雲母・粘土鉱物の最大摩擦係数の物理

• Project Area: Crustal dynamics-Unified understanding of intraisland deformation after the great Tohoku-oki earthquake-
• Project/Area Number: 15H01145
• 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: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: 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, 主任研究員 (20400426)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2016: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2015: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: 摩擦係数 / 粘土鉱物 / 吸着水 / 断層 / 層状 / 凝着力 / 定方位 / 湿度 / 岩石・鉱物・鉱床学 / 地震 / トライボロジー / 表面・界面物性 / 雲母・粘土鉱物 / 圧力溶解

Outline of Annual Research Achievements

断層によく見られる層状の雲母・粘土鉱物は、通常の岩石・鉱物よりも最大摩擦係数が著しく小さく、断層のすべり挙動を支配する重要な物質である。これら層状鉱物の最大摩擦係数は水の影響を強く受け、ごく微量でも水による潤滑効果が高いことが層状鉱物の一つである白雲母に関して示唆されている。また鉱物表面の吸着水は圧力溶解に伴う断層の強度回復に影響を与えており、その物性を知ることが重要である。本研究では１．乾燥条件下で粘土鉱物の最大摩擦強度が低い原因、２．含水条件下で、摩擦強度が低下する原因、３．圧力溶解に関連する結晶表面の吸着水の物性の解明を目的とする。
雲母・粘土鉱物の定方位度と湿度の影響の考察：湿度の影響を明らかにするため、試料室内に窒素ガスを流し、乾燥条件下でモンモリロナイトの定方位試料・粉末試料の摩擦試験を実施した。予備的な結果として、試料室に入れる前の乾燥温度の上昇に伴う摩擦係数の増大が両試料においてみられ、特に定方位試料の方が高温で乾燥しないと定常状態に至らないことがわかった。これは平板状の粘土鉱物が配向すると脱水が困難であることを示唆している。
第一原理計算による層状鉱物の摩擦係数の導出：従来考えられていた層間結合エネルギーと摩擦係数の関係については、相関が低いことを昨年度明らかにした（Sakuma and Suehara, 2015, JGR）。そこで本年度白雲母・パイロフィライト層間の摩擦力を直接第一原理計算から導出することに取り組んだ。白雲母に関して、せん断方向の変化に伴う摩擦力の周期的な変化が存在することがわかり、これは乾燥条件で摩擦力を測定した過去の実験結果と調和的であることがわかった。また摩擦における凝着力の起源に関して、そのメカニズムがわかりつつある。

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] 断層に存在する雲母・粘土鉱物の最大摩擦係数：粒子形状と水の影響 (2016)
  • Author(s): 佐久間博
  • Journal Title: 粘土科学 Volume: 54 Pages: 120-125
  • NAID: 130006243008
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Self–diffusion of water molecules confined between quartz surfaces at elevated temperatures by molecular dynamics simulations (2016)
  • Author(s): Ishikawa, S., H. Sakuma, N. Tsuchiya
  • Journal Title: Journal of Mineralogical and Petrological Sciences Volume: 111 Issue: 4 Pages: 297-302
  • DOI: 10.2465/jmps.151104b
  • NAID: 130005407271
  • ISSN: 1345-6296, 1349-3825
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dielectric constant of water as a function of separation in a slab geometry: A molecular dynamics study (2015)
  • Author(s): H. Itoh and H. Sakuma
  • Journal Title: Journal of Chemical Physics Volume: 142 Issue: 18 Pages: 184703-184703
  • DOI: 10.1063/1.4919698
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Interlayer bonding energy of layered minerals: Implication for the relationship with friction coefficient (2015)
  • Author(s): H. Sakuma and S. Suehara
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Solid Earth Volume: 120 Issue: 4 Pages: 2212-2219
  • DOI: 10.1002/2015jb011900
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Interlayer Bonding Energy of Mg-Chlorite: A Density Functional Theory Study (2015)
  • Author(s): H. Sakuma
  • Journal Title: Journal of Computer Chemistry, Japan Volume: 14 Issue: 4 Pages: 152-154
  • DOI: 10.2477/jccj.2015-0008
  • NAID: 130005110962
  • ISSN: 1347-1767, 1347-3824
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Frictional characteristics of single and polycrystalline muscovite and influence of fluid chemistry (2015)
  • Author(s): Kawai, K., H. Sakuma, I. Katayama, and K. Tamura
  • Journal Title: J. Geophys. Res. Solid Earth Volume: 120 Issue: 9 Pages: 6209-6218
  • DOI: 10.1002/2015jb012286
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Can clay minerals account for the non-asperity on the subducting plate interface? (2015)
  • Author(s): Katayama, I., T. Kubo, H. Sakuma and K. Kawai
  • Journal Title: Prog. Earth Planet. Sci. Volume: 2 Issue: 1 Pages: 30-30
  • DOI: 10.1186/s40645-015-0063-4
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Diffusivity of Si(OH)4 through intergranular fluid: Application to the modeling of pressure solution creep (2016)
  • Author(s): N. Nishiyama, H. Sakuma
  • Organizer: AGU fall meeting
  • Place of Presentation: Moscone Center (USA, San Francisco)
  • Year and Date: 2016-12-12
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effect of humidity and interlayer cation on frictional strength of montmorillonite (2016)
  • Author(s): H. Tetsuka, I. Katayama, H. Sakuma, K. Tamura
  • Organizer: AGU fall meeting
  • Place of Presentation: Moscone Center (USA, San Francisco)
  • Year and Date: 2016-12-12
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] リザダイト・タルクの摩擦に関する理論的研究 (2016)
  • Author(s): 河合研志、佐久間博
  • Organizer: 日本地震学会２０１６年度秋季大会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場（愛知県名古屋市）
  • Year and Date: 2016-10-05
• [Presentation] 雲母・粘土鉱物劈開面の摩擦:ナノとミリをつなげるか？ (2016)
  • Author(s): 佐久間博、河合研志、片山郁夫
  • Organizer: 日本鉱物科学会2016年会
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2016-09-23
• [Presentation] Frictional Characteristics of Mica and Swelling Clay Minerals: Effects of the Orientation (2016)
  • Author(s): H. Sakuma, K. Kawai, I. Katayama
  • Organizer: International Symposium on Crustal Dynamics 2016
  • Place of Presentation: 高山市民文化会館（岐阜県高山市）
  • Year and Date: 2016-07-19
• [Presentation] 地球表層環境における計算化学 (2016)
  • Author(s): 佐久間博
  • Organizer: JpGU 2016
  • Place of Presentation: 幕張メッセ (千葉県千葉市)
  • Year and Date: 2016-05-22
  • Invited
• [Presentation] 白雲母劈開面の摩擦特性と摩擦メカニズムの考察 (2016)
  • Author(s): 佐久間博、河合研志、片山郁夫
  • Organizer: JpGU 2016
  • Place of Presentation: 幕張メッセ (千葉県千葉市)
  • Year and Date: 2016-05-22
• [Presentation] 粘土鉱物の摩擦係数：摩擦を支配する要因の考察 (2016)
  • Author(s): 佐久間博
  • Organizer: 物質科学的視点から迫る断層運動についての学際的取り組み
  • Place of Presentation: 東京大学（東京都）
  • Year and Date: 2016-03-07
• [Presentation] 断層における粘土鉱物の摩擦と水の影響 (2016)
  • Author(s): 佐久間博
  • Organizer: 表面力セミナー
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2016-03-04
• [Presentation] 断層に存在する雲母・粘土鉱物の最大摩擦係数：粒子形状と水の影響 (2015)
  • Author(s): 佐久間博
  • Organizer: 第59回粘土科学討論会
  • Place of Presentation: 山口大学（山口県・山口市）
  • Year and Date: 2015-09-02
  • Invited
• [Presentation] 断層摩擦に対する鉱物粒子の形状と吸着水の影響 (2015)
  • Author(s): 佐久間博, 河合研志, 片山郁夫, 末原茂, 田村堅志,
  • Organizer: JpGU 2015
  • Place of Presentation: 幕張メッセ（千葉県・千葉市）
  • Year and Date: 2015-05-24
  • Invited