[S-CG54] 岩石―流体相互作用の新展開：表層から沈み込み帯深部まで

[SCG54-P01] ペリクレース水和反応における自己誘起差応力と反応誘起破壊：リアルタイム計測実験からの知見

*坂下 福馬¹、岡本 敦¹、吉田 一貴²、ダンダル オトゴンバヤル¹、宇野 正起¹ (1.国立大学法人東北大学、2.大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構 )

キーワード：反応誘起応力、水和、反応誘起破壊

超苦鉄質岩の蛇紋岩化および炭酸塩化は、固体の体積膨張を引き起こし、空隙率および浸透率を低下させ、反応の進行を妨げる。しかし、自然界の岩石には広範な蛇紋岩化および炭酸塩化が見られ、これらの反応のメカニズムや制御因子は十分に解明されていない。最近の数値シミュレーションや実験では、反応速度が流体の流動速度を上回る場合に、反応誘発破壊が発生し、反応の進行が促進される可能性が示唆されている^[1][2]。しかし、従来の実験では、反応、流体の流動、変形・破壊挙動が同時に測定されておらず、流体流動、反応、破壊のフィードバックシステムは未解明のままである。本研究では、新たに開発した変形・流体輸送・破壊挙動の測定が可能な実験装置を用いて、ペリクレースの水和反応（MgO + H₂O → Mg(OH)₂、体積膨張率：+119%）に関するバッチおよびフロースルー反応実験を実施し、浸透率の時間変化、反応進行、および破壊のプロセスを調査した。
高さ20mm、直径10mmのペリクレース焼結体を使用し、空隙率の異なる2種類の試料を用いた：高空隙率試料（連結空隙率：9–11%）および低空隙率試料（連結空隙率：0–0.01%）。フロースルー実験では、180–210C、封圧20MPaの条件下で外部応力条件を制御しながら、応力-ひずみ、体積、アコースティックエミッション、および浸透率のリアルタイム測定を行った。反応挙動および反応速度の比較のため、バッチ反応実験も静水圧条件下で実施した。
バッチ実験では、高空隙率試料は一様に反応し、低空隙率試料では反応フロントが内部へ進行した。フロースルー実験では、破壊挙動および浸透率の時間変化が初期空隙率に大きく依存して異なった。高空隙率試料は一様に反応し、初期段階で浸透率がやや低下したものの、大きな膨張は見られなかった。時間が経過するにつれ、軸方向応力が増加し降伏に至った。試料はマクロな破壊を伴わず周方向に膨張し、浸透率は安定または増加した。これらの結果は、初期に外形変化を伴わない空隙閉鎖が起こり、その後、自己誘発応力によって降伏に至ることを示唆している。高空隙率試料の膨張は10–20分以内に開始した。一方、低空隙率試料では反応の開始が大幅に遅れ、1500–2900分を要した。低空隙率試料のフロースルー実験では、表面層の剥離に起因する遅い反応が誘導期として長時間継続した。その後、一時的な浸透率の上昇、応力増加、および体積膨張が観察された。最終的に、体積は安定し、浸透率は二桁増加した。これは、表面層の剥離と不均一な反応によって局所的な応力集中が発生し、大規模な破壊が突発的に起こったことを示している。この破壊は連鎖的な反応を引き起こし、反応誘発応力、降伏、さらなる破壊を誘発し、結果として浸透率が向上した。フロースルー実験では長い誘導期を必要としたものの、一旦反応が開始すると、反応速度はバッチ実験の約18倍に達した。これは、大規模な破壊と連鎖的な反応が低空隙率材料においても反応を加速することを示唆している。
本研究は、自己誘発差応力が膨張反応に与える影響を明らかにし、反応進行メカニズムについて以下の知見を提供した：(1) 初期応力が等方的であっても、体積膨張によって差応力が発生し、破壊を促進する。(2) 低空隙率試料では、長い誘導期の後に不均一な反応が破壊を引き起こし、浸透率を向上させ、反応を加速する。
[1]Shimizu and Okamoto 2016, Contrib Mineral, 171, 1-18
[2]Uno et al., 2002 PNAS, 119.3