[S-SS07] 地震発生の物理・断層のレオロジー

[SSS07-05] 砂岩のrock-to-rock摩擦実験による摩擦挙動と表面構造発達の関係性評価

*矢野 弘道¹、宮本 英¹、廣野 哲朗¹、大橋 聖和² (1.大阪大学大学院理学研究科宇宙地球科学専攻、2.山口大学大学院創成科学研究科)

キーワード：摩擦、砂岩、断層鏡面

砂質堆積物および砂岩における摩擦特性についての研究が半世紀に渡って実施されているが，広い速度レンジおよび剪断に伴う表面構造の変化については精査されていない．そこで本研究では,回転剪断式摩擦試験機を用いた砂岩のrock-to-rock摩擦実験および実験後試料の滑り帯の微小構造観察および表面粗さ計測を実施した．実験ではインド砂岩を使⽤し, ⼭⼝⼤学設置の回転剪断式摩擦試験機にて，垂直応⼒1 MPaとすべり距離10 mの条件下で実験を実施した．また，摩擦の速度依存性を調べるため，200 μm/sから1 m/s までの5桁にわたる速度条件で変位させた．その結果, 高速滑り(1.0 m/s)では摩擦係数の増減を繰り返す不安定な摩擦挙動を示し，砂岩ブロックが大きく摩耗した. 一方で，低速滑り(0.1 m/s 以下)では指数関数的な弱化とその後の安定した滑りが生じ，実験後のブロック表面には断層鏡面が観察された．
電子顕微鏡観察の結果, 高速滑りの実験後試料では摩耗したブロック表面に10μm程の岩石の破片が確認された．一方で，低速滑りの試料表面には鏡面状の凹凸のない平坦な面が観察された. さらに，球状になったナノ粒子が確認され, 鏡面とナノ粒子の境界部では粒子が集結・連結し鏡面を形成していく過程が観察された. レーザー顕微鏡を用いた表面粗さ計測の結果, 高速滑りの試料表面では約80 μmの凹凸が確認され，面粗さのSdr(展開界面面積率)は219%であったのに対し，低速滑りの試料では約4μmの凹凸と18%の面粗さであった.
以上の実験・観察・計測の結果から考察すると, 砂質な断層では滑り速度に応じて摩擦・摩耗のメカニズムが大きく異なると考えられる. 高速滑りではブロックの摩耗が支配的であり, ガウジ層内に散在した大きな破片が, 噛み合いや離脱を起こすことによって, 摩擦係数の増減を繰り返す不安定な摩擦挙動を示すと考えられる. 一方，低速滑りでは摩耗によって形成されたナノ粒子が集結，同時に空隙を埋めることで滑らかな断層鏡面を形成し, その結果として，滑り弱化を引き起こした後，安定した摩擦挙動を示すと考えられる．すなわち，砂岩の摩擦特性は, 滑り速度に依存したミクロンオーダーでの粒子の移動・破損・ナノ粒子化などが生じ，その結果として，摩擦挙動および断層面の状態の違いが生じると言える．