2019 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 | Osaka University |
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Principal Investigator |
波多野 恭弘 大阪大学, 理学研究科, 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, 准教授 (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 | スロー地震 / 非線形動力学 |
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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 不均一な断層面における地震活動をモデル化するため、ゲル表面に複数のアスペリティを配置した摩擦実験を行った。その結果、本震の核生成過程として、微動を伴うゆっくりすべりが発生することを見出した。加えて、微動の継続時間が系の駆動速度に対して単調に減少することも確認した。これらの結果は数値計算でも再現されており、速度に対して非単調な摩擦構成則および法線応力の不均一性によって説明されることが明らかとなった．
流体系モデリングでは、混合することで紐状ミセルを生成しゲル化する溶液二種類を用いた実験を行った。まず溶液Aを薄い平行平板内に導入し、その後で溶液Bを中心より注入すると、注入した溶液Bの先端がゲル化する実験系が構築できる。こうした系では注入がもたらす流動とゲル化が結合することで多様な時空ダイナミクスが生まれる。ここでは、セルに予め岩盤中の構造を模擬した規則格子構造を導入しその影響を調べた。その結果、直進的に枝が進行する場合があり、その実現条件を見いだした。このことは簡単な数理モデルでも再現出来た。
2) プレート境界の数理モデル構築と解析 動的地震滑り過程における摩擦発熱による流体の高圧化、及び、空隙生成による流体の減圧化をモデル化し、初期滑り速度と最終滑り量の間に冪的な関係式が成り立つことを示した。この関係式における指数1/2は普遍的であり、空隙発展則の詳細には依存しないことは特筆される。具体的なモデルを仮定して数値計算してみると、初期滑り速度のずれが最終滑り量のずれに大きく拡大されるケースもあることが確認された。これは最終的な地震サイズの予測不能性を示唆するので、意義深い結果である。ここで得られた解析的成果はLotka-Volterra系の特別な場合などにも適用可能であることから、地震現象の理解にとどまらない意義を持つ。
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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
ゲル摩擦実験における2019年度の目標は、摩擦面の凸凹を成形して不安定挙動と安定挙動の境界領域を実験装置で十分実現可能な値に設定した上で、本震の核生成過程のダイナミクスを再現することであった。この目標は達成でき、その結果として微動的な発振を伴うゆっくりすべりを発見できたことは当初の計画以上の進展と言える。この現象に関して簡単な数理モデルを構築し、数値計算を行なって実験と良い一致が得られたことも高く評価できる。
流体実験においては、レオロジーがもたらす対称性の破れ（パターン形成）を実験的に見出し、その機構を数理的に解明することを目標としていた。ここでは、混合することで紐状ミセルを生成しゲル化する溶液二種類を用いるという実験的工夫を行うことで、新奇なパターン動力学を見出すことができた。簡単な場合については数理的な解明もできたため、計画通りの成果を挙げたということができる。
数理モデルにおいては、多孔質媒質中の流体移動についての考察を深めるために乱流のk-εモデルを導入・解析し、一定の成果を得たが、スロー地震、特に観測研究に対する意義は検討を継続する必要がある。それと並行して、摩擦発熱と空隙生成モデルに実際の岩石から得られた空隙率等の値を導入することで、通常の地震とゆっくり地震の両方が起こり得ることを示せたのは、本課題の目標である「通常の地震とスロー地震の統一的な理解」へ大きく近づいたと言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに引き続き、法線応力の不均一性が地震発生過程に及ぼす影響について、ゲルや流体を用いたアナログ実験、及び、数理モデルを用いて調査する。ゲル実験においては法線応力が空間的に増加する場合も考慮して地震発生サイクルを模擬した実験を行う。これは沈み込み帯の大域的応力場に対応させる意図がある。その際、ひずみ場と応力場だけでなく、すべり速度などの動的な物理量を精密に計測することで、地震発生メカニズムの解明に取り組む。
スロー地震においては岩盤中の水の移動が重要とされる。このダイナミクスを実験室で詳細に調べる観点から、狭いセル中に溶液を注入する実験も行いたい。具体的には、系に不純物（粒子）を意図的に導入することで媒質中の不均一性をモデル化し、誘起される不安定性を調べる。
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