[S-SS07] 地震発生の物理・断層のレオロジー

[SSS07-06] 数値的および実験的手法による断層内における変形構造発達過程の物理的描像の解明

*宮本 英¹、廣野 哲朗¹、湯川 諭¹、大橋 聖和² (1.大阪大学 大学院 理学研究科、2.山口大学 大学院 創成科学研究科)

キーワード：変形構造、応力鎖、速度分布

地震などの断層運動により断層内部には多様な変形構造が形成される．その一つである複合面構造は，主に露頭観察や室内摩擦実験，数値計算などの手法により研究が行われ，その発達と変位量，垂直応力，粒径等への依存性が報告されてきた．しかし，断層運動の基本パラメータである滑り速度との関係性については未だ精査されていない．
　そこで本研究では，石英砂を試料に用いた上で 0.0002–1 m/s と5つの速度レンジでの滑り速度にて摩擦実験を実施した．また，実験後試料の薄片を作成して微小構造観察を実施した．さらに，せん断下における粒子の物理的状態を解析するため，個別要素法 (Discrete Element Method; DEM) を用いた数値計算を実施した．滑り速度は摩擦実験と同じく5つの速度レンジを採用した．数値計算では，摩擦係数に加えて，接触した粒子間に作用する法線方向の力（以降，応力鎖）の空間分布と本数および角度，法線方向の力の確率分布，粒子速度の深さ方向および空間における分布，隣接粒子間における相対変位（以下，隣接粒子間相対変位）の空間分布を求め，それらの関係性を調べた．
　まず摩擦実験の結果，低速域 (0.0002 m/s, 0.001 m/s) では安定した摩擦挙動と高い摩擦係数を示し，中速域 (0.01 m/s, 0.1 m/s) では緩やかに弱化して定常状態に達した．最高速 1 m/s では顕著な滑り弱化を起こし，定常状態における摩擦係数は他の速度域に比べて大きく低下した．実験後試料の微小構造観察の結果，R₁面ならびに Y面や boundary shear の発達，P-foliation との調和的な粒子配列も確認されたが，これらの結果に速度依存性は認められなかった．数値計算の結果，全速度域における初期の摩擦挙動はほぼ一致した．また，滑り速度が大きい0.0016-0.16 m/sでは共通した摩擦挙動を示した．物理量の変化を精査した結果，摩擦挙動のマクロな変化に応じて，応力鎖の本数や角度，法線方向の力の分布が変動することが確認された．さらに，微小時間における摩擦挙動の変化に対しては，粒子速度の分布が特徴的な構造を示し，特に摩擦係数が減少する際には速度構造の不連続面の形成が確認された．定常状態継続時には，運動側のプレートとの境界付近にこの不連続面が継続して発達し続けることも確認された．これは，摩擦実験後の試料において確認される boundary shear に相当するものと考えられる．
　以上から，摩擦係数の変動や変形構造の形成は，応力鎖や粒子の速度分布といった基本的な物理量の変化に帰着すると言える．