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
| Project/Area Number |
19K21907
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 17:Earth and planetary science and related fields
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| Research Institution | Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology |
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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)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2022-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2020)
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| 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)
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| Keywords | 断層 / 水 / 流速 / 強度回復 / 固体接触 |
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| 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。
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| 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。
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| 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。
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| 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。
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Report
(2 results)
Research Products
(18 results)
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[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.
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Journal Title
Journal of Geophysical Research: Solid Earth
Volume: 125(11)
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[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.
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Journal Title
Tectonophysics
Volume: -
Pages: 1-14
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access
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[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
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Journal Title
Marine and Petroleum Geology
Volume: 印刷中
Pages: 348-355
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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