[S-CG52] 変動帯ダイナミクス

[SCG52-P12] 異方性のある亀裂の流体流動挙動と岩石物性: デジタル岩石物理によるスケール依存性の検討

*澤山 和貴¹、石橋 琢也²、蒋 飛³、辻 健⁴ (1.京都大学大学院理学研究科附属地球熱学研究施設 、2.国立研究開発法人産業技術総合研究所 福島再生可能エネルギー研究所、3.山口大学工学部機械工学科、4.九州大学大学院工学研究院地球資源システム工学部門)

キーワード：デジタル岩石物理、浸透率、比抵抗、弾性波速度、せん断亀裂

地熱・火山地域や地震断層帯のような亀裂の卓越した地域では，亀裂内の流体流動が地下の熱・物質輸送を支配する。そのため，これらの熱・物質循環を理解する上で亀裂内の流体流動挙動の解明が不可欠である。また近年では，地下の透水性の不均質が火山噴火，地震・スロー地震発生に及ぼす影響も指摘されている。しかし実際の地下で流体流動挙動を明らかにすることは困難であり，未だ詳細なメカニズムは明らかとなっていない。他方，地熱・火山活動や地震に伴って応力変化に起因する電気比抵抗や地震波速度の変化が観測されている。地殻応力の変化は亀裂の開口状態を変化させるため，これに伴い地下の流体流動挙動も変化しているはずである。このため，応力変化に伴う岩石物性・流体流動挙動変化の相関が明らかとなれば，観測される岩石物性値の変化から地下の流体流動を予測することができるかもしれない。そこで我々は，亀裂の岩石物性（比抵抗・弾性波速度・スティフネス）と浸透率変化との関係を調べ，これまでせん断変位のない亀裂ではスケール依存性がないことを明らかにしてきた。一方で，実際の断層ではせん断変形が大きく影響を及ぼすことが予想される。本研究では，より現実の観測物性値と比較ができるように，断層を想定したせん断変位・応力を与えた亀裂に対してこれらの物性間の関係を新たに明らかにした。またデジタル化した岩石亀裂の数値シミュレーション（デジタル岩石物理）により，実験では困難なスケール依存性について検討を行った。
　デジタル試料は，天然亀裂（庵治花崗岩と稲田花崗岩）のフラクタル性をもとに非整数ブラウン運動から造成し，4種類のサイズの異なる数値亀裂（24 mm, 48 mm, 96 mm, 144 mm四方）を用意した。これらの数値亀裂に対してせん断変位を与え，半無限体接触モデルにより垂直応力に伴うアスペリティの変形を模擬している。これらに対して，格子ボルツマン法および有限要素法により比抵抗・弾性波速度・浸透率の変化を計算し，各物性値にせん断変位・応力・亀裂サイズが与える影響を調べた。
　数値シミュレーションの結果，せん断変位を与えた亀裂では，垂直応力の上昇に伴って各物性値に顕著なスケール依存性がみられた。また数値亀裂の構造解析から，亀裂サイズが大きくなるにつれて流路の屈曲度は減少し，アスペリティのサイズが系統的に大きくなることが明らかとなった。これらのデータを統合することで，浸透率―比抵抗関係のスケール依存性については流路の屈曲度，浸透率―弾性波速度関係についてはアスペリティのサイズの違いで説明できることが示唆された。これらの無次元量をもとに，浸透率と岩石物性値の相関に関するスケール則について検討を行う。