Potential for ESR signal zeroing of the E' center by experimental fault slips

模擬断層摩擦実験が示したE'中心のESR信号ゼロイングの可能性

田中 桐葉; 大橋 聖和*; 武藤 潤*; 岡 壽崇   

Tanaka, Kiriha; Ohashi, Kiyokazu*; Muto, Jun*; Oka, Toshitaka

電子スピン共鳴(ESR)法を用いた断層活動年代測定法は、断層内物質中の石英の電荷捕獲中心が地震に伴う断層すべりにより完全消滅したこと(ESR信号のゼロイング)を前提としている。しかし、ゼロイングと断層パラメータの関係については、ほとんど理解されていない。過去に行われた高速摩擦実験では、石英中のE'中心のESR信号強度は摩擦仕事率と相関があり、0.60.9MW/mの仕事率で減少し始めることが示唆されている。しかし、より大きな仕事率でゼロイングが起こることを確認するためのデータが不足していた。そこで、すべり速度1m/s、変位量10m、垂直応力1.02.5MPaでの高速摩擦実験を模擬石英ガウジに対して行い、実験前後のガウジに対してESR測定を行った。E'中心のESR信号強度は、摩擦仕事率0.961.4MW/mでは、仕事率の増大とともに減少した。摩擦面近傍の最高温度は0.96MW/mで260C、1.0MW/mで600C、そして1.6MW/mで480Cであることが確認できた。E'中心は300Cで熱的に不安定になり、それ以上の温度ではより不安定になる。したがって、仕事率増大とともに摩擦熱が大きくなり、ESR信号強度は減少したと考えられる。先行研究の結果を踏まえてESR信号と摩擦仕事率の関係を考察すると、摩擦仕事率が0.6から1.4MW/mの範囲では、仕事率の増大とともにESR信号強度は減少することが明示された。E'中心のESR信号のゼロイングが起こるためには、少なくとも地表から100m以上の深さの地震断層すべりが必要であると考えられる。

Electron spin resonance (ESR) dating of a fault assumes that charge trapping centers in quartz in a fault material have been completely annihilated by the seismic fault slip (ESR signal zeroing). There is little understanding of the relationship between the signal zeroing and fault parameters. The previous high-velocity friction (HVF) experiments have implied that the E' center in quartz could be correlated with frictional power density and begin to decrease at a power density of 0.60.9 MW/m. However, the data was lacking to confirm the signal zeroing at higher power density. We performed HVF experiments for simulated quartz gouges with a slip rate of 1 m/s, a displacement of 10 m, and normal stresses of 1.02.5 MPa. ESR measurements were conducted for gouges before and after experiments. The peak-to-peak height of the E' center calibrated by that of the standard material was calculated as the ESR intensity (ESR intensity ratio) of the E' center. The ESR intensity ratio of the E' center decreased with increasing frictional power density of 0.961.4 MW/m. The maximum temperatures near the sliding surface were 260C at 0.96 MW/m, 600C at 1.0 MW/m, and 480C at 1.6 MW/m. The E' center is thermally unstable at 300C and more unstable at higher temperatures. Hence, the ESR intensity ratio might decrease due to larger frictional heating with increasing power density. Comparing our results with those in the previous study, the ESR intensity ratio clearly decreased with increasing power densities of 0.61.4 MW/m. HVF experiments mimic seismic fault slips of earthquakes with a moment magnitude of 89 at shallow depths of 100 m. Seismic fault slip of an earthquake at a depth of at least one hundred meters under the earth's surface can be required for ESR signal zeroing of the E' center.