2018 Fiscal Year Annual Research Report
Experimental Research on the mechanical behavior of brittle-ductile transition of the granitic crust and crstal strength
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18H01297
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
武藤 潤 東北大学, 理学研究科, 准教授 (40545787)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
奥平 敬元 大阪市立大学, 大学院理学研究科, 教授 (20295679)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 上部地殻 / 脆性－塑性遷移 / レオロジー / 剪断帯 / 歪の局所化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、花崗岩類を用いた変形実験から、脆性-塑性遷移での構成則を構築することを目的としている。 今年度は、既存の固体圧変形試験機を用いて、花崗岩類の変形挙動の調査を開始するとともに、流体圧制御の可能なサーボ型の固体試験機の設計開発を行った。既存の試験機を用いて細粒の花崗岩類をもちいた剪断変形実験を封圧：1.5 GPa、温度：800℃、歪速度：10^-5 /sの条件で剪断歪7程度までの変形実験を行った。試料は過去の研究でも用いられており、主に20~30%石英、40~50%長石、20~40%黒雲母からなるGneiss Minutiを使用した。すべての試料はγ ~ 1 程度で降伏し、最大剪断強度は700~800 MPa程度であった。試料は降伏後、著しい歪軟化を示した。回収試料の微細組織観察から、剪断歪が3以上の試料では、試料中心に細粒の伸長した黒雲母の配列によって特徴づけられる剪断帯が形成され、その後の変形は剪断帯での黒雲母の底面すべりによって賄われていることが明らかになった。一方、剪断体からはなれた部分では、剪断歪の増加により受動的に回転するが、結晶内塑性による変形は停止する。このことは、ある程度の歪量を被った大きな剪断帯中では、主すべり（剪断）面以外は、ほとんど変形が止まる（つまり組織発達も停止する）ことを示唆し、断層帯全体の強度も断層面を構成する弱い鉱物の強度で代表されるということを示している。既存の固体圧変形試験機を使った上記の成果に加え、間隙水圧制御およびさらなる高封圧下での変形を可能にするGreen型固体圧変形試験機を制作した。超硬鋼帯巻圧力容器に上部からエンドロードを加えることで、既存のアセンブリを使用したまま、封圧2 GPaでの変形実験が可能になった。これにより実際の上部地殻に近いさらなる低温（高応力）下での変形実験が可能になった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究は複数の鉱物からなる岩石の強度の歪・歪速度・圧力依存性などを精査することで、地殻応力の推定につながる花崗岩類の脆性-塑性遷移領域での構成則(応力と歪・歪速度の関係式)の構築を目指している。上記の目的に対して、初年度は既存の試験機により、歪量の異なる岩石試料を用意し、歪と強度および組織の関係を定性的にではあるが明らかにすることができた。これは当初の想定を上回るものである。特に、歪マーカーを使用した実験により剪断歪量がγ ~ 1 を超える辺りから、試料中に剪断帯が形成され、その後は、剪断帯周囲では受動的に変形することが明らかになった。このことは、ある程度の歪量を被った大きな剪断帯中では、主すべり（剪断）面以外は、ほとんど変形が止まる（つまり組織発達も停止する）ことを示唆し、地質学的観察から報告されている剪断帯内での組織の不均質性に関して重要な示唆を持つ。今後は、剪断体の発達をより細かく歪の関数として明らかにするとともに、回収試料の微細組織観察から組織の発達過程を明らかにしていく。特に剪断帯中心部と剪断帯から離れた部分において、変形を司る鉱物とその変形機構を明らかにすることで剪断体の発達による地殻岩石のレオロジー特性の変化を歪の関数として定量的に理解する。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究は複数の鉱物からなる岩石の強度の歪・歪速度・圧力依存性などを精査することで、地殻応力の推定につながる花崗岩類の脆性-塑性遷移領域での構成則(応力と歪・歪速度の関係式)の構築を目指している。上記の目的に対して、初年度に得られたデータに加え、２台の試験機を駆使して、さらなる実験を行うことで、剪断体の発達をより細かく歪の関数として明らかにし、微細組織の発達過程を明らかにしていく。特に剪断帯中心部と剪断帯から離れた部分において、詳細な微細組織観察を行うことで、変形を司る鉱物とその変形機構を明らかにすることで剪断帯の発達による地殻岩石のレオロジー特性の変化を歪の関数として定量的に理解する。また岩石の変形がバルクでの流動から剪断帯でのすべりに移行した前後において、力学挙動における圧力依存性などを精査する。また新規作成した試験機にはAE計測や間隙水圧制御機構を導入し、包括的に地殻岩石の脆性－塑性遷移付近での力学特性を明らかにしていく。
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