Evaluation of properties of intergranular water and its application to the modeling of pressure solution

• Project Area: Crustal dynamics-Unified understanding of intraisland deformation after the great Tohoku-oki earthquake-
• Project/Area Number: 17H05319
• 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: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 西山 直毅 筑波大学, 生命環境系, 研究員 (30746334)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2018: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2017: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 圧力溶解クリープ / 摩擦ヒーリング / 粒界 / 断層強度 / 分子動力学計算 / 圧力溶解変形 / 拡散 / 摩擦ヒーリング効果 / 圧力溶解 / 粒間水

Outline of Annual Research Achievements

断層強度が時間の経過とともに増加する摩擦ヒーリング効果は、地震サイクルにおける断層強度の回復に重要な役割を果たすと考えられる。摩擦ヒーリング効果の起源は、断層面の真実接触面積が増加するためと解釈されることが多い。上部地殻を構成する鉱物の一つである石英は、高温・含水下で摩擦ヒーリング効果が大きくなるが、これは圧力溶解クリープが活性となり、接触面積の増加が加速されたためと解釈されている。この解釈を定量的に検証するためには、圧力溶解クリープによる真実接触面積の増加速度を定量的に見積もる必要がある。そこで平成30年度は、圧力溶解クリープによる接触面積の増加によって、摩擦ヒーリング効果を定量的に説明できるかを詳細に検証した。
ある時間静止した際の摩擦強度の回復量Δτ (MPa)が、増加した真実接触面積ΔAr (m2)に比例すると仮定すると、ΔτはΔτ = (ΔA/A0)×Cによって表される。ここでA0は真実接触面積の初期値、Cは凝着力をそれぞれ表す。ΔAは、圧力溶解クリープの速度則を使い、石英粒子どうしの接触面積が圧力溶解クリープによってどのように時間変化するかを計算することで決定した。速度則を適用する際には、石英粒界水中の拡散係数が必要となるが、本研究では平成29年度に分子動力学（MD）計算から見積もった値を用いた。計算された摩擦強度の回復量は、C = 1-27 MPaを使うことで、幅広い温度範囲（100-927℃）における断層強度回復挙動を概ね再現できることが分かった。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Structure of calcite–aqueous NaCl solution interfaces from ambient to elevated temperatures (2018)
  • Author(s): H. Sakuma, H.O. Sorensen, J. Kawano, N. Bovet, K. Fukushi, N. Nishiyama, H. Nakao
  • Journal Title: Journal of Mineralogical and Petrological Sciences Volume: 113 Issue: 5 Pages: 232-244
  • DOI: 10.2465/jmps.180329
  • NAID: 130007506129
  • ISSN: 1345-6296, 1349-3825
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] An Explanation of Episodic Tremor and Slow Slip Constrained by Crack-Seal Veins and Viscous Shear in Subduction Melange (2018)
  • Author(s): K. Ujiie, H. Saishu, A. Fegereng, N. Nishiyama, M. Otsubo, H. Masuyama, H. Kagi
  • Journal Title: Geophysical Research Letters Volume: 45 Issue: 11 Pages: 5371-5379
  • DOI: 10.1029/2018gl078374
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Permeability of porous media: Role of the critical pore size (2017)
  • Author(s): Nishiyama, N. and Yokoyama, T.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Solid Earth Volume: 122 Issue: 9 Pages: 6955-6971
  • DOI: 10.1002/2016jb013793
  • Peer Reviewed
• [Presentation] THE ROLE OF PRESSURE SOLUTION CREEP ON FRICTIONAL HEALING OF QUARTZ GAUGE (2019)
  • Author(s): Naoki NISHIYAMA
  • Organizer: The Second International Symposium Crustal Dynamics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 四万十付加体槇峰メランジュからのマントル起源流体の検出：ヘリウム同位体によるアプローチ (2018)
  • Author(s): 西山直毅, 氏家恒太郎, 角野浩史
  • Organizer: 日本地質学会第124年学術大会
• [Presentation] Mantle-derived fluid migration along subduction plate boundary: Constraints from helium isotope analysis of shear veins in the subduction melange (2018)
  • Author(s): Naoki Nishiyama, Kohtaro Ujiie, Hirochika Sumino
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2018年大会
• [Presentation] Migration of mantle-derived fluid along plate boundary and its relation to episodic tremor and slip (2018)
  • Author(s): Naoki Nishiyama, Hirochika Sumino, Kohtaro Ujiie
  • Organizer: International Joint Workshop on Slow Earthquakes 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Detection of mantle-derived fluid from the Makimine melange in the Shimanto accretionary complex: Evidence from helium isotope analysis on mineral veins (2018)
  • Author(s): Naoki Nishiyama, Kohtaro Ujiie, Hirochika Sumino
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Water-expulsion Porosimetry: A Tool for Measuring Size Distribution of Transport Pores and Predicting Permeability (2018)
  • Author(s): Naoki Nishiyama, Tadashi Yokoyama
  • Organizer: Fifteenth international conference on flow dynamics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 石英粒界水中の溶存イオン拡散特性の評価とその摩擦ヒーリング効果予測への応用 (2017)
  • Author(s): 西山直毅・佐久間博
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2017
• [Presentation] 沈み込み帯で形成された石英脈にみられる希ガス組成の特徴：九州四万十付加体槙峰メランジュの例 (2017)
  • Author(s): 西山直毅・氏家恒太郎・角野浩史
  • Organizer: 2017年度同位体比部会
• [Presentation] Reactive transport modeling and experiments on dissolution of unsaturated rocks: role of water film and effect of surface roughness (2017)
  • Author(s): Yokoyama T. and Nishiyama N.
  • Organizer: Goldschmidt conference 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fluid-rock interaction in subducted melange;langes at depths of deep slow earthquakes: 1. Structural observations (2017)
  • Author(s): Nishiyama N., Noro K., Mori Y., and Ujiie K.
  • Organizer: Joint Workshop on Slow Earthquakes 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fluid-rock interaction in subducted melange;langes at depths of deep slow earthquakes: 2. Geochemical analysis (2017)
  • Author(s): Noro K., Nishiyama N., Mori Y., and Ujiie K.
  • Organizer: Joint Workshop on Slow Earthquakes 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fluid-rock interaction in subducted melange;lange and implications for fluid flow along the subduction plate boundary (2017)
  • Author(s): Nishiyama N., Noro K., Mori Y., and Ujiie K.
  • Organizer: AGU Fall Meeting
  • Int'l Joint Research