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Clay-mineralogical features of seismogenic faults in shallow accretionary prisms : Implications to their coseismic slip behaviors
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| Title: | Clay-mineralogical features of seismogenic faults in shallow accretionary prisms : Implications to their coseismic slip behaviors |
| Other Titles: | 粘土鉱物学的手法を用いた付加体浅部断層におけるすべり挙動の推定 |
| Authors: | 増本, 広和 Browse this author |
| Issue Date: | 25-Mar-2019 |
| Publisher: | Hokkaido University |
| Abstract: | Subduction zone earthquake and tsunami are serious natural hazards to people living near the coastal areas. Knowledge on the slip and propagation behaviors to shallow part of megathrust in subduction zone is important to understand tsunamigenic earthquake. In this dissertation, I applied a new temperature proxy to constrain slip parameters for the shallow branching thrust fault from the plate subduction interface (megasplay fault) recovered during the Integrated Ocean Drilling Program (IODP) Nankai Trough Seismogenic Zone Experiment (NanTroSEIZE) and a fossil imbricate thrust from a shallow part in an ancient accretionary prism (Shirako Fault, Japan). The temperature proxy is based on the difference in susceptibility of dehydroxylation reactions of kaolinite and chlorite to heating treatment. To quantify this behavior, I carried out high-temperature X-ray diffraction (XRD) analysis and evaluated the kinetic parameters of each dehydroxylation reaction by thermogravimetric analysis using the Friedman method. For kaolinite, the thermogravimetric data are fitted with a one and a half order equation (F3/2) with an activation energy of 171 kJ mol−1 and a frequency factor of 5.6 × 108 s−1. The data for chlorite are analyzed by the geometrical contracting model equation (R2) with an activation energy of 197 kJ mol−1 and a frequency factor of 4.5 × 109 s−1. Thermal models of frictional heating combined with the above reaction kinetics predict that repeated frictional heating can cause a selective breakdown of kaolinite relative to chlorite. Such a state is truly observed in the megasplay fault of the Nankai Trough and in the slip zone of the Shirako Fault as represented in the XRD patterns. These observations suggest that coseismic slip repeatedly propagated up to the trench in subduction margin, and possibly triggered tsunamis. Besides the clay dehydroxylation, the XRD analysis also revealed a local progression of the smectite-to-illite conversion (S–I) reaction in the above two fault zones. Quantitative analysis indicated that the illite content in mixed-layer illite/smectite is ∼14% higher in the gouge than in the host sediments. A thermal history of the fault constrained by vitrinite reflectance analysis requires a reduction of the apparent activation energy by ∼20%–30% compared with the literature value to explain the observed illitization. These results suggest that the kinetic barrier of the smectite–illite reaction is lowered as a result of mechanochemical processes in seismogenic fault zones. | | 南海トラフなどのプレート沈み込み境界で発生する地震においては， 海底近くまで達するすべり変位が生じると， それに伴う海水面の変化が津波となって周囲に伝わる可能性がある。したがって， プレート境界断層での地震性すべりが海底まで伝播しうるのかを評価することは， 津波を伴う地震を理解する上で非常に重要である。本論文では， そのような断層のすべり挙動を評価するため，南海トラフ地震発生帯掘削計画(Nankai Trough Seismogenic Zone Experiment;NanTroSEIZE) で掘削された南海トラフの巨大分岐断層と， 付加体先端のインブリケート衝上断層を構成していたと考えられている房総付加体の白子断層を対象とし， 断層すべり面試料(断層ガウジ) の鉱物組成分析を行った。また， 標準試料を用いた加熱実験を実施し， 粘土鉱物の脱水反応を利用した新たな地質温度計を作成した。これを上述の断層試料に適用することにより， 各断層における摩擦発熱の温度を求め， すべりパラメータを制約した。得られた結果は，断層に沿って付加体の先端部まで地震性高速すべりが繰り返し伝播した可能性を示唆するものであり， 巨大分岐断層や付加体先端のインブリケート衝上断層は津波を伴う地震を起こしうる断層であることが明らかになった。第1章では， 付加体浅部断層のすべり挙動と， これまでに試みられてきた各種地質温度計を用いた断層のすべり挙動の解析例について概観する。第2章では， 付加体浅部を構成する堆積岩に普遍的に見られるkaolinite とchlorite を対象とし、高温X 線回折(X-ray diffraction; XRD) 実験と熱重量-示差熱分析(Thermogravimetry-differential thermal analysis; TG-DTA) を行い， 各鉱物の脱水反応の速度パラメータを決定した。また、各鉱物の脱水反応に伴うXRD ピーク面積の減少と反応進行度を対応付けた。第3章では， 南海トラフ巨大分岐断層と白子断層を対象とし， 断層ガウジとその周囲の岩石試料について定方位粉末XRD分析を行い， 粘土鉱物組成や混合層構造の検討を行った。その結果、断層ガウジにおいて， kaolinite の脱水反応の進行が見られた。そこで， 2章で得られた粘土脱水反応の速度パラメータに基づいて各断層における温度履歴を評価した。すべり速度， 摩擦係数、すべり継続時間を変化させて摩擦発熱に伴う断層帯の温度発展を計算し， 各イベントにおけるkaolinite とchloriteの脱水反応進行度を計算した。その結果， 南海トラフの巨大岐断層では1回の地震イベントを仮定すればおよそ420–470 ◦Cの範囲の温度上昇でkaoliniteの選択的分解が進行することが示された。反応進行における発熱作用の繰り返しの効果も検討したところ， イベントが10 回の繰り返しであれば断層帯の最高到達温度は約370–420 ◦C, 100 回であれば約330–380 ◦C の温度が見積もられた。一方， 先行研究によるビトリナイト反射率を用いた解析により、巨大分岐断層ガウジの最高到達温度は約330 ◦C と見積もられている。この先行研究の結果をあわせると， 断層では粘土鉱物の反応は室内実験で得られた結果より低い温度で進んでいるか， イベントの繰り返しの積分をみている可能性がある。一方， 白子断層においては， イベントの繰り返しを考慮することで先行研究と矛盾しない摩擦発熱温度(約410–470 ◦C) が得られた。これらの結果は， 沈み込み帯浅部の大規模逆断層では， 地震性すべりが海底付近まで普遍的に伝播することを示唆する。第4章では， 断層におけるイライト-スメクタイト混合層鉱物のイライト化反応を対象とし， 摩擦すべりに伴うメカノケミカル作用が反応に及ぼす影響について検討した。まず南海トラフ巨大分岐断層試料について， XRDによる混合層鉱物の構造評価を行った。その結果， 巨大分岐断層では有意なイライト化反応の進行が確認された。また， ビトリナイト反射率測定から求められた熱履歴に基づき， 既存のイライト化反応速度式を用いて断層内の反応進行を計算したところ， 観察された反応を再現できないことが分かった。これは， 断層すべりに伴うメカノケミカル作用により， イライト化反応が静的な環境よりも進みやすくなっている可能性を示唆している。そこで， イライト化反応速度式の活性化エネルギーを変化させ， 反応の再現を試みた。その結果， 活性化エネルギーを約30%減少させると巨大分岐断層でのイライト化反応を再現できることがわかった。また， 白子断層においても同様の解析を行ったところ， 活性化エネルギーを約20%減少させるとイライト化反応を再現できた。以上の結果は， 地震性すべりによるメカノケミカル作用によって， 断層内の各種反応が促進される可能性を示唆している。このことはまた、断層の熱履歴解析に地質温度を適用する際には， 速度式を適切に較正する必要があることを示している。 |
| Conffering University: | 北海道大学 |
| Degree Report Number: | 甲第13577号 |
| Degree Level: | 博士 |
| Degree Discipline: | 理学 |
| Examination Committee Members: | (主査) 准教授 亀田 純, 教授 竹下 徹, 教授 永井 隆哉 |
| Degree Affiliation: | 理学院（自然史科学専攻） |
| Type: | theses (doctoral) |
| URI: | http://hdl.handle.net/2115/77017 |
| Appears in Collections: | 課程博士 (Doctorate by way of Advanced Course) > 理学院(Graduate School of Science)
学位論文 (Theses) > 博士 （理学）
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