2016 Fiscal Year Annual Research Report
Unified Understanding of Slow and Regular Earthquakes from Nonequilibrium Physics Point of View
| Project Area | Science of slow earthquakes |
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| Project/Area Number |
16H06478
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
波多野 恭弘 東京大学, 地震研究所, 准教授 (20360414)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
住野 豊 東京理科大学, 理学部第一部応用物理学科, 講師 (00518384)
鈴木 岳人 青山学院大学, 理工学部, 助教 (10451874)
山口 哲生 九州大学, 工学研究院, 准教授 (20466783)
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| Project Period (FY) |
2016-06-30 – 2021-03-31
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| Keywords | 非線形動力学 / レオロジー / 摩擦 / 地震 / スロー地震 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
1) 弾性体や流体を用いたアナログ実験 弾性体を用いた滑り実験においては、接触面の幾何形状と摩擦挙動との関係を調べるため、形状を精密に制御したアスペリティをゲル表面に多数配置して摩擦実験を行った。その結果、アスペリティの曲率半径を大きくすると、速度強化から速度弱化に遷移することや、すべり速度と摩擦力との関係がある普遍的な関数で表されることを発見した。また、速度強化－弱化転移速度の近傍で、ゆっくりすべりや間欠的な巨大イベントが発生することを見出した。
流体を用いた実験においては、摩擦が重要となるヘレショウセル中において、反応により先端が固化する流体を注入しそのパターンダイナミクスを解析した。本系は、流動と固化が重要となる地盤中での流体の振る舞いに関して深い考察を与える。それに加えて、テレケリックポリマーとo/wエマルジョンからなる粘弾性流体を用いることで空間的な破壊現象を観察する系を構築した。
2) レオロジー理論 室内岩石実験で得られている経験的摩擦法則の理論的導出を行った。この法則は固有の長さ定数を含み、スケール依存性が予測される。経験則の理論的導出を通じて、固有長さ定数の系のサイズに対する変換性を解明した。
3) プレート境界のミニマル数理モデル構築と解析 温度・流体圧・空隙率系の時間依存性のみを考えたモデルについて解析を行った。重要なことに、支配方程式中で共通のヌルクラインが現れることを発見した。ヌルクラインの特性を考察することで、初期滑り速度と最終滑り量の間に臨界指数1/2が成立することを発見した。この値は空隙発展則の詳細には依存しない。面白いことに、この系は例えばLotka-Volterraモデルの一種も記述しており、地震だけにとどまらない普遍性を持ったダイナミクスと言える。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
弾性体実験においては、当初の計画で掲げていたゲル摩擦実験系の構築に成功し、ゆっくりすべりと高速すべりの両方を再現することができたので、次なる段階として画像処理を用いた動的挙動の解析を行う予定である。
流体実験においては、ヘレショウセル中で固化を示す流体に関する注入先端のパターン解析結果をとりまとめ、予定通り論文投稿段階まで進むことができた。粘弾性流体を用いた実験系に関しては材料の作成には成功しており、この点予定よりも早く進捗していると考えられる。その一方で、実験の幾何学的条件などは想定外に条件の絞り込みが難しく現在検討中となっている。
理論モデルにおいては、解析的に臨界的振る舞いを見出して臨界指数を得るという当初の目標の中でも最も重要な成果を論文にとりまとめることができた。本研究にはB02班メンバーとの議論が大きく寄与しており、領域同士の相互作用という観点からも成功していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
1) アナログ実験系 1-1) ゲル摩擦実験においては、ゆっくりすべり及び高速すべりを実現する事象を数多く見出し、すべりの定性的特徴を広いパラメタ領域で捉えていく。加えて、ゆっくりすべり、高速すべりの共存・遷移メカニズムの解明や、巨大イベント発生予測可能性についても検討を開始する。1-2) 脆性破壊を示す粘弾性液体を用いて、地震・スロー地震の実験室モデルを構築する。単純ずり条件に加え、wedge型の条件、溶液からの基板の引き上げ条件、ヘレショウセル中の流体への注入条件など様々な幾何的条件を模索することで研究を推進する。
2) 解析的モデル 2-1) 臨界指数の地震学的・数学的意義について解析的に考える。必要に応じ、いくつか特定の空隙発展則を仮定して数値計算も行う。３次元系では、特に熱と流体の拡散項を取り入れる際、方向によって拡散のし易さに違いが現れると期待されるため、拡散係数の見積もりが重要になってくる。その上で、局所的な不均質を仮定して数値計算まで行えれば良いと考えている。2-2) 摩擦法則の微視的導出とスケール依存性が分かったことを受けて、これを地震の準備過程、とくに不安定化した滑りがゆっくり加速していく過程（核形成過程）の解析を行うこととする。2-3) １次元弾性体にrate and state型の摩擦則を適用したモデルを用いスロー地震環境下で滑り現象の法則を考察する。本研究に関して、簡便な方程式系へ縮約することを意識して研究を推進する。
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