2021 Fiscal Year Research-status Report

Study on the scale dependence of gouge frictional properties defining fault slip

Research Project

Project/Area Number	21K03706
Research Institution	National Research Institute for Earth Science and Disaster Prevention
Principal Investigator	山下太国立研究開発法人防災科学技術研究所, 地震津波防災研究部門, 主任研究員 (90374165)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	溝口一生一般財団法人電力中央研究所, 地球工学研究所, 主任研究員 (50435583)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2024-03-31
Keywords	岩石摩擦 / ガウジ / スケール依存
Outline of Annual Research Achievements	岩石摩擦特性のスケール依存性を調査する目的で，メートルスケールでおこなわれたガウジ摩擦実験（山下他, 2020, 地震学会; 下田他, 2020, 地震学会）と同等の条件でセンチメートルスケールの実験を実施した．模擬ガウジとしてジェットミルにより粉砕した変はんれい岩の粉末粒子（平均粒径12 μm，最大粒径75 μm）を用い，加圧前のガウジ層圧を3 mmとした．実験は電力中央研究所が所有する二軸摩擦試験機（Mizoguchi et al., 2021, EPS）により実施した．模擬断層面は長さ10 cm，幅5 cmである．実験中の垂直応力はメートルスケール実験と同様に3.4 MPaもしくは6.7 MPaの一定に保った．10分間加圧をした後，10 μm/sで4 mm変位させ，0.1-1.0-10.0-100.0 μm/sの速度ステップを3セット与えた．速度ステップに応じた摩擦係数の変化が速度-状態依存摩擦則（以下RSF則）に従うと仮定し，各パラメタの推定をおこなった．摩擦データへのフィッティングにはSkarbek and Savage (2019, Geosphere)によるプログラムを利用した．推定したRSF則パラメタのa-b及びDcは，ともに弱い累積変位依存性及び載荷速度依存性を示したが，a-bの値はメートルスケールにおける推定値と調和的であった．Dcは数～10 μm程度であり，模擬ガウジの平均粒径が12 μmであることと調和的である．一方，下田他（2020，地震学会）がメートルスケール実験のデータを解析し推定したDcは最大で100 μmを越えており，今回推定したDcに比べ大きい傾向にあることが明らかとなった．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 岩石摩擦特性のスケール依存性解明に向け，センチメートルスケールのガウジ摩擦実験を予定通り実施できた．適切に収録された実験データからRSF則の摩擦パラメタも推定され，2つのスケール間でパラメタの比較をおこなった結果，Dcがスケールによって異なる可能性を指摘できた．また，せん断中のガウジ層内の変形構造を観察するための実験後のガウジ層サンプルも適切に採取されている．今後，薄片試料を製作し，内部変形構造を比較する予定である．
Strategy for Future Research Activity	センチメートルスケールの摩擦実験後に採取したガウジ層サンプルの薄片試料を製作し，光学顕微鏡による内部変形構造の調査を実施する．推定されたRSF則パラメタのうち，2つのスケール間で差違が見られたDcはせん断帯の幅に関係があることが先行研究により示唆されているため，せん断帯の構造に注目して観察をおこなう．また，センチメートルスケールの二軸摩擦実験では大きな変位量を確保できないため，大変位を実現できる回転せん断摩擦試験機を用いたセンチメートルスケールのガウジ摩擦実験を実施し，RSF則パラメタを推定して累積変位依存性及びスケール依存性を確認する．
Causes of Carryover	センチメートルスケールの二軸摩擦実験後に採取したガウジ層サンプルはエポキシ樹脂により固化しており，それから薄片試料を製作する予定だったが，薄片試料の製作を依頼する予定の業者の都合により，令和3年度中の製作が不可となった．そこで令和4年度に製作し，メートルスケールのガウジサンプル試料との比較を実施する．