竹内昭洋博士セミナー

3）フラクトエミッション計測（中国工業技術研究所　川口、高坪、山本グループ）

石英ガラスの破壊時における破断表面での発光に関する励起と緩和過程について調べた。発光のスペクトルから、酸素欠乏欠陥、酸素正孔欠陥がSi－O結合の切断によって多数生成、励起され、緩和発光を生じることがわかった（図１）。また、ガラスのOH含有量の影響よって、石英ガラスの脆性がフラクトルミネッセンスに反映されることも判明した。

地震に先行、付随する電気伝導度変化や地電位・EM ・発光のシグナルが、地盤隆起、傾斜変化等に加えて報告されている。しかし、これらの種々の現象を物理的に首尾一貫したモデルで結ぶ概念は存在しない。

microsecond の時間分解能で電気信号を計測するために低・中間速度の衝撃実験を行う。 gabbro と diorite(閃緑岩) の core が比較的低速度 ≒100m/sで衝突を受けた場合、衝突点近くの小体積中において高い荷電粒子移動が引き起こされる。それらは岩石中を広がり+400mV を超える電位・EM ・光放射を引き起こす。電荷雲が広がるとともに、岩石は瞬間的に導電的になる。

granite(花崗岩) のブロックがより速い速度 ≒1.5km/sで衝突を受けた場合、quartz(石英) の過渡的な圧電気的応答を通して Ｐ波とＳ波の伝播が効果として表れる。音波が通過した後、granite block の表面は正に帯電され、低速度の衝突実験中に観測されるのと同様の電荷移動がbulk の内部から広がることを示す。続く 2-3ms の間に表面電位は振動し、地面や接触電極からのプラスの電子の注入を示唆する。

実験は positive holes (正孔) と調和的であり、例えば、Ｏ2- 中の欠陥電子は ケイ酸塩鉱物の Ｏ 2p-dominated価電子帯を経由して移動する。positive holes は、これまで 考えられていたＥＭ波 というよりも電子雲として伝播する。活性化される前には、それらは電気的に不活性な positive hole pairs [ＰＨＰ] の形で潜伏し、これは過酸化架橋Ｏ3Ｘ／゜゜＼ＸＯ3 (Ｘ= Si4+, Al3+ 等) と科学的に等価である。ＰＨＰは、ヒドロキシル基 Ｏ3Ｘ-ＯＨ を経て鉱物に取り込まれるが、これはＨ2Ｏ に富む環境中で結晶化 された無水鉱物中であれば必ず存在している。

positive holes が 低エネルギー衝突とそれに付随する音波とによって活性化され得るという事実は、地殻中においてもダイラタンシーの局面における微小破壊によって同様に 活性化され得ることを示唆する。応力負荷された岩石中で電荷担体が活性化され、急速に 移動する電子雲が形成され地表へ達すると、放電や地震発光現象を引き起こし得る高電場が生じ得る。（原文）

high conductivity zone(ＨＣＺ) が世界中の安定大陸地殻内の20-30kmの深さに存在するが、その起源は不明である。この深度の温度は400～600℃に制約され、自由流体は鉱物反応によって消費される。ＨＣＺの要因としては、残留する流体や塩水、部分溶融、脱水状態の蛇紋石や水酸基を持つ鉱物等が挙げられており、特に有力なのが粒間カーボン膜であるとされているが、これには問題がある。筆者は、ＨＣＺの要因として、深さ20～30kmの地殻内において準安定に活性化された positive hole charge carriers を提案している。

構造的・化学的に異なる鉱物である laboratory-grown MｇO(olivine単結晶)と下部地殻の斜長岩の電気伝導度と誘電分極を測定したところ、どちらにおいても移動性の高い電荷キャリアが 450±50～650±50℃の範囲で生成されることが示された。この電荷キャリアは positive holes(正孔)、つまり Ｏ 2p-dominated 価電子帯中の欠陥電子であり、Ｏ2- matrix中のＯ- と化学的に等価である。これらは、positive hole pairs(ＰＨＰ) の分離により形成され、ＰＨＰは過酸化架橋 Ｏ3Ｘ-ＯＯ-ＸＯ3 (Ｘ＝Si4+,Al3+ ) と化学的に等価である。

ＰＨＰは、ヒドロキシル基 Ｏ3Ｘ-ＯＨ が冷却される際に酸化還元作用を受けてＯ3Ｘ-ＯＯ-ＸＯ3 ＋ Ｈ2 となる過程において次々と生成される。ヒドロキシル基は、Ｈ2Ｏに富むmagmaticな環境や変成環境において結晶化した無水鉱物(nominally anhydrous minerals)中には常に含まれている。 positive hole charge carriers は、600℃以下の dry rocks 中の非平衡状態において、還元された陽イオンと共存することが可能であり、400～600℃の温度範囲における電気伝導性を支配すようになると考えられる。（原文）