ここからサイトの主なメニューです

岩石破壊に伴うクラック発生とガス放出の解明

平成20年度年次報告

課題番号:1501

(1)実施機関名:

 東京大学大学院理学系研究科(地殻化学実験施設)

(2)研究課題(または観測項目)名:

 岩石破壊に伴うクラック発生とガス放出の解明

(3)最も関連の深い建議の項目:

 1.(4)ア.摩擦、破壊現象の物理・化学的素過程

(4)その他関連する建議の項目:

 1.(2)ウ.地震発生直前の物理・化学的過程

(5)本課題の平成16年度からの5ヵ年の到達目標と、それに対する平成20年度実施計画の位置付け:

 地殻化学実験施設では、地下起源ガスの観測に基づいて地殻の状態を地球化学的にモニタリングするための基礎研究として、ガス発生の素過程を正しく理解することを目標にしている。重要なことは、どのガス種のどのような変化に注目すればよいのかについて明確に示すことである。そこで、16年からの5カ年計画では、岩石を圧縮する過程において、岩石の物理的な状態変化と放出されるガスの組成と量を実時間で測定するシステムを構築して実験を行ってきた。これまでに、メタンなどの地下起源ガスが岩石の応力状態と関係がある可能性が示された。20年度では、メタンの放出挙動の圧縮速度依存性について岩石サイズや圧縮方法を変えて検討を行うだけでなく、岩石の摩擦溶融に伴って放出されるガスの挙動について評価を試みる。

(6)平成20年度実施計画の概要:

 メタンの放出挙動の圧縮速度依存性について岩石サイズや圧縮方法を変えて検討を行うだけでなく、岩石の摩擦溶融に伴って放出されるガスの挙動について評価を試みる。
 メタンの放出挙動が岩石内部の破壊進行状況と対応するならば、圧縮速度を変える以外の方法で破壊の進行様式を変えても同様のことが確認できるはずである。破壊の進行様式は岩石のサイズで大きな影響を受けるとは考えにくいから、試料サイズを変えても、同じようなメタン放出挙動が得られると考えられる。一方、円柱状花崗岩を側面から圧縮することによって引き裂き破壊を行うと、鉱物間の剥離が支配的になることが期待されるから、異なったメタン放出挙動が得られると考えられる。これらのことから、鉱物破壊とメタン放出の関係について詳細な検討を加える。
 岩石の摩擦溶融に伴って、鉱物内外にある揮発性物質が放出されると考えられる。特に、水・メタン・二酸化炭素などの、thermal pressurizationに関わる化学種について注目し、摩擦溶融時の揮発性物質の挙動について評価を試みる。

(7)平成20年度成果の概要:

 平成20年度は、メタンの放出挙動の圧縮速度依存性について岩石サイズや圧縮方法を変えて詳細な検討を試みた。
 直径50mm高さ100mの円柱状に成形した稲田花崗岩を、四重極質量分析計につながれた真空容器内に封入し、長軸方向に加圧しながら岩石から放出されるガスの組成を1秒間隔で計測してきた。加圧速度が20kPa/s程度の時、還元ガスであるメタンが破壊に至る前から増加し、直前に加速度的に増加する場合があった。このようなメタンの放出挙動の再現性と圧縮速度依存性について調べるために、加圧速度を10kPa/sから80kPa/sまで5kPa/s毎の実験を試みた。これまでの実験結果から、得られるガス量が多いことがわかっていたため、試料サイズを直径20mm高さ40mmに変更した。20kPa/s程度の加圧速度では、破壊前のメタンの緩やかな増加と直前の急増が見られる結果が多く、一方、高速や低速域ではそのような挙動が見られないことが多かった。
 このことは、大気の影響のない条件下で地下起源ガスを観測し、その濃度変化が加速度的に大きくなる場合は、観測深度周辺の応力ひずみ状態が急変していることを示すものであると考えられる。

(8)平成20年度の成果に関連の深いもので、平成20年度に公表された主な成果物(論文・報告書等):

 Tsunomori F. and Kuo M.C., A Mechanism of Radon Concentration Decline Prior to 1978 Izu‐Oshima‐Kinkai Earthquake, Proceedings of the 7th Taiwan‐Japan International Workshop on Hydrological and Geochemical Research for Earthquake Prediction, Tsukuba 2008.
 Koizumi,S., Tsunomori,F. and Notsu,K. Difference in gas emission pattern under different compression rate in uniaxial compression of granites. Pure Appl. Geophys. (in preparation, 2008)

(9)本課題の5ヵ年の成果の概要:

 本課題の目標は、地震発生を化学物質を指標として行うためには、どの化学物質のどのような変化に注目すればよいかについて、岩石実験から提言することであった。
 地震の発生前には、亀裂の生成などにより地殻内に包有されていたガスが放出されると考えられる。例えば、ラドン・ヘリウム・アルゴン・メタン・二酸化炭素は、有力なガスと目されている。岩石が最終破壊に至る前に生成した亀裂を通して、そのような岩石起源のガスが岩石から放出されるとしたら、どのガスがどのようなパターンで放出されるかを調べれば、地震発生の予測につながると期待できる。
 円柱状の花崗岩を真空容器に封入し、長軸方向に6kN/m2sで応力増加させながら、真空容器内のガス組成を1秒間隔で計測した。この結果、還元ガスであるメタンが破壊に至る前から増加し、直前に加速度的に増加する場合があった。このことは、大気の影響のない条件下で地下起源ガスを観測し、その濃度変化が加速度的に大きくなる場合は、観測深度周辺の応力ひずみ状態が急変していることを示すものであると考えられる。
 上記の結果は、限定された範囲の応力増加速度であることと、天然試料を使用したことによって、統計的な有意性をさらに向上させるため、今後も継続して実験を進めて行きたい。
 それでもなお、実験条件が地震発生前に起きると予想される高速の地殻変動に対応するものであることから、大気の影響が無視できる程度の地下深部で、ラドン・ヘリウム・アルゴン・メタン・二酸化炭素などのガス濃度が急激に増加することに注目することは、地震発生予測の指標となりうることを示唆するものであるといえる。
 破壊に伴うメタンの放出を定量化するためには,花崗岩の中のどこからメタンが出てくるかを明らかにする必要があり,メタンの存在場所を調べる実験を行った.同一の花崗岩試料を、ジョークラッシャーや乳鉢などで調粒し、磁化率や比重によって石英、長石、黒雲母に分離した。分離の純度99%以上である。分離精製された鉱物を元の花崗岩の組成と同じになるように混合した混合試料を0.9g、単一鉱物それぞれを0.9 g、そして鉱物分離していない0.9 gの花崗岩小片、の計5種類の試料を準備し、岩石粉砕用真空容器の中で、1000回の衝撃破壊を行って粉砕し、放出される全ガス量と組成を測定した。その結果、花崗岩小片からは0.17±0.06 cm3STP/g、混合試料からは0.14±0.05 cm3STP/gのメタンが放出され、放出ガス量に違いは見られなかった。単一鉱物の場合は、石英が0.23±0.06 cm3STP/g、長石が0.08±0.05 cm3STP/g、黒雲母が0.36±0.11 cm3STP/gで、鉱物ごとに見ると長石、石英、黒雲母の順で含まれるメタン量が多いことが分かる。これをモード解析の結果で数値上の混合を行うと、これも0.14±0.05 cm3STP/gとなって、数値上は混合試料のものと全く一致した。もしメタンが鉱物と鉱物の間の粒間物質中に相当量が存在しているとしたら、以上の結果はかなりの不一致を示したはずであるが、誤差の範囲内で一致したことは、メタンはほとんど鉱物内にあり、鉱物が破砕されることによってのみ外に放出されることを示していた。

(10)実施機関の参加者氏名または部署等名:

 角森史昭、野津憲治
 他機関との共同研究の有無:なし

(11)公開時にホームページに掲載する問い合わせ先:

 部署等名:東京大学大学院理学系研究科地殻化学実験施
 電話:03‐5841‐4624
 e‐mail:notsu@eqchem.s.u‐tokyo.ac.jp
 URL:http://www.eqchem.s.u‐tokyo.ac.jp/

お問合せ先

研究開発局地震・防災研究課

(研究開発局地震・防災研究課)

-- 登録:平成22年01月 --