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水が流れている環境下における固体接触物理・化学モデルの構築

Research Project

Project/Area Number 19K21907
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Medium-sized Section 17:Earth and planetary science and related fields
Research InstitutionJapan Agency for Marine-Earth Science and Technology

Principal Investigator

廣瀬 丈洋  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), グループリーダー (40470124)

Project Period (FY) 2019-06-28 – 2022-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥6,110,000 (Direct Cost: ¥4,700,000、Indirect Cost: ¥1,410,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Keywords断層 / 水 / 流速 / 強度回復 / 固体接触
Outline of Research at the Start

物質の強度が時間と共に大きくなる現象は、固体と固体の微小な接触域が圧力溶解などのメカノケミカル反応によって固着し、接触面積が増加することに起因する。長期間放置されたタンスの方が、移動させる際にすべらせることが難しくなるのも同じメカニズムである。本研究では、これまで実験が困難であった水の流れがある条件で「すべり-固着-すべり」を繰り返す実験(フローSHS試験)に挑戦する。そして、固着時に進行する接触域の微小変形によって、摩擦強度回復がどの程度変化するのかいうことを実験によって詳細に調べる。さらに、接触域の微細変形組織観察を行い、流れ環境下での固体接触域の物理化学プロセスの解明を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

地殻内部の断層に沿って、水は普遍的に流れている。この水と岩石の物理・化学相互作用によって、断層の強度と水理特性は時間とともに劇的に変化する。しかし、この水の流れそのもの(流速)が、これら断層物理特性にどのような影響を及ぼすかはよくわかっていない。本研究では、「水の流れが断層の強度回復(断層シール効果)を抑制する」という仮説を、新たに開発する流速環境下での摩擦実験によって検証する。特に、「流速によって断層の強度回復速度がどのように変化するのか」ということを詳細に調べて、流速と断層の強度回復速度(および透水係数)の相関関係を確立するとともに、その相関式を支配する固体接触域での物理化学プロセスを解明することを、本研究では目指している。
令和2年度は、初年度に構築した流速を長期連続制御できるシステムを用いて、「すべり-固着-すべり」を繰り返す実験(フローSHS試験)をおこなった。実験は、破壊が起こりにくいジルコニアボールを用いて様々な流速条件下でおこなった。その結果、すべりはじめにダイレーションが起こること、すべり停止とともに圧密が進むこと、そしてダイレーション・圧密に伴って水圧が変化する傾向を捉えることができた。流れる水が圧密による接触面の増加を妨げ、断層の強度回復を抑制していることが予察的にわかった。しかし、現在使用している水圧計の精度では水圧がどの程度変動しているのかを定量的につかむことができなかった。次年度は、フローSHS実験に最適な水圧計を用いて、断層面を押さえつけている有効垂直応力(垂直応力―水圧)を計測し、有効垂直応力と断層の強度の相関を調べていく予定である。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

令和2年度は、流速を長期連続制御できるシステムを用いて、フローSHS試験をおこなった。実験には、破壊が起こりにくい球状のジルコニア(0.03~1 mm)を用いて様々な流速条件下(0.01~20 ml/min)でおこなった。その結果、粒径が大きいジルコニアでは摩擦の変動が大きくなってすべり始めの摩擦ピーク値を解析できないこと、そして、流速がはやい場合は水圧が上昇することがわかった。これらの結果をもとに、実験に最適な粒径と流速をわりだしてSHS実験をおこなうことで、(1)すべりはじめに断層帯内部でダイレーションが起こること、(2)すべり停止とともに圧密が進むこと、そして(3)ダイレーション・圧密に伴って水圧が変化する傾向を捉えることができた。しかし、現在試験機に組み込まれている水圧計の精度では水圧変動を正確に計測することが困難であることがわかった。水圧が上昇すると断層帯中の固体接触面積を減少させる効果があることから、その変動を正確に捉えることは非常に重要である。次年度は、SHS実験に最適な水圧計を用いて、断層面を押さえつけている有効垂直応力(垂直応力―水圧)を計測し、SHS実験中の有効垂直応力と断層の強度の相関を調べていく予定である。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度は、フローSHS実験に最適な水圧計を導入し、SHS実験中の有効垂直応力を計測できるように試験機を改良する。そして、有効垂直応力と断層の強度の相関が固着時間の増加とともにどのように変化するかを調べて、流速が断層の強度回復に与える影響を評価したい。また、断層帯内部の固体接触域で起こっている物理現象を探るため、(1)すべりの開始・継続・停止時の水圧と断層帯の厚みデータの解析、および(2)SHS実験回収試料の走査型電子顕微鏡観察をおこなう。試料をうまく回収する方法を確立できれば、マイクロX線CT装置を用いて接触域の3D構造を観察することも試みたい。
一連のフローSHS実験およびその回収試料の微細組織の観察結果から、流速と強度回復速度との相関を説明しうる断層固体接触域の物理化学モデルの構築を目指す。さらに、このモデルが自然界の長い時間スケールの物理化学プロセスに適応可能かを検討したい。

Report

(2 results)
  • 2020 Research-status Report
  • 2019 Research-status Report

Research Products

(18 results)

All 2020 2019

All Journal Article (9 results) (of which Int'l Joint Research: 8 results,  Peer Reviewed: 9 results,  Open Access: 4 results) Presentation (9 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Influence of effective stress and pore-fluid pressure on fault strength and slip localization in calcite gouges2020

    • Author(s)
      Rempe, M., Di Toro, G., Mitchell, T., Smith, S., Hirose, T., Renner, J.
    • Journal Title

      Journal of Geophysical Research: Solid Earth

      Volume: 125(11)

    • DOI

      10.1029/2020jb019805

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Rupture to the trench? Frictional properties and fracture energy of incoming sediments at the Cascadia subduction zone2020

    • Author(s)
      Seyler, C., Kirkpatrick, J., Savage, H, Hirose, T., Faulkner, D.
    • Journal Title

      Earth and Planetary Science Letters

      Volume: 546(15)

    • DOI

      10.1016/j.epsl.2020.116413

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [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 gel2020

    • Author(s)
      Kanagawa, K., Murayama, H., Sugita, A., Takahashi, M., Sawai, M., Furukawa, N. and Hirose, T.
    • Journal Title

      Tectonophysics

      Volume: - Pages: 1-14

    • DOI

      10.1016/j.tecto.2020.228429

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Hot fluids, burial metamorphism and thermal histories in the underthrust sediments at IODP 370 site C0023, Nankai Accretionary Complex2020

    • Author(s)
      Tsang Man-Yin、Bowden Stephen A.、Wang Zhibin、Mohammed Abdalla、Tonai Satoshi、Muirhead David、Yang Kiho、Yamamoto Yuzuru、Kamiya Nana、Okutsu Natsumi、Hirose Takehiro、Kars Myriam、Schubotz Florence、Ijiri Akira、Yamada Yasuhiro、Kubo Yusuke、Morono Yuki、Inagaki Fumio、Heuer Verena B.、Hinrichs Kai-Uwe
    • Journal Title

      Marine and Petroleum Geology

      Volume: 112 Pages: 104080-104080

    • DOI

      10.1016/j.marpetgeo.2019.104080

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      2019 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Strength Profile of the Inner Nankai Accretionary Prism at IODP Site C00022019

    • Author(s)
      Kitamura Manami、Kitajima Hiroko、Sone Hiroki、Hamada Yohei、Hirose Takehiro
    • Journal Title

      Geophysical Research Letters

      Volume: 46 Pages: 10791-10799

    • DOI

      10.1029/2019gl083732

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      2019 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Frictional melt homogenisation during fault slip: Geochemical, textural and rheological fingerprints2019

    • Author(s)
      Wallace Paul A.、De Angelis Sarah H.、Hornby Adrian J.、Kendrick Jackie E.、Clesham Stephen、von Aulock Felix W.、Hughes Amy、Utley James E.P.、Hirose Takehiro、Dingwell Donald B.、Lavallee Yan
    • Journal Title

      Geochimica et Cosmochimica Acta

      Volume: 255 Pages: 265-288

    • DOI

      10.1016/j.gca.2019.04.010

    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] A New Method for Quality Control of Geological Cores by X-Ray Computed Tomography: Application in IODP Expedition 3702019

    • Author(s)
      Tonai Satoshi、Kubo Yusuke、Tsang Man-Yin、Bowden Stephen、Ide Kotaro、Hirose Takehiro、Kamiya Nana、Yamamoto Yuzuru、Yang Kiho、Yamada Yasuhiro、Morono Yuki、Heuer Verena B.、Inagaki Fumio、Expedition 370 Scientists
    • Journal Title

      Frontiers in Earth Science

      Volume: 7 Pages: 1-13

    • DOI

      10.3389/feart.2019.00117

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      2019 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Strength characteristics of sediments from a gas hydrate deposit in the Krishna-Godavari Basin on the eastern margin of India2019

    • Author(s)
      Takehiro Hirose, Wataru Tanikawa, Yohei Hamada, Weiren Lin, Kentaro Hatakeda, Osamu Tadai, Hung Y. Wu, Shun Nomura, Natsue Abe, Lallan P. Gupta, Takamitsu Sugihara, Yuka Masaki, Masataka Kinoshita, Yasuhiro Yamada, NGHP Expedition 02 JAMSTEC Science Team
    • Journal Title

      Marine and Petroleum Geology

      Volume: 印刷中 Pages: 348-355

    • DOI

      10.1016/j.marpetgeo.2018.08.017

    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Porosity, permeability, and grain size of sediment cores from gas-hydrate-bearing sites and their implication for overpressure in shallow argillaceous formations: Results from the national gas hydrate program expedition 02, Krishna-Godavari Basin, India2019

    • Author(s)
      Tanikawa Wataru、Hirose Takehiro、Hamada Yohei、Gupta Lallan P.、Ahagon Naokazu、Masaki Yuka、Abe Natsue、Wu Hung Y.、Sugihara Takamitsu、Nomura Shun、Lin Weiren、Kinoshita Masataka、Yamamoto Yuzuru、Yamada Yasuhiro
    • Journal Title

      Marine and Petroleum Geology

      Volume: 108 Pages: 332-347

    • DOI

      10.1016/j.marpetgeo.2018.11.014

    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] A consideration on friction experiments with synchrotron radiation towards unveiling earthquake generation processes2020

    • Author(s)
      Hirose Takehiro, Kono Yoshio
    • Organizer
      JpGU-AGU Joint Meeting 2020
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] High Fluid Pressure Patch beneath the Decollement as a Potential Source of Slow Earthquakes at the Nankai Trough2020

    • Author(s)
      Hirose Takehiro, Hamada Yohei, Tanikawa Wataru, Kamiya Nana, Yamamoto Yuzuru, Tsuji Takeshi, Kinoshita Masataka
    • Organizer
      JpGU-AGU Joint Meeting 2020
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Experimental investigation of strength recovery under fluid flow2020

    • Author(s)
      Hamada Yohei, Hirose Takehiro, Tanikawa Wataru
    • Organizer
      AGU Fall Meeting 2020
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 南海トラフ地震発生帯掘削計画(IODP 358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、北島 弘子、Saffer Demian、前田 玲奈、Toczko Sean、江口 暢久
    • Organizer
      地質学会第126年学術大会
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    • Invited
  • [Presentation] 南海トラフ地震歪蓄積域における岩石強度と応力状態: NanTroSEIZE Site C0002における解析2019

    • Author(s)
      廣瀬 丈洋、濱田 洋平、北村 真奈美、北島 弘子、曽根 大貴、Saffer Demian、Tobin Harold
    • Organizer
      地質学会第126年学術大会
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  • [Presentation] A new hydrothermal, low to high speed rotary-shearing apparatus: Reproduction of slow/megathrust earthquakes in laboratory2019

    • Author(s)
      Hirose Takehiro, Tanikawa Wataru, Hamada Yohei, Okazaki Keishi
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合2019年大会
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  • [Presentation] Frictional properties of opal gouge at low-temperature hydrothermal conditions and their implications for seismogenic faulting along subduction-zone megathrusts2019

    • Author(s)
      Kanagawa Kyuichi, Nakanishi Tomoya, Kuwana Morito, Sawai Michiyo, Hirose Takehiro
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合2019年大会
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  • [Presentation] 地震断層の強度回復過程に対する間隙水の流速が及ぼす影響2019

    • Author(s)
      濱田 洋平、廣瀬 丈洋、谷川 亘
    • Organizer
      日本地質学会第126年学術大会
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  • [Presentation] Change in redox conditions by a quake in the interior of planets2019

    • Author(s)
      Hirose Takehiro, Nakada Ryoichi, Okazaki Keishi, Shibuya Takazo
    • Organizer
      American Geophysical Union Fall Meeting 2019
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    • Int'l Joint Research

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Published: 2019-07-04   Modified: 2021-12-27  

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