岩石ー水反応による地殻応力発生機構とその時間発展の解明

• Project Area: Crustal dynamics-Unified understanding of intraisland deformation after the great Tohoku-oki earthquake-
• Project/Area Number: 15H01136
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 宇野 正起 東北大学, 環境科学研究科, 助教 (50748150)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥6,760,000 (Direct Cost: ¥5,200,000、Indirect Cost: ¥1,560,000); Fiscal Year 2016: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2015: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
• Keywords: 反応誘起応力 / 反応誘起歪 / 岩石ー水反応 / 反応速度 / 塑性変形 / 反応表面積 / 反応誘起割れ / 脆性破壊 / 物質移動 / 岩石―水反応

Outline of Annual Research Achievements

本年度は岩石ー水反応における反応誘起歪のモデル化をするために，多結晶体の反応誘起歪と反応速度，空隙閉塞の時系列変化を実験的に探索した．その結果，反応誘起歪の律速過程が明らかになり，反応誘起歪の時系列変化をモデル化することができた．
差応力下での反応誘起歪は，高差応力ほど反応誘起歪が抑制されることが観察された．この歪みー時間変化は，静水圧下での膨張と溶解沈殿クリープのたし合わせで表されることが分かった．一方，静水圧下での反応誘起歪は，反応速度に一定の比で比例することが観察され，反応誘起歪は反応速度に決定されることが分かった．
多結晶体の反応速度は，単結晶の反応速度より有意に遅いことが観察された．これは，反応ともなう空隙閉塞により，実効的な反応表面積が減少することで律速されていると考えられる．様々な初期空隙率のサンプルに対して実験を行うと，反応表面積ー空隙率に一定の関係が見出され，ある臨界空隙率で急激に反応表面積が減少することが明らかになった．
以上の結果から，反応表面積ー空隙率をシグモイド関数で表現することで，静水圧下での反応誘起歪・反応速度・空隙率の時系列変化をモデル化することができた．さらに，差応力化での反応誘起歪は，静水圧下での反応誘起歪みと溶解沈殿クリープのたし合わせでモデル化することができた．
以上より，吸水反応による岩石の力学挙動は，反応速度と変形速度の競合に支配されること，反応速度は反応表面積ー空隙率関係に支配されることが明らかになった．天然のマントルや地殻における吸水反応では，表面反応速度は非常に早く，反応表面への流体のアクセスが十分な系では，測地学的歪み速度より有意に早い反応誘起歪み速度が予測される．従って，マントル・地殻岩石における反応表面積ー空隙率関係が，岩石ー水反応時の力学挙動に重要である．

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] 中新世後期白沢カルデラの噴出マグマの分化と現世の地熱流体貯留層 (2017)
  • Author(s): 鈴木拓，宇野正起*，奥村聡，山田亮一，土屋範芳
  • Journal Title: 日本地熱学会誌 Volume: 39 Pages: 25-37
  • NAID: 130005858690
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Contrasting geochemical signatures of Devonian and Permian granitoids from the Tseel terrane, SW Mongolia (2016)
  • Author(s): Burenjargal, U., Okamoto, A., Tsuchiya, N, Uno, M., Horie, K., Hokada, T.
  • Journal Title: Journal of Geosciences Volume: 61 Pages: 51-66
  • DOI: 10.3190/jgeosci.210
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Supercritical geothermal reservoir revealed by granite-porphyry system (2016)
  • Author(s): Tsuchiya, N., Yamada, R., Uno, M.
  • Journal Title: Geothermics Volume: -
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Transition from dehydration to hydration during exhumation of the Sanbagawa metamorphic belt, Japan, revealed by the continuous P-T path recorded in garnet and amphibole zoning (2015)
  • Author(s): Uno, M., Iwamori, H., Toriumi, M.
  • Journal Title: Contributions to Mineralogy and Petrology Volume: 170 Issue: 3 Pages: 1-22
  • DOI: 10.1007/s00410-015-1185-9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Hydrogeological responses to incoming materials at the erosional subduction margin, offshore Osa Peninsula, Costa Rica (2015)
  • Author(s): Kameda, J., Harris, R.N., Shimizu, M., Ujiie, K., Tsutsumi, A., Ikehara, M., Uno, M., Yamaguchi, A., Hamada, Y., Namiki, Y., Kimura, G.
  • Journal Title: Geochemistry, Geophys. Geosystems Volume: 16 Issue: 8 Pages: 2725-2742
  • DOI: 10.1002/2015gc005837
  • NAID: 120005693905
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Geochemistry of accreted metavolcanic rocks from the Neoproterozoic Gwna Group of Anglesey-Lleyn, NW Wales, U.K: MORB and OIB in the Iapetus Ocean (2015)
  • Author(s): Saito, T., Uno, M., Sato, T., Fujisaki, W., Haraguchi, S., Li, Y., Sawaki, Y., Yamamoto, S., Maruyama, S.
  • Journal Title: Tectonophysics Volume: 662 Pages: 243-255
  • DOI: 10.1016/j.tecto.2015.08.015
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] メルト包有物から制約される古カルデラのマグマ溜まり深度と地殻流体活動: 東北日本,白沢カルデラの例 (2016)
  • Author(s): 宇野 正起，鈴木 拓，山田 亮一，奥村 聡，土屋 範芳
  • Organizer: 日本地熱学会平成28年郡山大会
  • Place of Presentation: 郡山，郡山中央公民館
  • Year and Date: 2016-10-19
• [Presentation] 吸水反応による反応誘起応力・歪の支配要因：CaSO4-H2O系での実験的制約 (2016)
  • Author(s): 宇野 正起，増田 俊太郎，岡本 敦，土屋 範芳
  • Organizer: 日本鉱物科学会2016年年会
  • Place of Presentation: 金沢，金沢大学
  • Year and Date: 2016-09-23
• [Presentation] Controlling mechanisms of reaction-induced stress and strain during hydration reactions: Experimental investigation in CaSO4-H2O system (2016)
  • Author(s): Masaoki Uno, Shuntaro Masuda, Atsushi Okamoto, Noriyoshi Tsuchiya
  • Organizer: International Symposium Crustal Dynamics 2016
  • Place of Presentation: Takayama community center, Takayama, Japan
  • Year and Date: 2016-07-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Controlling factors of reaction-induced stress and strain during hydration reactions: Experimental investigation in CaSO4-H2O system (2016)
  • Author(s): Masaoki Uno, Shuntaro Masuda, Atsushi Okamoto, Noriyoshi Tsuchiya
  • Organizer: 2016 Goldschmidt conference
  • Place of Presentation: Pacifico Yokohama, Yokohama, Japan
  • Year and Date: 2016-06-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] メルト包有物解析による古カルデラのマグマ溜まり深度と地殻流体活動の関連：東北日本，白沢カルデラの例 (2016)
  • Author(s): 宇野 正起，鈴木 拓，山田 亮一，奥村 聡，土屋 範芳
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2016年大会
  • Place of Presentation: 千葉，幕張メッセ
  • Year and Date: 2016-05-25
• [Presentation] 吸水反応における多結晶体の力学的応答－CaSO4-H2O系における反応誘起応力・歪の実験的研究－ (2016)
  • Author(s): 宇野 正起，増田 俊太郎，平野 伸夫，岡本 敦，土屋 範芳
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2016年大会
  • Place of Presentation: 千葉，幕張メッセ
  • Year and Date: 2016-05-23
• [Presentation] Mechanical responses of polycrystalline rock during hydration reactions: Experimental investigation in anhydrite-hemihydrate-gypsum system (2016)
  • Author(s): Masaoki Uno, Syuntaro Masuda, Atsushi Okamoto, Nobuo Hirano, Noriyoshi Tsuchiya
  • Organizer: 13th International Workshop on WATER DYNAMICS
  • Place of Presentation: Tohoku University, Sendai, Japan
  • Year and Date: 2016-03-16
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 岩石ー水反応による地殻応力発生機構の解明 (2015)
  • Author(s): 宇野 正起
  • Organizer: 地殻ダイナミクス2015年研究集会
  • Place of Presentation: エポカ21，栗駒，宮城
  • Year and Date: 2015-09-27
• [Presentation] 地殻-メルト吸水反応帯における水・元素移動と反応帯形成プロセス：東南極セールロンダーネ山地の例 (2015)
  • Author(s): 宇野 正起，岡本 敦，土屋 範芳
  • Organizer: 日本鉱物科学会2015年年会
  • Place of Presentation: 東京大学，東京
  • Year and Date: 2015-09-25
• [Presentation] The amount and mechanisms of water supply in the arc crust: Examples from Sor Rondane Mountains, East Antarctica (2015)
  • Author(s): Masaoki Uno, Atsushi Okamoto, Noriyoshi Tsuchiya
  • Organizer: Goldschmidt conference
  • Place of Presentation: Prague, Czech
  • Year and Date: 2015-08-19
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 海洋玄武岩全岩組成への主成分分析の適用とその定量的理解： ココスプレート海洋底変質玄武岩の例 (2015)
  • Author(s): 宇野 正起，桑谷 立，上木 賢太
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2015年大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ，幕張，千葉
  • Year and Date: 2015-05-27