16:30 〜 16:45
[SSS08-27] ガウジ層を含む載荷速度変化摩擦試験時に発生するAEイベント
キーワード：岩石摩擦実験、AE、震源決定
近年、石油やシェールガス·オイル採掘のため、地下深くの岩盤に人工的に亀裂を入れる水圧破砕を行うことがある。その際、破砕流体を岩盤に注入するため、間隙水圧が上昇し有効法線応力が低下することで断層強度の低下をもたらし、誘発地震が発生することがある。このような誘発地震の発生を抑制するための情報を得ることを目的として、本研究では、載荷速度を段階的に変化させた大型岩石摩擦実験を行った。実験中に発生したAE(Acoustic Emission)イベントのデータを解析し、イベントの発生タイミングや位置と載荷速度との関係を調べた。
実験は、防災科学技術研究所(NIED)の大型２軸岩石摩擦試験機を用いて行われた。用いた岩石試料は、上部が1.5 m×0.5 m× 0.5 m、下部が2.0 m×0.1 m×0.5 mの変斑レイ岩であり、これらを積み重ねた後、上方から法線応力を加え側方から剪断応力を加えることで実験を行った。接触すべり面積は0.15 m2である。実験前に岩石試料間にガウジを厚さ3 mmとなるように散布して実験を行った(図a)。ガウジは、同じ変斑レイ岩試料から、平均粒径10 μm，最大粒径200 μmとなるように粉砕して生成した。実験ごとに、前の実験で使ったガウジはすべて取り除き、新しいガウジを散布して実験を行った。実験は、法線応力を3.3 MPaかけたLB21-003, 004と、6.5 MPaかけたLB21-007, 008の4回行った。載荷速度は0.01mm/s, 0.1mm/s, 1mm/sの間で段階的に変化させることを繰り返した(図b)。AEセンサーは摩擦面から70mm上の上部試料に取付け、180mm間隔で前面、背面それぞれ8個ずつ計16個を設置した。得られたデータから、InSiteソフトウエア(Applied Seismology Consulting Ltd製)を用いてAEイベントの波形の切り出しを行ったのち、それぞれのイベントでP波到着時の早い4箇所のP波到着走時を手動で読取り、発震時と発生場所を推定した。推定にはグリッドサーチ法を用い、Σ|gi |が最小となるような(x, y, t)の組み合わせを探索した。ただし、gi={(x-xi)2+(y-yi)2+zi2 }1/2 /Vp -(ti-t)であり、(x, y, t)はイベントの発生場所と発震時、 (xi, yi, zi, ti)はセンサーiの設置位置とP波到着走時である。AEはすべり面で発生し、物性値から得られているP波速度Vp=6919(m/s)は既知として解析をした。グリッド間隔はxy方向に0.5mm、時間を0.1μsとした。さらに、精度よく震源が決まらないイベントに関しては相互相関解析を行った。類似度の高いイベント同士の時間差を利用することで、手動読取りで生じる誤差の排除を目指した。実際、相互相関解析により、誤差giを大幅に減少させるイベントを確認できた。P波到着走時の読み取りづらいイベントに関しては有効な手段であると考えられる。
図bにLB21-007の実験により発生したAEイベントの分布を示す。AEイベントは、主に4カ所に偏在して分布し、他の実験でもほぼ同じ場所でのAEイベントの発生を確認した。実験ごとの違いが少なかったため、同じ条件下において再現性がある実験結果と考えられる。岩石間にガウジを挟まない場合の実験においては、AEイベントが偏在することはなかったため、このようなAEイベント分布はガウジの存在に起因することが考えられる。図cにAEイベント発生の時間変化を示す。載荷速度を1mm/sにした直後にほとんどのイベントが発生していることが分かる。LB21-007において、イベント発生個数を全ての区間に対しての単位変位量あたりの平均値として比べると、載荷速度1mm/sの時は、1mmあたり0.91個、0.1mm/sでは0.28個、0.01mm/sでは0.17個となり、載荷速度が大きくなるにつれてイベントの発生個数は増えるという結果になった。
実験は、防災科学技術研究所(NIED)の大型２軸岩石摩擦試験機を用いて行われた。用いた岩石試料は、上部が1.5 m×0.5 m× 0.5 m、下部が2.0 m×0.1 m×0.5 mの変斑レイ岩であり、これらを積み重ねた後、上方から法線応力を加え側方から剪断応力を加えることで実験を行った。接触すべり面積は0.15 m2である。実験前に岩石試料間にガウジを厚さ3 mmとなるように散布して実験を行った(図a)。ガウジは、同じ変斑レイ岩試料から、平均粒径10 μm，最大粒径200 μmとなるように粉砕して生成した。実験ごとに、前の実験で使ったガウジはすべて取り除き、新しいガウジを散布して実験を行った。実験は、法線応力を3.3 MPaかけたLB21-003, 004と、6.5 MPaかけたLB21-007, 008の4回行った。載荷速度は0.01mm/s, 0.1mm/s, 1mm/sの間で段階的に変化させることを繰り返した(図b)。AEセンサーは摩擦面から70mm上の上部試料に取付け、180mm間隔で前面、背面それぞれ8個ずつ計16個を設置した。得られたデータから、InSiteソフトウエア(Applied Seismology Consulting Ltd製)を用いてAEイベントの波形の切り出しを行ったのち、それぞれのイベントでP波到着時の早い4箇所のP波到着走時を手動で読取り、発震時と発生場所を推定した。推定にはグリッドサーチ法を用い、Σ|gi |が最小となるような(x, y, t)の組み合わせを探索した。ただし、gi={(x-xi)2+(y-yi)2+zi2 }1/2 /Vp -(ti-t)であり、(x, y, t)はイベントの発生場所と発震時、 (xi, yi, zi, ti)はセンサーiの設置位置とP波到着走時である。AEはすべり面で発生し、物性値から得られているP波速度Vp=6919(m/s)は既知として解析をした。グリッド間隔はxy方向に0.5mm、時間を0.1μsとした。さらに、精度よく震源が決まらないイベントに関しては相互相関解析を行った。類似度の高いイベント同士の時間差を利用することで、手動読取りで生じる誤差の排除を目指した。実際、相互相関解析により、誤差giを大幅に減少させるイベントを確認できた。P波到着走時の読み取りづらいイベントに関しては有効な手段であると考えられる。
図bにLB21-007の実験により発生したAEイベントの分布を示す。AEイベントは、主に4カ所に偏在して分布し、他の実験でもほぼ同じ場所でのAEイベントの発生を確認した。実験ごとの違いが少なかったため、同じ条件下において再現性がある実験結果と考えられる。岩石間にガウジを挟まない場合の実験においては、AEイベントが偏在することはなかったため、このようなAEイベント分布はガウジの存在に起因することが考えられる。図cにAEイベント発生の時間変化を示す。載荷速度を1mm/sにした直後にほとんどのイベントが発生していることが分かる。LB21-007において、イベント発生個数を全ての区間に対しての単位変位量あたりの平均値として比べると、載荷速度1mm/sの時は、1mmあたり0.91個、0.1mm/sでは0.28個、0.01mm/sでは0.17個となり、載荷速度が大きくなるにつれてイベントの発生個数は増えるという結果になった。