10:45 〜 11:00
[SCG62-01] 高温高圧変形実験で得られた石英の動的再結晶組織の画像解析：粒子形状の温度・歪速度依存性
キーワード：石英、変形実験、再結晶、転位クリープ、画像解析
高圧変成帯や延性せん断帯における石英の再結晶微細構造は変成度とともに変化し、温度や歪速度などの変形条件を反映していると考えられる。この関係を調査するために、高圧・高温変形実験および微細構造観察を実施した。
Masuda & Fujimura (1981, Tectonophysics)（以下 M&F）は、熊澤型固体圧式変形試験機を用いて封圧 0.4 GPa でメノウを変形させ、 2 種類の微細構造を同定し、それを定常組織であると解釈した。低温・高歪速度条件では、扁平な粒子とのこぎり状の粒界を特徴とする Type S、高温・低歪速度条件では、多角形粒子を特徴とする Type P である。一方、Hirth & Tullis (1992, JSG)（以下 H&T）は、Griggs 型試験機を用いて封圧 1.5 GPa で天然石英砂岩を変形させ、変形および再結晶微細構造を 3 つの領域に分類した。低温・高歪速度条件で得られた試料（regime 3）の微細構造は M&F の Type P に類似していた。しかし、低温・高歪速度条件では、多くの試料で粗粒の初期組織が残存し、再結晶粒の割合は 100% に達しなかった。そのため、高封圧下で石英の微細構造が M&F の Type S および P に近づくかどうかは未解決のままである。
定常状態における石英微細構造の圧力依存性を明らかにするため、新たな熊澤型固体圧式変形試験機（Shimizu & Michibayashi, 2022, Minerals）を用いて、封圧 1.5 GPa でメノウの変形実験を実施した。温度および歪速度の条件（800–1000 ℃、10⁻⁴–10⁻⁶ sec⁻¹）は M&F の 0.4 GPa での実験範囲をほぼ網羅している。本装置では、上下のピストンに取り付けられた 2 つのロードセルを用いることで、差応力を高精度に測定できる。光学顕微鏡観察の結果、Type S および Type P に類似した石英微細構造が確認された。
粒子形状の定量解析のため、異なる偏光角で撮影した 6 枚の顕微鏡写真を重ねて解析を行った。画像処理ソフトウェアを用いて、勾配フィルターを適用し、粒界を半自動的に抽出した。次に、正規化周長 PN（粒子周長/面積の等しい円の円周）、アスペクト比 R、および周長-面積フラクタル次元 D を算出した。Takahashi et al. (1998, JSG) による D の歪速度依存性は明確には確認されなかったが、PN および R は高温・低歪速度条件から低温・高歪速度条件にかけて一貫して増加し、Type S/P 遷移を定量的に捉えることができた。S/P 境界の最適値として、PN ≈ 1.37、R ≈ 2.30 が選定された。
さらに封圧の影響を評価するため、900 ℃、10⁻⁵ sec⁻¹ の条件下で 0.4 GPa の追加実験を実施した。この条件下では、M&F は Type P の石英微細構造を得ている。本研究の 0.4 GPa の実験では PN = 2.05、R = 1.40（Type S）であったが、1.5 GPa の実験（PN = 2.48、R = 1.45、Type S）と比較すると、これらの値は Type P により近いものであった。この結果から、S/P 境界は高封圧条件下で高温・低歪速度側へわずかにシフトすることが示唆された。このシフトの要因として、封圧の増加に伴う主すべり系の変化が考えられる。
Masuda & Fujimura (1981, Tectonophysics)（以下 M&F）は、熊澤型固体圧式変形試験機を用いて封圧 0.4 GPa でメノウを変形させ、 2 種類の微細構造を同定し、それを定常組織であると解釈した。低温・高歪速度条件では、扁平な粒子とのこぎり状の粒界を特徴とする Type S、高温・低歪速度条件では、多角形粒子を特徴とする Type P である。一方、Hirth & Tullis (1992, JSG)（以下 H&T）は、Griggs 型試験機を用いて封圧 1.5 GPa で天然石英砂岩を変形させ、変形および再結晶微細構造を 3 つの領域に分類した。低温・高歪速度条件で得られた試料（regime 3）の微細構造は M&F の Type P に類似していた。しかし、低温・高歪速度条件では、多くの試料で粗粒の初期組織が残存し、再結晶粒の割合は 100% に達しなかった。そのため、高封圧下で石英の微細構造が M&F の Type S および P に近づくかどうかは未解決のままである。
定常状態における石英微細構造の圧力依存性を明らかにするため、新たな熊澤型固体圧式変形試験機（Shimizu & Michibayashi, 2022, Minerals）を用いて、封圧 1.5 GPa でメノウの変形実験を実施した。温度および歪速度の条件（800–1000 ℃、10⁻⁴–10⁻⁶ sec⁻¹）は M&F の 0.4 GPa での実験範囲をほぼ網羅している。本装置では、上下のピストンに取り付けられた 2 つのロードセルを用いることで、差応力を高精度に測定できる。光学顕微鏡観察の結果、Type S および Type P に類似した石英微細構造が確認された。
粒子形状の定量解析のため、異なる偏光角で撮影した 6 枚の顕微鏡写真を重ねて解析を行った。画像処理ソフトウェアを用いて、勾配フィルターを適用し、粒界を半自動的に抽出した。次に、正規化周長 PN（粒子周長/面積の等しい円の円周）、アスペクト比 R、および周長-面積フラクタル次元 D を算出した。Takahashi et al. (1998, JSG) による D の歪速度依存性は明確には確認されなかったが、PN および R は高温・低歪速度条件から低温・高歪速度条件にかけて一貫して増加し、Type S/P 遷移を定量的に捉えることができた。S/P 境界の最適値として、PN ≈ 1.37、R ≈ 2.30 が選定された。
さらに封圧の影響を評価するため、900 ℃、10⁻⁵ sec⁻¹ の条件下で 0.4 GPa の追加実験を実施した。この条件下では、M&F は Type P の石英微細構造を得ている。本研究の 0.4 GPa の実験では PN = 2.05、R = 1.40（Type S）であったが、1.5 GPa の実験（PN = 2.48、R = 1.45、Type S）と比較すると、これらの値は Type P により近いものであった。この結果から、S/P 境界は高封圧条件下で高温・低歪速度側へわずかにシフトすることが示唆された。このシフトの要因として、封圧の増加に伴う主すべり系の変化が考えられる。