研究課題
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。
2: おおむね順調に進展している
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。
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。
コロナ感染拡大の影響で実験に必要な資材の入手が困難となったため、物品購入の経費を一部繰り越すことになった。すでに資材の入手のための手配は整えているので、今後の研究計画に影響はない。また、学会および打ち合わせ等の出張がすべてオンライン化されたため、旅費に関わる経費を繰り越すことになった。
すべて 2020
すべて 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 2件、 査読あり 3件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (3件) (うち国際学会 3件)
Journal of Geophysical Research Solid Earth
巻: 125(11) ページ: -
10.1029/2020JB019805
Earth and Planetary Science Letters
巻: 546(15) ページ: -
10.1016/j.epsl.2020.116413
Tectonophysics
巻: 784 ページ: -
10.1016/j.tecto.2020.228429
