New fault model based on friction experiments across the deformation mechanism transitions

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16H04061
• Research Institution: Chiba University
• Principal Investigator: 金川 久一 千葉大学, 大学院理学研究院, 教授 (40185898)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 摩擦実験 / 変形機構 / 断層モデル

Outline of Annual Research Achievements

後述するように、前年度までの実験に問題があることが判明し、温度25~200℃、封圧150 MPa、間隙水圧50 MPa、軸方向変位速度0.1~10 μm/sでオパールガウジの三軸摩擦実験を再度行い、摩擦特性の温度・変位速度依存性について再検討を行った。

実験の結果、温度上昇に伴う定常すべりからすべり硬化への変化、摩擦強度の増大傾向、（変位速度の増加（低下）に伴い定常摩擦係数が低下（増加）する）速度弱化の挙動への遷移、そして150℃以上の温度で（地震性断層運動に対応する）固着すべりが観察され、前年度までの実験結果が再確認された。変位速度急変前後の摩擦データを速度・状態依存摩擦構成則によりフィッティングした結果、摩擦係数の変位速度依存性に関係する定数aに温度や変位速度による有意な変化傾向は認められず、摩擦係数のすべり面の状態（時間）依存性に関係する定数bに温度上昇または変位速度低下に伴う増加傾向が認められ、その結果、a - b（定常摩擦係数の変位速度依存性の指標で、正（速度強化）の場合断層運動は安定（非地震性）で、負（速度弱化）の場合に限り固着すべり（地震性断層運動）が起こる）に温度上昇または変位速度低下に伴う減少傾向が認められた。定常摩擦係数にも温度上昇または変位速度低下に伴う増加傾向が認められた。

このようなオパールガウジの摩擦構成則パラメータの温度・変位速度依存性は、温度上昇また変位速度低下によってより活動的になる圧力溶解によるガウジ粒子の癒着・固化に起因していると考えられる。実際に、間隙水条件の200℃の実験後試料は粒状組織が明瞭に認められず緻密になっており、圧力溶解によるガウジ粒子の癒着が示唆される。

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

今年度は温度300~600℃の条件下でオパールガウジの摩擦実験を行う予定であったが、温度100℃以上の実験中に封圧媒体のアルゴンガスの間隙水ラインへの流入が認められ、ジャケットとして使用しているテフロンチューブをアルゴンガスが透過していることが判明した。実験試料に銅箔を巻くことでこの問題は解決したが、原因究明と対策に半年程度の時間を要し、また再現性を確認するため200℃以下の温度の再実験を行ったことにより、研究に遅れが生じた。さらに、300℃以上の温度の実験で必要になるジャケット材の銅管が国内では入手困難であることも判明したため、当初予定していた実験を行うことができなかった。

Strategy for Future Research Activity

上記のように、研究の遅れに加えてジャケット材の銅管が国内で入手困難なことから、300℃以上の温度の実験実施が困難な状況にある。また、ジャケットとして使用しているテフロンチューブをアルゴンガスが透過していたことが判明したことから、従来の実験結果を検証する必要性も生じている。間隙水圧条件での再実験と検証は済んだが、間隙アルゴン圧条件での再実験と検証が残っている。そこで、最終年度は間隙アルゴン圧条件での以下の実験を再度行い、間隙水圧条件の実験結果と比較することにより、溶解－析出クリープの活動が断層運動に与える影響について解明し、研究成果を取りまとめることとした。

１）温度25~200℃、封圧150 MPa、間隙アルゴン圧50 MPa、軸方向変位速度0.1~10 μm/sにおけるオパールガウジの摩擦実験を再度行って、溶解－析出クリープが活動的でない無水条件下の摩擦特性の温度・変位速度依存性について検証を行い、溶解－析出クリープが活動的になる熱水条件の結果と比較検討する。
２）実験後試料の詳細な微細構造観察を行って、実験条件による変形機構の関与度の変化を明らかにする。
３）以上の結果に基づいて、カタクレーシスと溶解－析出クリープの断層変形機構の遷移領域における後者の活動度増大に伴う断層の力学的挙動の変化を明らかにし、成果を論文に取りまとめ、投稿する。

Research Products

• [Journal Article] Weakening of quartz rocks at subseismic slip rates due to frictional heating, but not to lubrication by wear materials of hydrated amorphous silica or silica gel (2020)
  • Author(s): Kanagawa, K., Murayama, H., Sugita, A., Takahashi, M., Sawai, M., Furukawa, N. and Hirose, T.
  • Journal Title: Tectonophysics Volume: 784 Pages: 1~14
  • DOI: 10.1016/j.tecto.2020.228429
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Deep drilling at the Nankai Trough: IODP NanTroSEIZE Expedition 358 summary and first results (2019)
  • Author(s): Tobin, H., Hirose, T., Ikari, M., Kanagawa, K., Kimura, G., Kinoshita, M., Kitajima, H., Saffer, D. M., Yamaguchi, A., Maeda, L., Eguchi, N. and Toczko, S.
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2019年大会
  • Invited
• [Presentation] ドレライトおよび花崗岩の中速摩擦特性に対する背景温度の効果 (2019)
  • Author(s): 澤井みち代・横山湧紀・金川久一
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [Presentation] 石英質岩石の中速摩擦強度の支配要因 (2019)
  • Author(s): 金川久一・杉田明日郁・高橋美紀・澤井みち代
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [Presentation] Frictional properties of opal gouge at low-temperature hydrothermal conditions and their implications for seismogenic faulting along subduction-zone megathrusts (2019)
  • Author(s): Kanagawa, K., Nakanishi, T., Kuwana, M., Sawai, M. and Hirose, T.
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [Presentation] 2007-2018南海トラフ地震発生帯掘削計画の科学的成果 (2019)
  • Author(s): 木村 学・木下正高・金川久一・金松敏也・芦 寿一郎・斎藤実篤・廣瀬丈洋・山田泰広・荒木英一郎・江口暢久・ Toczko Sean
  • Organizer: 日本地質学会第126年学術大会
  • Invited
• [Presentation] 南海トラフ地震発生帯掘削計画（IODP358次航海）におけるプレート境界断層に向けた超深度ライザー掘削：達成と今後 (2019)
  • Author(s): 廣瀬丈洋・木下正高・木村 学・山口飛鳥・金川久一・Tobin Harold・Ikari Matt・Kitajima Hiroko・Saffer Demian・前田玲奈・江口暢久・Tockzo Sean
  • Organizer: 日本地質学会第126年学術大会
• [Presentation] Physical properties of the Nankai Trough at IODP Expedition 358 (2019)
  • Author(s): 北村真奈美・Bedford John・Jin Zirou・Stanislowski Katja・曽根大貴・北島弘子・Ikari Matt・木村 学・山口飛 鳥・廣瀬丈洋・金川久一・木下正高・Saffer Demian・Tobin Harold・江口暢久・Toczko Sean・久保雄介・前田玲奈・IODP Expedition 358 Scientists
  • Organizer: 日本地質学会第126年学術大会
• [Presentation] Attempted ultradeep drilling to the Nankai Trough subduction zone plate boundary: The saga of IODP NanTroSEIZE Expedition 358 (2019)
  • Author(s): Tobin H. J., Hirose, T., Ikari, M., Kanagawa, K., Kimura, G., Kinoshita, M., Kitajima, H., Saffer, D. M., Yamaguchi, A., Maeda, L., Toczko, S., Eguchi, N. and IODP Expedition 358 Shipboard Scientific Party
  • Organizer: American Geophysical Union 2016 Fall Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Physical properties of the Nankai Trough at Sites C0002, C0024 and C0025, IODP Expedition 358 (2019)
  • Author(s): Jin, Z., Bedford, J. D., Kitamura, M., Sone, H., Stanislowski, K., Hamada, Y., Kopf, A., Zhang, J., Kitajima, H., Saffer, D. M., Hirose, T., Ikari, M., Kanagawa, K., Kimura, G., Kinoshita, M., Tobin, H. J., Yamaguchi, A., Eguchi, N., Kubo, Y., Maeda, L., Toczko, S. and IODP Expedition 358 Shipboard Scientific Party
  • Organizer: American Geophysical Union 2016 Fall Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Structural observations across the Nankai accretionary prism, IODP Expedition 358 (NanTroSEIZE) (2019)
  • Author(s): Regalla, C., Yamamoto, Y., Ujiie, K., Dielforder, A., Dutilleul, J., Faulkner, D., John, B., Otsubo, M., Ikari, M., Kimura, G., Kitajima, H., Yamaguchi, A., Kanagawa, K., Kinoshita, M., Tobin, H., Saffer, D., Maeda, L., Toczko, S. and the IODP Expedition 358 Shipboard Scientific Party
  • Organizer: American Geophysical Union 2016 Fall Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Heat flow and thermal regime in frontal region of Nankai accretionary prism off Kumano revealed from borehole APCT and observatory thermal data (2019)
  • Author(s): Kinoshita, M., Hamada, Y., Kitajima, H., Sone, H., Saffer, D. M., Tobin, H. J., Kimura, G., Ikari, M., Hirose, T., Yamaguchi, A., Kanagawa, K., Kimura, T., Maeda, L., Toczko, S. and IODP Exp358 Science Party
  • Organizer: American Geophysical Union 2016 Fall Meeting
  • Int'l Joint Research