(1)課題番号：0109

 

(2)実施機関名：主に東京大学地震研究所

 

(3)建議の項目：1 (3) 直前過程における地殻活動

 

(4) 課題名：震源核に関する実験的研究

(a) 剪断破壊過程を支配する構成法則の地震発生場環境要因依存性の定量的評価と破壊核のスケーリング則の確立

(b) すべり破壊核形成過程のモニタリング手法の開発

(c) 間隙水流動と破壊核の相互作用に着目した，破壊に伴う電磁気シグナル発生のメカニズムの解明

 

(5）関連する建議の他の項目：

(a) 1.(3)ウ　(1.(2)ウ, 1.(4)ア, 3.(1)アも関連する)

(b) 1.(3)イ　(1.(3)ウも関連する)

(c) 1.(3)ウ　(1.(2)エ, 1.(3)アも関連する)

 

(6) 平成１１年度の成果の概要

(a) 地震断層上のバリア, アスペリテイと呼ばれるものの物理的実体は，弱面を含まない岩体の破壊成長抵抗力に等しいと考えられる証拠が存在する．加えて，岩石が脆性ー塑性遷移挙動を示す深さ領域では，温度および岩体圧が高いため，摩擦強度は欠陥を含まない岩体の強度に一致してしまう．従って，地震破壊過程を支配する構成法則は，巨視的欠陥を含まない岩石の剪断破壊過程も，弱面沿いの剪断破損過程も，統一的に説明するよう定式化する必要がある.このように定式化された構成法則が,地震発生場における温度，封圧力，間隙水圧力などの環境要因の影響をどのように受けるのかを実験的に詳しく調べ，その依存性を定量的に明らかにしつつある.

　他方,比較的大型岩石試料を用いた分解能の極めて高い室内実験により,破壊核の物理的本性とそのスケール依存性を世界に先駆け初めて疑いのない事実として示し実証した.更に, 室内実験規模の小規模破壊の核形成から地殻内大規模地震の破壊核に至るまでを統一的に説明するスケール則を,上述の構成法則とアスペリテイ・モデルに基づいて理論的に導き,導出されたスケール則が地震学的データを定量的に極めてよく説明することを示した.

(b) 模擬断層面に波動を透過しつつ,負荷せん断応力を一定速度で増大し,最終的に不安定動的破壊が発生するまでの全過程で,透過波動の変化を観察した．せん断応力の増加とともに透過波動のエネルギーは著しく増大するが,動的破壊直前の,準静的すべり（破壊核の成長）にともない,波動エネルギーの増加率が減少することが観察された（図1）．局所的な応力増加率の減少と波動エネルギーの増加率の減少が時間的に一致している．断層面を透過する波動が変化する様子を観察することは,破壊核形成過程をモニタ−する有用な方法であることが示唆された．また,これらの変化の背後にある物理過程をより詳細に理解するため,接触面の形状を人工的にさまざまに変えた断層を透過する室内実験を行った．さらに,アスペリティ接触の力学を把握するためのインデンテーション実験も実施した．

(c) 間隙水存在下で岩石破壊実験を行い，変形に伴って発生する電流が，破壊前のダイラタンシーの成長，およびそれにより引き起こされる間隙水の流動と非常に強い相関をもつことを示し（図2），界面動電効果によって破壊前に電流が発生することを実証した．また，シグナルの強さを規定する流動電流係数の透水率依存性や周波数依存性を明らかにした．

 

(7）平成１１年度の成果に関連の深いもので、平成１１年度に公表された成果

(a) 剪断破壊過程を支配する構成法則の地震発生場環境要因依存性の定量的評価と破壊核のスケーリング則の確立

Ohnaka, M., and L.-f. Shen, Scaling of the shear rupture process from nucleation to dynamic propagation: Implications of geometric irregularity of the rupturing surfaces, J. Geophys. Res., 104, 817-844, 1999.

Ohnaka, M., The shear rupture nucleation: Horizons broadened by high-resolution laboratory experiments, Proceedings of 1st Workshop on APEC Cooperation for Earthquake Simulation, held in Brisbane and Noosa, Queensland, Australia, 117-119, 1999.

Ohnaka, M., Physical scale dependencies, observed scaling relations and simulation, Proceedings of 1st Workshop on APEC Cooperation for Earthquake Simulation, held in Brisbane and Noosa, Queensland, Australia, 433-435, 1999.

Ohnaka, M., A unified comprehension for fracture of intact rock, frictional slip failure, and earthquake rupture, and scaling of scale-dependent physical quantities inherent in the rupture, Proceedings of 1st Workshop on APEC Cooperation for Earthquake Simulation, held in Brisbane and Noosa, Queensland, Australia, 441-444, 1999.

Ohnaka, M., A. Odedra, and L. Shen, A unifying constitutive formulation for shear fracture of intact rock, frictional slip failure, and earthquake rupture, paper presented at 24^th General Assembly of European Geophysical Society, The Hague, April, 1999.

Ohnaka, M., A. Odedra, and L.-f. Shen, A unified comprehension for frictional slip failure, shear fracture of intact rock, and earthquake rupture: Significance of the underlying physical law, paper presented at 22nd General Assembly of the International Union of Geodesy and Geophysics, held in Birmingham, July, 1999.

Kato, A., M. Ohnaka, and H. Mochizuki, Experimental studies on constitutive properties for the shear failure of rock in seismogenic environments, paper presented at 22nd General Assembly of the International Union of Geodesy and Geophysics, held in Birmingham, July, 1999.

Kato, A., M. Ohnaka, and H. Mochizuki, Constitutive Properties for the Shear Failure of Rock in Seismogenic Environments: Experimental Studies, paper presented at AGU Fall Meeting held in San Francisco, December, 1999.

大中康譽，Gutenberg-Richterの相似則および震源核と地震規模の間のスケーリング則，日本地震学会講演予稿集，秋季大会，A34，1999.

加藤愛太郎・大中康譽・他，地震発生環境条件下におけるせん断破損構成則の特性，日本地震学会講演予稿集，秋季大会，C10，1999.

(b) すべり破壊核形成過程のモニタリング手法の開発

Funahashi, F., and N. Yoshioka, Effects of contact geometry of faults on transmission waves, submitted to PAGEOPH.

吉岡直人・鈴木晃弘,アスペリティ接触の動力学,２．すべり開始時におけるアスペリティ接触の変形機構,99年春合同大会,Si-008.

吉岡直人,舟橋史考,面の接触状態が及ぼす透過波動への影響,4.99秋地震学会,C04.

吉岡直人,鈴木晃弘,アスペリティ接触の動力学,3.すべり速度変化実験,99年秋地震学会,C03.

吉岡直人,鈴木晃弘,アスペリティ接触の動力学,--インデンテーション・スクラッチテスト--,トライボロジー会議,秋,高松,A20.

(c)間隙水流動と破壊核の相互作用に着目した，破壊に伴う電磁気シグナル発生のメカニズムの解明

S. Yoshida, Convection current prior to rupture in saturated rocks, JSA15/E/46-A3, IUGG XXII General Assembly, Birmingham, UK, July 1999.

 

(8) 平成１１年度に達成された成果の、全体計画の中での位置づけ

(a) 破壊核の物理的本性が解明されモデル化されたことと構成法則に基づいて導出されたスケール則が震源核に関係する地震学的データを定量的に説明するという成果は，次年度の目標を部分的に先取りしたものである.今後は，小規模破壊から大規模地震破壊までを統一的に説明する上で基礎となる，構成則パラメター間を束縛する関係式がどのような温度，圧力依存性を示すのかを明らかにしていく必要がある.

(b) 震源核検出の能動的手法の可能性が示された．これによって，この研究を次年度以降大いに推進する展望が開けるに至った.

(c)常温での間隙水流動による電磁気シグナル発生過程について調べた．次年度から高温実験を開始する予定である．

 

(9) この課題の実施担当連絡者

氏名：大中康譽

電話：03−5841−5711

FAX：03−5689−7234

E-mail：ohnaka-m@eri.u-tokyo.ac.jp

 

 

図の説明

図1. Stick-slipに至る応力の蓄積過程と前兆すべり過程における透過波動の振幅変化.

 

図2. 稲田花崗岩を用いた三軸圧縮実験．破壊前にダイラタンシーが成長し，間隙水の流動が起こって，界面動電効果により岩石中に電流が発生したのがわかる．