東北日本弧プレート境界面の力学特性解明を目指した実験的研究

2012 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 24244077
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 長濱 裕幸 東北大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (60237550)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 武藤 潤 東北大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (40545787) ; 清水 以知子 東京大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (40211966) ; 長瀬 敏郎 東北大学, 学術資源研究公開センター, 准教授 (10237521)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2015-03-31
• Keywords: 岩石変形実験 / 沈み込み帯 / 東北日本 / プレート境界地震 / レオロジー

Research Abstract

沈み込み帯を構成する岩石の摩擦挙動を解明するために、既設のガス圧変形試験の改良を行った。プレテック社製同試験機専用サーボシステム一式（間隙圧兼封圧調整器、油圧装置、ピストン変位・軸力サーボ制御装置、間隙圧・封圧サーボ制御装置）を購入し、サーボ制御化した。これにより、極めて多彩なピストン変位、軸力、封圧、間隙圧の制御を高速・高精度かつ安定的に制御することが可能になった。
予察実験には、沈み込み帯を構成する岩石の中で、かんらん岩や蛇紋岩の模擬断層ガウジを用いて摩擦実験を行い、破壊伝播速度が摩擦係数に反比例、垂直応力に比例することを明らかにした。このことは、沈み込み帯深部プレート境界において、脱水により生成した高間隙圧流体の存在と弱い断層物質（蛇紋岩類など）の存在が、ゆっくりとした破壊（スロー地震など）を引き起こす可能性を示唆している（Geologyに投稿査読中）。さらに、石英岩の非晶質化による断層弱化機構の解明を目指し、摩擦の素過程であるアスペリティの剪断運動を模擬した摩擦実験を行った。石英が摩擦によって、SiO4四面体が3もしくは4員環をなす非常に歪んだ構造になり、含水化した非晶質非晶質シリカが生成することで、速度弱化した可能性を指摘した（Geophys. Res. Lett.に掲載）。
地震後の余効変動を左右する岩石の粘性挙動における水の効果を明らかにするために、固体圧変形試験機を使って、島弧下部地殻の主要構成鉱物である斜長石の流動に対する水の効果を調べた。添加する水の量および変形速度に応じて、流動強度及び変形特性が変化することから、水の拡散現象が変形挙動を大きく左右する可能性がある。またこれまで報告されている地温構造、地震発生層厚さなどを使い、余効変動解析において重要な東北日本弧島弧－海溝系の粘性構造を提唱した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

H24年度は、科研費を使い、東北大学に既設のガス圧式高温高圧変形試験機の改修を行い、載荷システムおよび間隙圧システムのサーボ化を行った。11月末に改修を行ったが、その後、予察的な実験を幾つか行うことができた。予察的な実験として、沈み込み帯を構成する岩石でこれまでにあまりデータの無いカンラン石、蛇紋岩類のガウジを用いた摩擦実験を行った。また固体圧変形試験機による実験では、圧媒体に塩を用いたアセンブリの開発を行い、応力測定精度の向上を計った。予察的な実験として、金属試料を用いた実験を行い、力学測定精度、再現性の確認を行なっている。以上の二点に加え、東北沖での地球物理学的な観測結果から岩石種の推定を行うために、ガス圧変形試験機を用いた岩石の超音波測定システムの構築にも着手した。こちらも高圧室温下での校正を終えることが出来た。以上の観点から、3ヵ年の研究計画において、初年度は概ね順調に研究は進展し、次年度以降の研究計画の見通しがたった。

Strategy for Future Research Activity

ガス圧変形試験機を用いて、余効すべりの卓越する400度までの様々な温度において、摩擦の速度依存性(すべりの不安定性)への温度の効果を明らかにする。また間隙圧を制御した摩擦実験を行い、高圧間隙流体が断層の摩擦強度及び不安定性に及ぼす影響を明らかにする。さらに、高温・高圧で使用可能な圧電素子を用いた岩石の弾性波速度測定システムをガス圧試験機中に組み込む。室内での弾性波速度測定実験と地球物理学的な観測結果とを対比することでプレート境界構成岩石の推定が可能な速度測定方法を構築する。固体圧変形試験機は、塩を圧媒体に用いた高温・高圧変形実験を行い、沈み込み帯岩石の脆性―塑性遷移及び流動特性を明らかにする。沈み込み帯岩石の剪断実験から、変形条件(温度、圧力) に応じて、各岩石試料の力学挙動を調べる。実験試料の選定には、東北沖を対象とする地球物理学的観測から、余震活動、余効変動に注視し摩擦実験や流動変形実験条件を決定する。また四万十帯など地表に産する“化石”沈み込み帯プレート境界のフィールド調査や台湾集集地震掘削(TCDP)試料などから、変形実験・弾性波速度測定実験の試料を選定する。特に、沈み込み帯を構成する岩石の中で、データの少ないかんらん岩や堆積岩(泥岩、チャートなど)などを実験試料として用いる。出発試料は、電子顕微鏡などを用いて、微細組織や鉱物組み合わせなどを評価し、実験試料を決定する。変形試験機を用いて行った実験試料は、東北大学および東京大学が所有する電界放射型走査型電子顕微鏡、後方電子散乱回折法、透過型電子顕微鏡、赤外・ラマン分光法などを用いて、その微細組織観察を行い、変形機構を明らかにする。得られた結果を取りまとめ、日本地球惑星科学連合、日本地質学会、日本地震学会、アメリカ地球物理学連合などで学会発表を行う。

Research Products

• [Journal Article] Imaging of internal stress around a mineral inclusion in a sapphire crystal: Application of micro-Raman and photoluminescence spectroscopy (2013)
  • Author(s): Noguchi, N., Abduriyim, A., Shimizu, I., Kamegata, N., Odake, S., Kagi, H.,
  • Journal Title: Journal of Raman Spectroscopy Volume: Vol. 44 Pages: 147-154
  • DOI: 10.1002/jrs.4161
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Shimazakiite-4M and shimazakiite-4O, Ca2B2O5, two polytypes of a new mineral from Fuka, Okayama Prefecture, Japan (2013)
  • Author(s): Kusachi, I., Kobayashi, S., Takeuchi, Y., Nakamuta, Y., Nagase, T., Yokoyama, K., Momma, K., Miyawaki, R., Shigeoka, M., Matsubara, S.
  • Journal Title: Mineralogical Magazine Volume: Vol. 77 Pages: 93-105
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Texture of lutecite (2013)
  • Author(s): Nagase,T., Momma, K., Kuribayashi, T., Tanaka, M.
  • Journal Title: Journal of Mineralogical and Petrological Sciences Volume: Vol. 108 Pages: 印刷中
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Amorphization of quartz by friction: Implication to silica-gel lubrication of fault surfaces (2012)
  • Author(s): Nakamura, Y., Muto, J., H. Nagahama, Shimizu, I., Miura, T., Arakawa, I.
  • Journal Title: Geophysical Research Letters Volume: Vol. 39 Pages: 053228
  • DOI: 10.1029/2012GL053228
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 東日本太平洋沖地震後の余効変動解析へ向けた東北日本弧レオロジー断面 (2012)
  • Author(s): 武藤潤, 大園真子
  • Journal Title: 地質学雑誌 Volume: 118巻 Pages: 323-333
  • DOI: 10.5575/geosoc.2012.0026
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Tanohataite, LiMn2Si3O8(OH): a new mineral from the Tanohata mine,Iwate Prefecture,Japan. (2012)
  • Author(s): Nagase, T., Hori, H., Kitamine, M., Nagashima, M., Abduriyim, A., Kuribayashi, T.
  • Journal Title: Journal of Mineralogical and Petrological Sciences Volume: Vol. 107 Pages: 149-154
  • DOI: 10.2465/jmps.111130
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Effect of crustal fluids on plastic deformation of polycrystalline anorthite.
  • Author(s): Muto, J., Fukuda, J., Nagahama, H.
  • Organizer: Achievements of G-COE Program for Earth and Planetary Dynamics and the Future Perspectives.
  • Place of Presentation: 仙台市戦災復興記念館（宮城県）
• [Presentation] Microstructures and grain size distribution of pulverized fault rocks: Examples fromSan Andreas Fault and Arima- Takatsuki Tectonic Line.
  • Author(s): Nakatani, T., Muto, J., Nishikawa, O., Nagahama, H., Otsuki, K.
  • Organizer: Achievements of G-COE Program for Earth and Planetary Dynamics and the Future Perspectives.
  • Place of Presentation: 仙台市戦災復興記念館（宮城県）
• [Presentation] Fabric evolution of single crystals of synthetic quartz sheared at low temperature.
  • Author(s): Kaneko, H., Muto, J., Nagahama, H.
  • Organizer: Achievements of G-COE Program for Earth and Planetary Dynamics and the Future Perspectives.
  • Place of Presentation: 仙台市戦災復興記念館（宮城県）
• [Presentation] Microstructures and grain size distribution of pulverized fault rocks
  • Author(s): Muto, J., Nakatani ,T., Nishikawa, O., Nagahama, H., Otsuki, K.
  • Organizer: 10th International Workshop on Water Dynamics
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県）
• [Presentation] Experimental study about mechanical behavior of simulated fault gouge toward unstable slip
  • Author(s): Hirata, M., Muto, J., Nagahama, H., Otsuki, K.
  • Organizer: 10th International Workshop on Water Dynamics
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県）
• [Presentation] 3D X- ray CT measurement of fracture in rock mineral using fractal concepts
  • Author(s): Yamaki, J., Muto, J., Nagahama, H.
  • Organizer: 10th International Workshop on Water Dynamics
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県）
• [Presentation] ピンオンディスク摩擦試験による石英非晶質化
  • Author(s): 武藤潤, 中村悠, 長濱裕幸, 清水以知子, 三浦崇, 荒川一郎
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ（千葉県）
• [Presentation] 人工アノーサイト多結晶体の変形実験:水の効果
  • Author(s): 福田惇一, 武藤潤, 長濱裕幸
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ（千葉県）
• [Presentation] 東北日本沈み込み帯・島弧地殻のレオロジー構造と東北沖地震の 2 次元余効変動解析
  • Author(s): 武藤潤, 芝崎文一郎, 伊藤喜宏, 飯沼卓史, 大園真子, 松本拓己, 岡田知巳
  • Organizer: 日本地震学会
  • Place of Presentation: 函館市市民会館（北海道）
• [Presentation] 東北沖プレート境界逆断層における脆性-延性転移
  • Author(s): 清水以知子
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ（千葉県）
• [Presentation] カソードルミネッセンス像による水晶の成長履歴の解析
  • Author(s): 長瀬敏郎, 栗林貴弘, 山田亮一, 門馬 綱一
  • Organizer: 日本鉱物科学会
  • Place of Presentation: 京都大学（京都府）
• [Presentation] 秋田県松峰鉱山産ならびに青森県湯ノ沢鉱山産ウルツ鉱の内部組織と形成過程
  • Author(s): 長瀬敏郎, 山田亮一, 栗林貴弘
  • Organizer: 資源地質学2012 年度年会学術講演会
  • Place of Presentation: 東京大学（東京都）
• [Presentation] Pulverized rock の微細構造と粒径分布：サンアンドレアス断層と有馬高槻構造線
  • Author(s): 中谷剣, 武藤潤, 西川治, 長濱裕幸, 大槻憲四郎
  • Organizer: 日本地質学会
  • Place of Presentation: 大阪市立大学（大阪府）
• [Presentation] 長石多結晶体への水の導入と塑性変形の促進
  • Author(s): 福田惇一, 武藤潤, 長濱裕幸
  • Organizer: 日本地質学会
  • Place of Presentation: 大阪市立大学（大阪府）
• [Presentation] 東北日本弧不均質粘性構造を考慮した東北沖地震の2次元余効変動解析
  • Author(s): 武藤潤, 芝崎文一郎, 伊藤喜宏, 飯沼卓史, 大園真子, 松本拓己, 岡田知巳
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ（千葉県）
  • Invited
• [Presentation] 2011年東北地方太平洋沖地震（Mw = 9.0）前の大気中ラドン濃度変動
  • Author(s): 長濱裕幸, 安岡由美, 鈴木俊幸, 本間好, 武藤潤, 多鹿優佳里, 関明日香
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会講演会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター（北海道）
  • Invited