研究課題
基盤研究(A)
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。
2: おおむね順調に進展している
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。
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。
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すべて 雑誌論文 (6件) (うち査読あり 6件) 学会発表 (16件) (うち招待講演 2件)
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