2021 Fiscal Year Annual Research Report
n situ observation of fracture propagation of rocks and fault damage by synchrotron ultra fast X ray imaging
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20H02002
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
長濱 裕幸 東北大学, 理学研究科, 教授 (60237550)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
河野 義生 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 准教授 (20452683)
武藤 潤 東北大学, 理学研究科, 准教授 (40545787)
丹下 慶範 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 回折・散乱推進室, 主幹研究員 (70543164)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 粉砕岩 / 亀裂伝播 / 衝突実験 / 断層破壊 / 放射光ビームライン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高ひずみ速度下の変形を評価可能な衝突変形試験機（以下、SHPB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ことを目的として研究を行った。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試験機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フルイ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。力学エネルギーの詳細な評価には、高速変形時に試料が応力平衡を達成しているかが重要であるが、ひずみゲージの衝突時の歪変化から、応力平衡が達成している試料を選別することができた。応力平衡を達成した試料では、ひずみ速度とともに強度が増加していることが明らかになり、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., 2015GRL)に近い高い値を示し、本研究の試料が、断層周辺でおこる実際の高ひずみ速度の変形を再現している可能性を示唆する。
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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
昨年度は、過去の衝突実験でも報告されているさまざまな岩石（花崗岩、ノバキュライト）、セラミック多結晶試料（マコール）を用いて応力平衡性を検討し、そのデータを定量的に検討する方法を構築することに成功した。これにより、今後ひずみゲージを用いた実験から得られた結果を使い、力学エネルギーを評価し、回収試料の粒度分布から得られる表面エネルギーとの定量関係を構築する方法を確立することができた。これは本研究の目指す高ひずみ速度下でのダメージ発達の定量評価に大きく貢献するものである。今年度、応力平衡を満たす実験試料の解析を行うことで、ダメージの定量評価を行う。一方で、放射光ビームライン施設での衝突実験を目指した試験機の小型化に関しては今後も検討が必要であることから、この評価とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
断層破壊伝播時の高歪速度下による変形を模擬できる唯一の方法である衝突変形試験と、放射光X線を用いた超高速度X線イメージングを組み合わせることにより、高速粉砕する試料内での亀裂のその場観察とダメージの定量評価を目指す。今年度はこれまでの予察的な実験を通して得られた、粉砕と圧力の関係を発展させ、様々な岩石の変形実験を行い、その粉砕過程を評価する。とくに、試料の形状・加工精度を高めることで、 力学エネルギーの詳細な評価に欠かせない応力平衡を満たす実験を行い高精度の力学特性を計測する。様々な衝突圧力で行われる力学実験から得られた破壊エネルギーと粉砕粒子の粒度分布測定に基づく表面エネルギーの定量的比較を行い、破壊と粉砕の関係を明らかにする。また、引き続き、放射光ビームラインでの衝突実験を目指した衝突試験機の小型化改良を行う。具体的に既存の衝突実験の衝突棒を1次元での波動伝播条件を満たす最短の長さを検討することで、短い衝突棒においても、これまで蓄積してきた衝突圧-衝突スピード-ダメージの関係を満たすかどうかの検討を行う。
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