The challenge of deformation experiments under the in-situ temperature, lithostatic and pore fluid pressures condition at the source region of deep slow earthquakes

• Project Area: Science of slow earthquakes
• Project/Area Number: 19H04630
• 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: Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology
• Principal Investigator: 岡崎 啓史 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 超先鋭研究開発部門(高知コア研究所), 研究員 (90784257)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2020: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000); Fiscal Year 2019: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: 沈み込み帯 / スロー地震 / 地震 / 岩石レオロジー / 摩擦 / レオロジー / 岩石変形 / 水 / 断層 / 岩石変形実験

Outline of Research at the Start

本研究では、Griggs 型固体圧式三軸変形試験機に間隙水圧を任意にコントロールできる間隙水圧発生システムを設置し、深部スロー地震発生域のような高温(>400 度)高圧(>1GPa) 高間隙水圧(>1GPa)の環境を再現した岩石変形実験を世界で初めて実施することに挑戦したい。そして、沈み込み帯プレート境界で発生している多様なすべり挙動(地震、スロー地震、定常すべり)を高温高圧でなおかつ高間隙水圧下における岩石変形実験により再現し、その変形メカニズムを理解することを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

深部スロー地震発生域にかけては、高Vp/Vs比の領域が幅広く確認されていることから多量の水が存在することが示唆されている。本研究はプレート境界に存在すると考えられる物質の力学特性が温度圧力および間隙水の影響によってどのように変化するのか解明することを目的とした。そのために世界初となる間隙水圧を最大1GPaまで上昇させることのできる高温高圧変形試験機用の間隙水圧発生器を製作した。本研究課題の予算を用いて改良した試験機を用いて、試料中の水の量を変化させて高温高圧下において岩石を変形させた。実験データより岩石の強度に対する水の量(水/岩石比)と水の圧力(間隙水圧)の効果を独立で見極め、それぞれを定式化することに成功した。本研究により地下深部の岩石の粒間に存在する水の効果は大きく、体積分率で6%の水が存在するだけで、断層帯の強度をおよそ半分にすることがわかった。また、剪断変形に伴う結晶の伸びとそれに斜行するようにクラックが形成されるS-C'マイロナイト構造が剪断帯中に観察された。本研究からは沈み込み帯で通常考えられている間隙水圧の不均一性に加えて、水の量の不均一性の方が沈み込み帯におけるすべり挙動の多様性をもたらしている可能性が高いことを明らかにすることができた。本研究の一連の成果についてはすでに国際誌において報告済みである(Okazaki and Hirth, 2020; French, Okazaki and Hirth, 2019, Tectonophysics; Okazaki et al., 2021, JGR)。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ブラウン大学(米国)
• [Journal Article] Rheology of the Fluid Oversaturated Fault Zones at the Brittle‐Plastic Transition (2021)
  • Author(s): Okazaki Keishi、Burdette Eric、Hirth Greg
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Solid Earth Volume: 126 Issue: 2
  • DOI: 10.1029/2020jb020804
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Deformation of mafic schists from subducted oceanic crust at high pressure and temperature conditions (2020)
  • Author(s): Okazaki Keishi、Hirth Greg
  • Journal Title: Tectonophysics Volume: 774 Pages: 228217-228217
  • DOI: 10.1016/j.tecto.2019.228217
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Fracture-induced pore fluid pressure weakening and dehydration of serpentinite (2019)
  • Author(s): E French Melodie、Hirth Greg、Okazaki Keishi
  • Journal Title: Tectonophysics Volume: 767 Pages: 228168-228168
  • DOI: 10.1016/j.tecto.2019.228168
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Effects of water fraction on strengths and microstructures of quartz aggregates (2020)
  • Author(s): Okazaki Keishi、Burdette Eric、Hirth Greg
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 剪断帯内の変形の幾何を考慮した脆性・塑性遷移域の断層構成則 (2020)
  • Author(s): 野田博之、岡崎啓史
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Rheology of the fluid oversaturated simulated quartz shear zone at the brittle-ductile transition (2020)
  • Author(s): Okazaki Keishi、Burdette Eric、Hirth Greg
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 巨大地震発生域下限の温度・圧力・間隙水圧条件を再現できる新しい固体圧岩石変形試験機の開発 (2020)
  • Author(s): 岡崎 啓史, 武藤 潤, 濱田 洋平, 谷川 亘, 廣瀬 丈洋
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Mineral assemblages of listvenite from ICDP Oman Drilling Project Hole BT1B inferred from X-ray CT core images (2020)
  • Author(s): Keishi Okazaki, Katsuyoshi Michibayashi, Kohei Hatakeyama, Natsue Abe, Kevin T.M. Johnson, Peter B. Kelemen, the Oman Drilling Project Phase I Science Party
  • Organizer: International Conference on Ophiolites and the Oceanic Lithosphere: Results of the Oman Drilling Project and Related Research
• [Presentation] Rheology of the fluid oversaturated quartz shear zone at the brittle-ductile transition (2019)
  • Author(s): Keishi Okazaki, Eric Burdette, Greg Hirth
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2019
• [Presentation] 半遠洋性堆積物の続成作用に伴う摩擦・透水特性の変化 (2019)
  • Author(s): 岡崎 啓史、片山 郁夫、山口 飛鳥
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2019年大会