Frictional properties of accreted basalt at low to high velocities
斎藤 翼・氏家恒太郎(筑波大学生命環境科学研 究科)・堤 昭人(京都大学理学研究科) Frictional properties of accreted basalt at low to high velocities Tsubasa Saito, Kohtaro Ujiie (University of Tsukuba), and Akito Tsutsumi (Kyoto University) 近年の南海トラフをはじめとする沈み込み帯における反射法地震探 査研究結果は、地震破壊のほとんどは海洋地殻最上部の玄武岩内で起こ っていることを示唆している(Bangs et al., 2009など)。事実、南海トラフ の陸上アナログである四万十付加体では、玄武岩内部で地震性すべりが 起こった証拠が報告されている (Ujiie et al., 2007など)。このように海溝 型地震の発生過程を理解するうえで、玄武岩は鍵となる物質であると考 えられるが、これまで玄武岩の摩擦特性を検討した研究はほとんどない。 そこで本研究では、四国東部に分布する四万十付加体上部白亜系牟岐メ ランジュから採取された玄武岩質物質を用い、低速~高速域における摩 擦特性の検討を行った。 牟岐メランジュでは、玄武岩を基底として海洋プレート層序が6回繰 り返しており、プレート境界断層が海洋地殻上部へスッテプダウンし底 付け付加した際に形成されたデュープレックス構造を反映していると 考えられている(Ikesawa et al., 2005)。繰り返しの基底を為す断層は厚さ 数十mで、玄武岩起源のウルトラカタクレーサイト・面状カタクレーサ イト、枕状・塊状玄武岩、ハイアロクラスタイトで構成されている。こ のうちウルトラカタクレーサイトでは、粉砕物の fluidizationや摩擦発熱 に伴う物質変化など地震性すべりの証拠が報告されている(Ujiie et al., 2007; 2008; Kameda et al., 2011)。この地震性すべりの証拠が見出された 玄武岩断層露頭から、ウルトラカタクレーサイト、面状カタクレーサイ ト、枕状玄武岩を摩擦実験用試料として採取した。 実験は、京都大学理学研究科所有の回転式せん断摩擦試験機を用いて、 低速域での速度急変実験と高速摩擦実験の双方を行った。試料は 40°C で 24 時間乾燥させた後、乳鉢で粉末状にし、模擬ガウジとした。速度 急変摩擦実験は垂直応力 5.0 MPa、すべり速度 0.0028-0.028-0.28-2.8 mm/s、 高速摩擦実験は垂直応力 2.0 MPa、すべり速度 1.27 m/sとし、どちらも 含水状態で行った。 低速時(0.28 mm/s)の摩擦係数は、同一変位量で比較すると、枕状玄武 岩が最も高く(0.67-0.75)、面状カタクレーサイト(0.47-0.53)、ウルトラカ タクレーサイト(0.38-0.5)と低くなる。速度急変時の過渡的な挙動を比較 すると、枕状玄武岩は負の速度依存性を示す一方、面状カタクレーサイ トとウルトラカタクレーサイトは正の速度依存性を示した。また、ウル トラカタクレーサイトはすべり速度 0.028-2.8 mm/sの範囲における急加 速時に過渡的なピークが見られなかった。 高速摩擦実験では全ての試料が実験開始直後にピーク摩擦係数に到 達した後、すべり弱化し、定常摩擦へと至る挙動を示した。ピーク摩擦 係数は、ウルトラカタクレーサイトは低いのに対し(0.26–0.29)、枕状玄 武岩と面状カタクレーサイトはそれぞれ 0.49–0.57と 0.6–0.75であった。 すべり弱化距離は、枕状玄武岩とウルトラカタクレーサイトでは非常に 短いが、面状カタクレーサイトは相対的に長い。定常摩擦係数は、枕状 玄武岩が 0.07–0.1、ウルトラカタクレーサイトが 0.08–0.19、面状カタク レーサイトが 0.13–0.2であった。 以上の結果は、不安定すべりは枕状玄武岩で生じやすいのに対し、地 震破壊はウルトラカタクレーサイトに沿って伝播しやすいことを示し ている。今後、実験試料の鉱物組成や微細構造について検討し、上記の 摩擦特性を決定する要因を明らかにしていく予定である。