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[SCG54-02] 摩擦発熱が石英のOSL信号に与える影響 －短時間加熱実験による検証－
キーワード：光刺激ルミネッセンス、加熱実験、熱アニーリング、摩擦発熱、活断層
近年，光刺激ルミネッセンス（OSL）年代測定法を断層の年代測定に適応する試みが行われている．摩擦実験により石英のOSL信号のリセット条件は判明しつつあり，OSL信号の減少に直接影響しているのは摩擦発熱であると指摘されている（Kim et al., 2019; Yang et al., 2019; Oohashi et al., 2020）．しかし，摩擦実験では摩擦発熱に加え，摩擦そのものや破砕など物理的要因が複合的に生じる．そこで，石英の短時間加熱実験を行い，純粋に熱が石英のOSL信号挙動に与える影響について検証した．
出発物質は，山口県宇部市丸尾港付近の海岸砂から分離した粒経150－250 μmの石英粒子に，約200 Gyのガンマ線を蓄積させたものである．短時間加熱実験は，村上・田上（2020）で提案されている偏光ゼーマン原子吸光光度計のグラファイトファーネス（キュベット）を用いる方法を改良して実施した．実験手順は，あらかじめキュベット上部の試料注入口から石英粒子0.005 g（250粒子相当）を投下し，そのキュベットを装置にセットして加熱を行うという流れで行った．また，キュベット内部の温度は，装置上部に設置した赤外線サーモグラフィーカメラ（NEC Avio赤外線テクノロジー株式会社；H2640）で測定した．加熱条件はこれまでに行った摩擦実験での摩擦発熱温度と実験時間，およびOSL信号の変化を参考に，温度200－500℃，時間3－75 sに決定した．なお，キュベットの昇温／降温には一定の時間（約10秒ずつ）を要するが，先述した実験時間に昇温／降温の時間は含めていない．
OSL測定は１アリコット10粒子で，各加熱条件4－10アリコットずつ行った．OSL信号の変化は，メインのOSL強度Lnをテスト線量10 Gy照射時のOSL強度Tnで規格化したOSL強度Ln/Tnで比較した．加熱実験を行っていない出発石英のLn/Tn平均値は9.70，最小値は2.39，最大値は15.51であった．200℃で加熱した石英のLn/Tn分布は実験時間による差はほとんどなく，平均値は出発石英よりも優位に減少していた．250℃と350℃で加熱した石英のLn/Tn平均値は，実験時間10秒以上でほぼ0となった．また，400℃以上の加熱では，いずれの実験時間（3－10 s）においてもLn/Tn平均値はほぼ0であった．メインの発光ピークが出発石英よりも優位に低く，Ln/Tn平均値が標準偏差内でほとんど０のものを完全リセット，Ln/Tn平均値が0ではないが出発石英よりも優位に減少しているものを部分リセットと判断した．
全体的な傾向として，加熱温度が高くなるほどOSL信号は減少し，加熱温度が同じ場合には加熱時間が長いほどOSL信号の減少が確認できた．完全リセットと部分リセットが認められた温度－時間条件を加熱実験と摩擦実験で比較すると，両実験のリセット条件はおおよそ一致することから，断層運動におけるOSL信号減少の主要因は摩擦発熱であると結論付ける．したがって，天然の断層で採取した石英のOSL信号リセットが確認できれば，その断層で発生した摩擦発熱温度の推定が期待できる．なお，天然の断層から石英を採取する際には，破砕の影響の少ない粗粒粒子を選択することが重要であると考える．
参考文献
Kim, J.H., Ree, J.H., Choi, J.H., Chauhan, N., Hirose, T. and Kitamura, M. (2019) Experimental investigations on dating the last earthquake event using OSL signals of quartz from fault gouges. Tectonophysics, 769, 228191.
村上雅紀・田上高広 (2020) 黒鉛炉を用いた鉱物試料の短時間加熱試験．フィッション・トラックニュースレター, 第33号, 1-10.
Oohashi, K., Minomo, Y., Akasegawa, K., Hasebe, N., and Miura, K. (2020) Optically stimulated luminescence signal resetting of quartz gouge during subseismic to seismic frictional sliding: A case study using granite derived quartz. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 125, e2020JB019900.
Yang,H.L., Chen,J.,Yao,L.,Liu,C.R., Shimamoto,T. and Jobe,J.T.A. (2019) Resetting of OSL/TL/ESR signals by frictional heating in experimentally sheared quartz gouge at seismic slip rates. Quaternary Geochronology, 49, 52-56.
謝辞
本研究を行うにあたり，山口大学創成科学研究科応用科学分野の中塚晃彦准教授，藤原恵子助手には，原子吸光光度計の使用等でお世話になりました．海洋研究開発機構高知コア研究所の廣瀬丈洋所長には，赤外線サーモグラフィーカメラの拝借に関してお力添えをいただきました．今回の研究にご協力していただいた皆様に，この場を借りて深く感謝申し上げます．
出発物質は，山口県宇部市丸尾港付近の海岸砂から分離した粒経150－250 μmの石英粒子に，約200 Gyのガンマ線を蓄積させたものである．短時間加熱実験は，村上・田上（2020）で提案されている偏光ゼーマン原子吸光光度計のグラファイトファーネス（キュベット）を用いる方法を改良して実施した．実験手順は，あらかじめキュベット上部の試料注入口から石英粒子0.005 g（250粒子相当）を投下し，そのキュベットを装置にセットして加熱を行うという流れで行った．また，キュベット内部の温度は，装置上部に設置した赤外線サーモグラフィーカメラ（NEC Avio赤外線テクノロジー株式会社；H2640）で測定した．加熱条件はこれまでに行った摩擦実験での摩擦発熱温度と実験時間，およびOSL信号の変化を参考に，温度200－500℃，時間3－75 sに決定した．なお，キュベットの昇温／降温には一定の時間（約10秒ずつ）を要するが，先述した実験時間に昇温／降温の時間は含めていない．
OSL測定は１アリコット10粒子で，各加熱条件4－10アリコットずつ行った．OSL信号の変化は，メインのOSL強度Lnをテスト線量10 Gy照射時のOSL強度Tnで規格化したOSL強度Ln/Tnで比較した．加熱実験を行っていない出発石英のLn/Tn平均値は9.70，最小値は2.39，最大値は15.51であった．200℃で加熱した石英のLn/Tn分布は実験時間による差はほとんどなく，平均値は出発石英よりも優位に減少していた．250℃と350℃で加熱した石英のLn/Tn平均値は，実験時間10秒以上でほぼ0となった．また，400℃以上の加熱では，いずれの実験時間（3－10 s）においてもLn/Tn平均値はほぼ0であった．メインの発光ピークが出発石英よりも優位に低く，Ln/Tn平均値が標準偏差内でほとんど０のものを完全リセット，Ln/Tn平均値が0ではないが出発石英よりも優位に減少しているものを部分リセットと判断した．
全体的な傾向として，加熱温度が高くなるほどOSL信号は減少し，加熱温度が同じ場合には加熱時間が長いほどOSL信号の減少が確認できた．完全リセットと部分リセットが認められた温度－時間条件を加熱実験と摩擦実験で比較すると，両実験のリセット条件はおおよそ一致することから，断層運動におけるOSL信号減少の主要因は摩擦発熱であると結論付ける．したがって，天然の断層で採取した石英のOSL信号リセットが確認できれば，その断層で発生した摩擦発熱温度の推定が期待できる．なお，天然の断層から石英を採取する際には，破砕の影響の少ない粗粒粒子を選択することが重要であると考える．
参考文献
Kim, J.H., Ree, J.H., Choi, J.H., Chauhan, N., Hirose, T. and Kitamura, M. (2019) Experimental investigations on dating the last earthquake event using OSL signals of quartz from fault gouges. Tectonophysics, 769, 228191.
村上雅紀・田上高広 (2020) 黒鉛炉を用いた鉱物試料の短時間加熱試験．フィッション・トラックニュースレター, 第33号, 1-10.
Oohashi, K., Minomo, Y., Akasegawa, K., Hasebe, N., and Miura, K. (2020) Optically stimulated luminescence signal resetting of quartz gouge during subseismic to seismic frictional sliding: A case study using granite derived quartz. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 125, e2020JB019900.
Yang,H.L., Chen,J.,Yao,L.,Liu,C.R., Shimamoto,T. and Jobe,J.T.A. (2019) Resetting of OSL/TL/ESR signals by frictional heating in experimentally sheared quartz gouge at seismic slip rates. Quaternary Geochronology, 49, 52-56.
謝辞
本研究を行うにあたり，山口大学創成科学研究科応用科学分野の中塚晃彦准教授，藤原恵子助手には，原子吸光光度計の使用等でお世話になりました．海洋研究開発機構高知コア研究所の廣瀬丈洋所長には，赤外線サーモグラフィーカメラの拝借に関してお力添えをいただきました．今回の研究にご協力していただいた皆様に，この場を借りて深く感謝申し上げます．