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Experimental study of the high-velocity weakening of fault in quartz and its nano-scale deformation structures

Research Project

Project/Area Number 20H02007
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 17040:Solid earth sciences-related
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

Tsutsumi Akito  京都大学, 理学研究科, 准教授 (90324607)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 三宅 亮  京都大学, 理学研究科, 准教授 (10324609)
伊藤 正一  京都大学, 理学研究科, 准教授 (60397023)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥18,460,000 (Direct Cost: ¥14,200,000、Indirect Cost: ¥4,260,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2020: ¥13,910,000 (Direct Cost: ¥10,700,000、Indirect Cost: ¥3,210,000)
Keywords岩石摩擦 / 石英岩 / 高速摩擦 / 速度弱化 / 摩擦ヒーリング / 石英摩擦 / 高速弱化 / 断層 / 高速摩擦弱化 / 水架橋 / 石英 / ヒーリング
Outline of Research at the Start

断層すべりに伴い摩擦強度が低下する性質は,不安定すべりを引起こす要因となるため,地震発生の過程や断層のすべり挙動をモデル化する上で重要な性質である.近年, 比較的低速のすべり速度条件で,石英を主体とする物質において顕著な摩擦強度の弱化が見られることが明らかにされた.しかしその機構は未解明である.本研究は,実験により幅広いすべり速度条件における岩石摩擦強度の弱化特性を解明し,摩擦面接触部のナノスケール三次元物質解析を行うことで真実接触部の変形構造と力学物性の詳細を明らかにし,さらに,これらの結果を統合することで,摩擦強度弱化挙動の全貌とその発現機構を解明することを目的として実施するものである.

Outline of Final Research Achievements

We examined frictional properties of synthetic quartz at a constant normal stress of 1.5 MPa and at various slip velocities V of 0.005-105 mm/s under humidity conditions (0%-80%RH). It is revealed that the steady-state friction of quartz exhibits velocity-weakening behaviors at V > ~1 mm/s, while steady-state values of friction at same slip velocity increase with humidity. Humidity dependence of frictional behavior of quartz was also observed in slide-hold-slide tests performed after slip-weakening of the samples at V = 105 mm/s, in which amount of the frictional aging increases with humidity. Micro-structural observation of the fault zone under a TEM reveals that the fault-zone is composed of a number of stacked ~0.5 μm-thick ultra-thin layers of stacked amorphous silica grains. The observed humidity-dependent friction behavior may be resulted from the formation of capillary water bridges at asperity contacts between the ultrafine-sized amorphous silica grains.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

岩石の摩擦において,すべり開始前に摩擦面が押しつけられている時間が増加するほど摩擦が大きくなることが知られている.ヒーリングとも呼ばれるこの摩擦強度の時間的増大の性質は,地震時に低下した摩擦の回復過程のみならず,すべり時に摩擦強度が低下する性質を理解する上でも重要である.本研究では人工水晶を用いた実験を行い、断層表面に形成されたナノサイズの摩耗粒子表面に吸着した水が,摩擦の性質に大きく影響していることを明らかにした。

Report

(4 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (6 results)

All 2023 2022 2021

All Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results)

  • [Presentation] ナノインデンテーション法を用いた単結晶石英の微小領域変形に及ぼす湿度の影響評価2023

    • Author(s)
      服部 諒・堤 昭人
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合2023年大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 石英質物質の摩擦に及ぼす湿度の影響について-特に高速摩擦弱化挙動に関連して2022

    • Author(s)
      堤 昭人
    • Organizer
      京都大学防災研究所地震・火山グループ研究会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Deformation structures of a gouge layer formed along a fault in synthetic quartz during slip weakening at high slip velocities.2021

    • Author(s)
      Tsutsumi, A., Miyake, A., Onoe, Y.
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合2022年大会 (オンライン開催)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] The effect of a gouge layer on rupture propagation along brittle shear fracture2021

    • Author(s)
      S. B. Mngadi, A. Tsutsumi, Y. Onoe, M.S.D. Manzi, R.J. Durrheim, Y. Yabe, H. Ogasawara and the DSeis team
    • Organizer
      DEEP-2021 International Symposium on Deep Earth Exploration & Practices
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Investigating factors controlling deep seismogenic zones in South African deep and high stress gold mine2021

    • Author(s)
      S.B. Mngadi, M.S.D. Manzi, R. J. Durrheim, H. Ogasawara, Y. Yabe, A. Tsutsumi and the DSeis Team
    • Organizer
      2021 AGU fall meeting
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 人工石英の高速摩擦弱化過程において形成された断層ガウジ層の変形構造2021

    • Author(s)
      堤 昭人、三宅 亮、尾上裕子
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合2021年大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report

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Published: 2020-04-28   Modified: 2024-01-30  

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