2022 Fiscal Year Annual Research Report
海溝沈み込みプレート表層デコルマ帯の固着域生成とすべりの地盤力学的解釈
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21H01427
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
飯塚 敦 神戸大学, 都市安全研究センター, 教授 (40184361)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
橘 伸也 神戸大学, 工学研究科, 教授 (90432567)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 地盤力学 / デコルマ帯 / 弾塑性材料 / 鉱物変質 / 境界値問題 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本課題は，海洋プレート表層部のデコルマ帯の海溝部滑り込み時の変質に伴う力学特性変化を非線形弾塑性理論によって解釈し，プレート境界断層の固着域の生成やゆっくり滑りのメカニズムを土・水連成境界値問題として説明することにより、地震学への地盤力学の積極的な貢献を果たそうとしている．そのため，①デコルマ帯のスメクタイト鉱物のイライト化への変質に伴う粒状特性の具備とその力学特性の弾塑性構成理論化，②スメクタイト鉱物のイライト化への変質過程で生じる鉱物内からの脱水の場の支配方程式への考慮（デコルマ帯で鉱物の変質が生じていると考えられる深度で間隙水圧の発生が観察されている），③非線形弾塑性構成理論と間隙水の生成と移動との連成場としての初期値境界値問題の構成とその解析を実施しなければならない．前年度までに①と②の理論的フレームワークの構築に成功しているが，ただし，弾塑性構成式の精緻化と変質率パラメータの高度化が残されていた。イライト系粘土の力学特性は，従来からの地盤力学の知見として多くが蓄積されているが，スメクタイト系粘土の力学特性は，放射性廃棄物の地層処分に用いる目的で実施されている実験的知見しかない。イライト系粘土への変質を視野に入れたスメクタイト系粘土の力学特性の実験的把握は十分ではなかった。よって当初は，スメクタイト鉱物を主成分とするベントナイト粘土を主な供試体として用いる一連の室内力学試験を計画していたが，コロナウイルスの感染拡大によって，実験を実施することができなくなった。そこで，理論のフレームワークの見直しを行うこととした。そのため，スメクタイト系粘土の弾塑性構成理論に詳しい研究分担者を一名追加し，従来から発表されている実験事実を解釈し直すことで，構成理論の精緻化と高度化を行った。よって，デコルマ帯の力学挙動を記述する初期値境界値問題の定式化を行った。
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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
イライト系粘土とスメクタイト系粘土に対する弾塑性構成式の理論構造の比較から，イライト化への変質率を入力パラメータとして定義して，スメクタイト鉱物の粘土からイライト化に伴う力学挙動変化を記述できる弾塑性構成式を構築したが，その変質は，プレートの沈み込みに従って，深度15km付近，約150度の温度・圧力環境下で徐々に生じている。この「徐々に変質」を記述できるように，変質によって生じるスメクタイト鉱物内から間隙への水の移動を反映して，変質率パラメータを定義した。さらに，スメクタイト系粘土の弾塑性構成式からイライト系粘土の弾塑性構成式に連続的に変化できる弾塑性理論の構築を試み，スメクタイト系鉱物内から変質に伴って間隙に排出される水の移動を考慮した連続条件式の導出を行った。本年度は，スメクタイト系粘土からイライト系粘土への連続変化を記述できる弾塑性構成式の記述能力の検証と高度化，および，スメクタイト系鉱物内から変質に伴って間隙に排出される水の移動を考慮した連続条件式の導出とそれに関係する変質率の定義の合理性と精緻化をはかるために，スメクタイト系粘土の代表であるベントナイト粘土の弾塑性構成理論に多くの知見を有する研究者を一名研究分担者に追加した。このような計画の変更は，コロナウイルス感染拡大に伴って，当初計画の実験を実施できなくなったことに起因するが，当初計画の変更を凌駕できる理論の改善が期待できそうである。すなわち，弾塑性構成理論の要である塑性硬化・軟化特性を合理的に取り入れる硬化・軟化則の定式化に成功しつつある。さらに，スメクタイト鉱物内からの水の間隙への移動を混合体理論に基づく質量保存則により，論理的に導出することに成功した。これらの成果により，デコルマ帯の海溝内での力学作用をうまく説明・予測できる初期値境界値問題の定式化に目鼻がついた。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和５年度においては，これまでの成果である，スメクタイト系粘土からイライト系粘土への変質に伴う連続的な力学性状の変化を記述できる弾塑性構成理論，変質に伴って生じるスメクタイト系粘土鉱物内から粘土間隙への水の移動を考慮した連続条件式，スメクタイト系粘土鉱物から粘土間隙への水の移動量によって記述される変質率の定義と定式をもとに，デコルマ帯の海溝部すべり込みに伴う力学作用を記述できる初期値境界値問題を構成し，有限要素法によるデコルマ帯海溝部すべり込みシミュレーションを行う。このシミュレーションにより，デコルマ帯の海溝部での「アスペリティ形成」および「ゆっくり滑り」の発生メカニズムを明らかにする。変質によるイライト化に伴い，粘土材料の強度は増加するであろう。すべり込みに伴う圧縮圧密によって，剛性も増加するであろう。そうなると，固着が生じても不思議ではない。一方で，圧縮よりもせん断が卓越すれば，変質に伴って生じる鉱物内からの水の移動はひずみ軟化をもたらすであろう。そうなると，デコルマ帯は固着せず，ゆっくり滑りを呈するであろう。変質と海溝部すべり込みの両者の進展の違いにより，上記のどちらかが卓越して発現すると予想される。以上は，これまでの理論構築の過程から推察されるラフな予測であるが，それを初期値境界値問題として解を得ることによって現象の理解を得ようとしている。
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