15:30 〜 15:45
[SSS07-07] 岩石の高ひずみ速度下のダメージ評価に関する実験的研究
キーワード：断層、断層粉砕岩、フラクタル次元
1．緒言
断層破砕帯は、断層コアとダメージゾーンの２つから構成される。Scholz (1987)は、断層破砕帯の幅と変位は応力に依存するため、断層破砕帯は断層運動に伴いせん断ひずみや摩擦が蓄積することによって形成されると示した。このような断層破砕帯のうち、サンアンドレアス断層や有馬高槻断層などの大規模横ずれ断層近傍では、せん断の様子が見られないのにもかかわらず、著しく粉砕した断層粉砕岩（pulverized rock）が報告されている。その中でも、特に断層に非常に近い断層粉砕岩の粉砕物のサイズ分布に関するフラクタル次元は、せん断変形の理論的上限値よりも高い値を示す(Muto et al., 2015)。このことは、断層粉砕岩はせん断変形よりもさらに高ひずみの破壊機構によって形成された可能性を示唆している。また断層破砕帯では、断層破壊伝播時に極めて高ひずみの変形が起こっている可能性が示唆されている(Reches and Dewers, 2005; Okubo et al., 2019)。断層破砕帯で起こる高ひずみの変形のうち、ダメージゾーンで発生するoff-faultダメージによる複雑な動的亀裂生成は、主断層の破壊伝播速度を小さくし、また高周波の地震波を周囲に発生させることが示されている(Okubo et al., 2019)。そのため、off-faultダメージの発生過程が断層の破壊を理解する上で非常に重要である。しかし、これらの断層破砕帯における高ひずみの変形機構は正確に理解されていない。従って、本発表では高ひずみ速度下の変形を評価可能な衝突変形試験機を用いて、岩石の高ひずみ速度下のダメージ評価について議論する。
２．方法
本研究では、岩石試料に100 /sを超える高ひずみの負荷をかけることが可能なSplit Hopkinson圧力棒法衝突試験機（SHPB）を使用し岩石の変形試験を行った。岩石試料として稲田花崗岩に加えて、過去の論文で使用されているノバキュライトとマコールを使用した。全ての試料は円柱型で、直径、高さ共に約9。5~10 mmに成形した。本研究では試料のダメージ評価として: 1)SHPBに設置したひずみゲージを使用した試料の力学特性計測、2)高速カメラを用いた亀裂の観察、3)回収試料を対象にした篩による粉砕粒子のフラクタル次元測定の3つの方法を用いた。
３．結果・考察
ひずみゲージを使用し、試料に加わった応力、ひずみ、ひずみ速度を測定した。さらに、応力ひずみ曲線を積分することで試料に加わったエネルギーを算出した。また、応力平衡を達成している試料は全8試料のうち4つのみということが分かった。応力平衡を達成している試料では、正確に力学特性を測定することができ、ひずみ速度とともに強度が増加した。そこで、応力平衡下で変形したと考えられる花崗岩試料の破壊強度のひずみ速度依存性をDoan and d’Hour (2012)による実験データを使用し求めた。その結果高ひずみ速度下での動的破壊強度のひずみ速度依存性は、低ひずみ速度下での静的破壊強度のひずみ速度依存性に比べて大きいことを示した。
高速カメラを使用した亀裂の観察により、亀裂の伸展方位は試料のモード組成や粒形の違いによって変化する可能性を示した。
全ての回収試料において、細粒（半径0.1~0.3 mm）な粒子に比べて、粗粒（半径0.3 mm以上）な粒子はフラクタル次元が大きいという傾向が見られた。また一部の粗粒な粒子（半径0.3 mm以上）のフラクタル次元は、断層に非常に近い断層粉砕岩(Muto et al., 2015)に近い値を示し、本研究の試料が実際の高ひずみ速度の破壊を再現している可能性を示唆する。
４．まとめと今後の課題
断層近傍で発生する高ひずみ速度の変形機構を理解するため、衝突変形試験機（SHPB）を用いて以下のように岩石の高ひずみ速度のダメージ評価を行った。試料の力学特性を測定し、花崗岩の破壊強度のひずみ速度依存性について議論した。また、高速カメラを使用し、亀裂伸展方位が試料のモード組成や粒形に依存し変化する可能性を示した。また回収試料のフラクタル次元より、本研究の試料が断層破砕帯の高ひずみ速度の変形を再現している可能性を示唆した。今後の課題として、議論を正確に行うため応力平衡の達成率と試料の回収率を向上させる必要がある。
断層破砕帯は、断層コアとダメージゾーンの２つから構成される。Scholz (1987)は、断層破砕帯の幅と変位は応力に依存するため、断層破砕帯は断層運動に伴いせん断ひずみや摩擦が蓄積することによって形成されると示した。このような断層破砕帯のうち、サンアンドレアス断層や有馬高槻断層などの大規模横ずれ断層近傍では、せん断の様子が見られないのにもかかわらず、著しく粉砕した断層粉砕岩（pulverized rock）が報告されている。その中でも、特に断層に非常に近い断層粉砕岩の粉砕物のサイズ分布に関するフラクタル次元は、せん断変形の理論的上限値よりも高い値を示す(Muto et al., 2015)。このことは、断層粉砕岩はせん断変形よりもさらに高ひずみの破壊機構によって形成された可能性を示唆している。また断層破砕帯では、断層破壊伝播時に極めて高ひずみの変形が起こっている可能性が示唆されている(Reches and Dewers, 2005; Okubo et al., 2019)。断層破砕帯で起こる高ひずみの変形のうち、ダメージゾーンで発生するoff-faultダメージによる複雑な動的亀裂生成は、主断層の破壊伝播速度を小さくし、また高周波の地震波を周囲に発生させることが示されている(Okubo et al., 2019)。そのため、off-faultダメージの発生過程が断層の破壊を理解する上で非常に重要である。しかし、これらの断層破砕帯における高ひずみの変形機構は正確に理解されていない。従って、本発表では高ひずみ速度下の変形を評価可能な衝突変形試験機を用いて、岩石の高ひずみ速度下のダメージ評価について議論する。
２．方法
本研究では、岩石試料に100 /sを超える高ひずみの負荷をかけることが可能なSplit Hopkinson圧力棒法衝突試験機（SHPB）を使用し岩石の変形試験を行った。岩石試料として稲田花崗岩に加えて、過去の論文で使用されているノバキュライトとマコールを使用した。全ての試料は円柱型で、直径、高さ共に約9。5~10 mmに成形した。本研究では試料のダメージ評価として: 1)SHPBに設置したひずみゲージを使用した試料の力学特性計測、2)高速カメラを用いた亀裂の観察、3)回収試料を対象にした篩による粉砕粒子のフラクタル次元測定の3つの方法を用いた。
３．結果・考察
ひずみゲージを使用し、試料に加わった応力、ひずみ、ひずみ速度を測定した。さらに、応力ひずみ曲線を積分することで試料に加わったエネルギーを算出した。また、応力平衡を達成している試料は全8試料のうち4つのみということが分かった。応力平衡を達成している試料では、正確に力学特性を測定することができ、ひずみ速度とともに強度が増加した。そこで、応力平衡下で変形したと考えられる花崗岩試料の破壊強度のひずみ速度依存性をDoan and d’Hour (2012)による実験データを使用し求めた。その結果高ひずみ速度下での動的破壊強度のひずみ速度依存性は、低ひずみ速度下での静的破壊強度のひずみ速度依存性に比べて大きいことを示した。
高速カメラを使用した亀裂の観察により、亀裂の伸展方位は試料のモード組成や粒形の違いによって変化する可能性を示した。
全ての回収試料において、細粒（半径0.1~0.3 mm）な粒子に比べて、粗粒（半径0.3 mm以上）な粒子はフラクタル次元が大きいという傾向が見られた。また一部の粗粒な粒子（半径0.3 mm以上）のフラクタル次元は、断層に非常に近い断層粉砕岩(Muto et al., 2015)に近い値を示し、本研究の試料が実際の高ひずみ速度の破壊を再現している可能性を示唆する。
４．まとめと今後の課題
断層近傍で発生する高ひずみ速度の変形機構を理解するため、衝突変形試験機（SHPB）を用いて以下のように岩石の高ひずみ速度のダメージ評価を行った。試料の力学特性を測定し、花崗岩の破壊強度のひずみ速度依存性について議論した。また、高速カメラを使用し、亀裂伸展方位が試料のモード組成や粒形に依存し変化する可能性を示した。また回収試料のフラクタル次元より、本研究の試料が断層破砕帯の高ひずみ速度の変形を再現している可能性を示唆した。今後の課題として、議論を正確に行うため応力平衡の達成率と試料の回収率を向上させる必要がある。