥6,700,000、Indirect Cost: ¥2,010,000); Fiscal Year 2022: ¥8,710,000 (Direct Cost: ¥6,700,000、Indirect Cost: ¥2,010,000); Fiscal Year 2021: ¥11,310,000 (Direct Cost: ¥8,700,000、Indirect Cost: ¥2,610,000); Fiscal Year 2020: ¥16,380,000 (Direct Cost: ¥12,600,000、Indirect Cost: ¥3,780,000)
• Keywords: プレートテクトニクス / 熱クラック / 弾性的性質 / 岩石強度 / ハビタビリティ

Outline of Research at the Start

生命の存在可能なハビタビリティは，液体の水が存在する条件とされているが，水が一時的に存在するだけでは生命の誕生そして進化は期待できない。地球のような生命の宿る惑星になるためには，持続的に液体の水が存在する条件を満たす必要があり，そのためにはプレートテクトニクスが必要不可欠である。今のところ，地球でなぜプレートテクトニクスが開始したのかは未解決の問題ではあるが，本研究で注目する熱クラックが重要な役割を持つことがわかれば，どのような惑星でプレートテクトニクスが発生しているのかが検証可能となる。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は，熱クラックの生成がプレート強度に影響を及ぼしプレート沈み込みの開始につながるとの説を多角的に検証することである。昨年度までの成果として，海洋プレートを構成する物質に熱クラックを導入しすると，ヤング率などの弾性的な性質が低下すること，また数値シミュレーションによってプレートの弾性率が低下すると，沈み込みが起きやすくなることがわかっていた。本年度は，これらの成果を三次元対流シミュレーションへ組み込むことや，現在の海洋プレートの沈み込み場への応用を試みた。また，オマーンオフィオライトでの現地調査に基づき，海洋プレートのどの部分にどの程度の割れ目が発達しているかを検証した。これらの成果は国際誌に発表するとともに，国内外の学会で研究発表を行った。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Institut de Physique du Globe de Paris(フランス)
• [Int'l Joint Research] Columbia University(米国)
• [Int'l Joint Research] IPGP(フランス)
• [Journal Article] Low-temperature friction experiments on ice-salt mixtures: Implications for the strength of ice plate boundaries on Europa (2024)
  • Author(s): Okazaki Yusuke、Azuma Shintaro、Fukuhara Daijiro、Katayama Ikuo、Sekine Yasuhito、Saruya Tomotaka
  • Journal Title: Icarus Volume: 411 Pages: 115961-115961
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2024.115961
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Electrical resistivity, seismic velocity, and porosity of crustal rocks from the Oman ophiolite under brine-saturated ocean floor conditions (2024)
  • Author(s): Tanimoto Kazumasa、Akamatsu Yuya、Katayama Ikuo
  • Journal Title: Lithos Volume: 470-471 Pages: 107500-107500
  • DOI: 10.1016/j.lithos.2024.107500
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Simultaneous electrical resistivity and elastic wave velocity measurements during triaxial deformation of granite under brine-saturated conditions (2023)
  • Author(s): Katayama Ikuo、Aoi Yu、Tanimoto Kazumasa、Akamatsu Yuya、Sawayama Kazuki
  • Journal Title: Earth, Planets and Space Volume: 75 Issue: 1 Pages: 56-56
  • DOI: 10.1186/s40623-023-01809-4
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A small amount of water reduces the friction of the preferentially oriented montmorillonite gouge (2023)
  • Author(s): Sakuma Hiroshi、Katayama Ikuo、Kawai Kenji、Tamura Kenji
  • Journal Title: Applied Clay Science Volume: 243 Pages: 107058-107058
  • DOI: 10.1016/j.clay.2023.107058
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Paleo‐Permeability Structure of the Crustal Section of the Samail Ophiolite Based on Automated Detection of Veins in X‐Ray CT Core Images From the Oman Drilling Project (2023)
  • Author(s): Akamatsu Y.、Katayama I.、Okazaki K.、Michibayashi K.
  • Journal Title: Geochemistry, Geophysics, Geosystems Volume: 24 Issue: 6
  • DOI: 10.1029/2022gc010792
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cross‐Property Relationship Between Electrical Resistivity and Elastic Wave Velocity of Crustal Rocks From the Oman Drilling Project Hole GT3A: Implications for in Situ Geophysical Properties of Oceanic Crust (2023)
  • Author(s): Akamatsu Y.、Nagase K.、Abe N.、Okazaki K.、Hatakeyama K.、Katayama I.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Solid Earth Volume: 128 Issue: 6
  • DOI: 10.1029/2022jb026130
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Permeability evolution in fine-grained Aji granite during triaxial compression experiments (2023)
  • Author(s): Sueyoshi, K., Sawayama, K., and Katayama, I.
  • Journal Title: Geophysical Prospecting Volume: - Issue: 2 Pages: 675-684
  • DOI: 10.1111/1365-2478.13412
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Role of mantle carbonation in trench outer‐rise region in the global carbon cycle (2023)
  • Author(s): Katayama, I., Okazaki, K., & Okamoto, A
  • Journal Title: Island Arc Volume: 32 Issue: 1
  • DOI: 10.1111/iar.12499
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Stress regime analysis for the transition to a stagnant-lid convection regime in the terrestrial mantle (2023)
  • Author(s): Yoshida Masaki
  • Journal Title: Planetary and Space Science Volume: 238 Pages: 105794-105794
  • DOI: 10.1016/j.pss.2023.105794
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mantle-wedge alteration facilitates intra-oceanic subduction initiation along a pre-existing fault zone (2023)
  • Author(s): Izumi, M., Hirauchi, K., Yoshida, M.
  • Journal Title: Tectonophysics Volume: 861 Pages: 229908-229908
  • DOI: 10.1016/j.tecto.2023.229908
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Elastic Properties of Thermally Treated Diabase and Peridotite: Implications Toward the Elastic Properties of Oceanic Lithosphere (2023)
  • Author(s): Jayawickrama E. G.、Katayama I.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Solid Earth Volume: 128 Issue: 2
  • DOI: 10.1029/2022jb026143
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effects of rheological stratification and elasticity of lithosphere on subduction initiation (2023)
  • Author(s): Katayama, I., Yoshida, M., Hirauchi, K.-i.
  • Journal Title: Frontiers in Earth Science Volume: 10 Pages: 988320-988320
  • DOI: 10.3389/feart.2022.988320
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Simultaneous Measurements of Elastic Wave Velocity and Porosity of Epidosites Collected From the Oman Ophiolite: Implication for Low Vp/Vs Anomaly in the Oceanic Crust (2022)
  • Author(s): Nagase Kumpei、Hatakeyama Kohei、Okazaki Keishi、Akamatsu Yuya、Abe Natsue、Michibayashi Katsuyoshi、Katayama Ikuo
  • Journal Title: Geophysical Research Letters Volume: 49 Issue: 11 Pages: 1-9
  • DOI: 10.1029/2022gl098234
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Characteristics of Fault Rocks Within the Aftershock Cloud of the 2014 Orkney Earthquake (M5.5) Beneath the Moab Khotsong Gold Mine, South Africa (2022)
  • Author(s): Miyamoto T.、Hirono T.、Yokoyama Y.、Kaneki S.、Yamamoto Y.、Ishikawa T.、Tsuchiyama A.、Katayama I.、Yabe Y.、Ziegler M.、Durrheim R. J.、Ogasawara H.
  • Journal Title: Geophysical Research Letters Volume: 49 Issue: 14 Pages: 1-9
  • DOI: 10.1029/2022gl098745
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Depth profile of frictional properties in the inner Nankai accretionary prism using cuttings from IODP Site C0002 (2022)
  • Author(s): Fujioka Riho、Katayama Ikuo、Kitamura Manami、Okuda Hanaya、Hirose Takehiro
  • Journal Title: Progress in Earth and Planetary Science Volume: 9 Issue: 1 Pages: 31-31
  • DOI: 10.1186/s40645-022-00488-1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effects of Alteration and Cracks on the Seismic Velocity Structure of Oceanic Lithosphere Inferred From Ultrasonic Measurements of Mafic and Ultramafic Samples Collected by the Oman Drilling Project (2021)
  • Author(s): Hatakeyama Kohei、Katayama Ikuo、Abe Natsue、Okazaki Keishi、Michibayashi Katsuyoshi、the Oman Drilling Project Science Party
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Solid Earth Volume: 126 Issue: 11 Pages: 1-24
  • DOI: 10.1029/2021jb021923
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Rock Deformation Monitoring Using Monte Carlo Waveform Inversion (2021)
  • Author(s): Lai Ssu‐Ting、Fuji Nobuaki、Katayama Ikuo、Bonilla Luis Fabian、Capdeville Yann
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Solid Earth Volume: 126 Issue: 10
  • DOI: 10.1029/2021jb021873
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Crack geometry of serpentinized peridotites inferred from onboard ultrasonic data from the Oman Drilling Project (2021)
  • Author(s): Katayama Ikuo、Abe Natsue、Okazaki Keishi、Hatakeyama Kohei、Akamatsu Yuya、Michibayashi Katsuyoshi、Godard Marguerite、Kelemen Peter
  • Journal Title: Tectonophysics Volume: 814 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1016/j.tecto.2021.228978
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Non-Dilatant Brittle Deformation and Strength Reduction of Olivine Gabbro due to Hydration (2021)
  • Author(s): Akamatsu Yuya、Nagase Kumpei、Katayama Ikuo
  • Journal Title: Minerals Volume: 11 Issue: 7 Pages: 694-694
  • DOI: 10.3390/min11070694
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Semi-brittle deformation of antigorite serpentinite under forearc mantle wedge conditions (2020)
  • Author(s): Hirauchi, K., Katayama, I., Kouketsu, Y.
  • Journal Title: Journal of Structural Geology Volume: 140 Pages: 104151-104151
  • DOI: 10.1016/j.jsg.2020.104151
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Experimental Measurement of the Transport Flow Path Aperture in Thermally Cracked Granite and the Relationship between Pore Structure and Permeability (2020)
  • Author(s): Sueyoshi Kazumasa、Yokoyama Tadashi、Katayama Ikuo
  • Journal Title: Geofluids Volume: 2020 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1155/2020/8818293
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 火星地殻での地震波不連続面の解釈:帯水層の可能性 (2023)
  • Author(s): 片山郁夫
  • Organizer: CA研究会
  • Invited
• [Presentation] プレート深部への海水浸透によるマントルでの不均質性の形成 (2023)
  • Author(s): 片山郁夫
  • Organizer: インターリッジ研究集会
• [Presentation] 弾性波速度と比抵抗のジョイントモデルに基づく海洋地殻でのクラックや水質変成の変遷 (2023)
  • Author(s): 片山郁夫，谷本和優，赤松祐哉
  • Organizer: 日本鉱物科学会
• [Presentation] Simultaneous measurement of seismic velocity and electrical resistivity of mafic and ultramafic rocks during triaxial deformation under fluid-saturated condition (2023)
  • Author(s): Eranga Gayanath Jayawickrama, Ikuo Katayama
  • Organizer: 地球惑星科学連合大会
• [Presentation] Effect of large-scale fractures on high Vp/Vs anomalies in the subducting oceanic crust (2023)
  • Author(s): 赤松祐哉，片山郁夫
  • Organizer: 地球惑星科学連合大会
  • Invited
• [Presentation] 蛇紋岩中のロジン岩脈の分布に基づいたフィールドスケールでの変質マントルの地震波速度・電気比抵抗 (2023)
  • Author(s): 坂本玄弥，谷本和優，赤松祐哉，片山郁夫
  • Organizer: 地球惑星科学連合大会
• [Presentation] 広島ががら山における花崗岩風化に伴う物性変化 (2023)
  • Author(s): 吉田淳樹，横山正，海堀正博，片山郁夫，谷本和優
  • Organizer: 地球惑星科学連合大会
• [Presentation] Heterogeneity of crack distribution in the oceanic crust inferred from downhole variations in P-wave velocity of the Oman Drilling Project Hole GT3A (2023)
  • Author(s): 赤松祐哉，桑谷立，片山郁夫
  • Organizer: 地球惑星科学連合大会
• [Presentation] オマーンオフィオライトの蛇紋岩を用いた封圧下での電気比抵抗・地震波速度・空隙率の同時測定 (2023)
  • Author(s): 谷本和優，片山郁夫
  • Organizer: 地球惑星科学連合大会
• [Presentation] 三軸圧縮試験における比抵抗の異方性の測定方法の開発 (2023)
  • Author(s): 宗慈瑛，赤松祐哉，片山郁夫，鈴木健士，澤山和貴
  • Organizer: 地球惑星科学連合大会
• [Presentation] 地球内部での水と炭素循環にリンクした地球表層環境変動 (2023)
  • Author(s): 片山郁夫
  • Organizer: 地球惑星科学連合大会
  • Invited
• [Presentation] 氷塩混合物を用いた低温摩擦実験から考察するエウロパのプレート境界強度 (2023)
  • Author(s): 岡崎雄祐，東真太郎，片山郁夫，関根康人，猿谷友孝
  • Organizer: 地球惑星科学連合大会
• [Presentation] Interpretation of electrical resistivity structure of oceanic crust based on analysis of seismic velocity structure (2022)
  • Author(s): 赤松祐哉，片山郁夫
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会
  • Invited
• [Presentation] ICDP DSeis M5.5 オークニー地震余震域から採取した断層試料の物質科学的特徴 (2022)
  • Author(s): 宮本英，廣野哲朗，横山友暉，金木俊也，山本裕二，石川剛志，土山明，片山郁夫，矢部康男，Martin Ziegler, Raymond Durrheim, 小笠原宏
  • Organizer: 日本地震学会
• [Presentation] 高圧下での岩石の比抵抗と弾性波速度の同時測定の開発 (2022)
  • Author(s): 片山 郁夫，谷本和優
  • Organizer: 日本鉱物科学会
• [Presentation] 地球内部での水と炭素循環の転換点 (2022)
  • Author(s): 片山 郁夫
  • Organizer: 日本地質学会
• [Presentation] Experimental investigation on fault reactivation by water injection and the relationship between slip characteristics and injection rate (2022)
  • Author(s): 末吉 和公、北村 真奈美、雷 興林、片山 郁夫
  • Organizer: 地球惑星科学連合大会
• [Presentation] 破壊に至るまでの変形中の庵治花崗岩の比抵抗と弾性波速度の同時測定 (2022)
  • Author(s): 片山 郁夫、青井 湧、谷本 和優、赤松 祐哉
  • Organizer: 地球惑星科学連合大会
• [Presentation] オマーンオフィオライト掘削試料の物性測定に基づく海洋地殻の地震波速度と比抵抗の関係 (2022)
  • Author(s): 赤松 祐哉、長瀨 薫平、阿部 なつ江、岡﨑 啓史、畠山 航平、片山 郁夫
  • Organizer: 地球惑星科学連合大会
• [Presentation] New Procedure for Shipboard Physical Properties Measurements during Hard Rock Drilling (2022)
  • Author(s): 阿部 なつ江、岡崎 啓史、片山 郁夫、畠山 航平、赤松 祐哉、長瀬 薫平
  • Organizer: 地球惑星科学連合大会
• [Presentation] オマーンオフィオライトの苦鉄質岩を用いた静水圧下での比抵抗・地震波速度・空隙率の同時測定 (2022)
  • Author(s): 谷本 和優、赤松 祐哉、片山 郁夫
  • Organizer: 地球惑星科学連合大会
• [Presentation] Inversely depleted forearc mantle section records the subduction zone infancy: Umigame Seamount, Bonin Trench (2022)
  • Author(s): 道林 克禎、斎藤 すず、柿畑 優季、針金 由美子、岡本 敦、大柳 良介、畠山 航平、片山 郁夫、石塚 治、小野 重明
  • Organizer: 地球惑星科学連合大会
• [Presentation] 低温環境における氷摩擦実験と火星内部レオロジー構造への応用 (2022)
  • Author(s): 福原 大二朗、東 真太郎、片山 郁夫、猿谷 友孝
  • Organizer: 地球惑星科学連合大会
• [Presentation] Elastic wave velocity of thermally treated diabase and peridotite and their implications on elastic properties of oceanic lithosphere (2022)
  • Author(s): Eranga Gayanath Jayawickrama、Yasushi Izuka、Ikuo Katayama
  • Organizer: 地球惑星科学連合大会
• [Presentation] 岩石の弾性波速度・比抵抗・空隙率の同時測定の開発 (2021)
  • Author(s): 片山 郁夫，谷本和優
  • Organizer: 日本鉱物科学会
• [Presentation] オマーン陸上掘削プロジェクトで採取されたエピドサイトの地震波速度に空隙形状と変質鉱物が与える影響 (2021)
  • Author(s): 長瀨薫平，片山郁夫，畠山航平，赤松祐哉，岡﨑啓史
  • Organizer: 日本鉱物科学会
• [Presentation] 南海トラフC0002掘削地点でのカッティングス試料を用いた摩擦特性プロファイルの作成 (2021)
  • Author(s): 藤岡 里帆，片山 郁夫，北村 真奈美、奥田 花也、廣瀬 丈洋
  • Organizer: 日本鉱物科学会
• [Presentation] 南海トラフ掘削試料の摩擦特性プロファイルから推察する浅部スロー地震の発生プロセス (2021)
  • Author(s): 片山 郁夫，藤岡 里帆，北村 真奈美、奥田 花也、廣瀬 丈洋
  • Organizer: 日本地質学会
• [Presentation] グローバル炭素循環へのマントル加水作用の影響 (2021)
  • Author(s): 片山 郁夫
  • Organizer: 地球惑星科学連合大会
  • Invited
• [Presentation] Vein permeability structure of the crustal section in the Oman Drilling Project inferred from the X-ray CT image analysis (2021)
  • Author(s): 赤松 祐哉、片山 郁夫、岡崎 啓史、道林 克禎、Oman Drilling Project Phase I Science Party
  • Organizer: 地球惑星科学連合大会
• [Presentation] オマーン陸上掘削プロジェクトで得られたエピドサイトの弾性波速度に空隙形状が与える影響 (2021)
  • Author(s): 長瀨 薫平、片山 郁夫、畠山 航平、岡崎 啓史
  • Organizer: 地球惑星科学連合大会
• [Presentation] Frequency characteristics of acoustic emission in the fracture process of thermally cracked granite (2021)
  • Author(s): 末吉 和公、北村 真奈美、雷 興林、片山 郁夫
  • Organizer: 地球惑星科学連合大会
• [Presentation] Frictional coefficient and its velocity dependence of cuttings retrieved from the Nankai accretionary prism at IODP Site C0002 (2021)
  • Author(s): 藤岡 里帆、片山 郁夫、北村 真奈美、奥田 花也、廣瀬 丈洋
  • Organizer: 地球惑星科学連合大会
• [Presentation] 氷点下での塩基性-超塩基性岩の弾性波速度測定:火星内部での氷から水への相転移による反射面の形成に関する考察 (2021)
  • Author(s): 若林 春那、片山 郁夫
  • Organizer: 地球惑星科学連合大会
• [Presentation] 地下酸化還元勾配に沿った蛇紋岩化したオマーン・オフィオライト試料の鉱物学的・赤外分 光的特徴：火星地下の酸化還元勾配の特定に向けて (2021)
  • Author(s): 佐藤 匠、関根 康人、片山 郁夫
  • Organizer: 地球惑星科学連合大会
• [Presentation] Frequency characteristics of acoustic emission in granite during triaxial compression tests (2020)
  • Author(s): 末吉 和公，北村 真奈美，雷 興林，片山 郁夫
  • Organizer: 地球惑星科学連合大会
• [Presentation] 室内摩擦実験におけるレシーバ関数法の適用 (2020)
  • Author(s): 佐脇 泰典，植村 美優，片山 郁夫，伊藤 喜宏
  • Organizer: 地球惑星科学連合大会
• [Presentation] 弾性波速度と減衰の関係 -含水条件での花崗岩の例- (2020)
  • Author(s): 山田 恵也，澤山 和貴，片山 郁夫
  • Organizer: 地球惑星科学連合大会
• [Presentation] かんらん石はんれい岩の脆性変形に与える変質鉱物の影響 (2020)
  • Author(s): 赤松 祐哉，片山 郁夫
  • Organizer: 地球惑星科学連合大会
• [Presentation] 水に飽和した花崗岩のせん断試験におけるS波偏向異方性の測定 (2020)
  • Author(s): 田中 仁貴，片山 郁夫
  • Organizer: 地球惑星科学連合大会
• [Presentation] Role of hydrated oceanic lithosphere on global water cycle in the Earth (2020)
  • Author(s): 片山 郁夫，畠山 航平
  • Organizer: 地球惑星科学連合大会
  • Invited
• [Presentation] Frequency characteristics of acoustic emission in thermally cracked granite (2020)
  • Author(s): K. Sueyoshi, M. Kitamura, X. Lei, I. Katayama
  • Organizer: American Geophysical Union, Fall Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Contrasting dilatant behavior between gabbro and peridotite during the triaxial deformation experiments (2020)
  • Author(s): I. Katayama, Y. Akamatsu
  • Organizer: American Geophysical Union, Fall Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Porosity and serpentinization inferred from laboratory experiments and geophysical data of incoming oceanic plate at the outer-rise region (2020)
  • Author(s): K. Hatakeyama, I. Katayama
  • Organizer: American Geophysical Union, Fall Meeting
  • Int'l Joint Research