大型岩石摩擦実験による２次元破壊伝播機構の解明

• Project/Area Number: 23K22592
• Project/Area Number (Other): 22H01321 (2022-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2022-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 17040:Solid earth sciences-related
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 福山 英一 京都大学, 工学研究科, 教授 (60360369)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 大久保 蔵馬 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, 契約研究員 (30897921) ; 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)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000); Fiscal Year 2026: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2025: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2024: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2023: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2022: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000)
• Keywords: 岩石摩擦 / 破壊伝播 / 大型岩石実験

Outline of Research at the Start

断層破壊の進展は、断層面の不均質に起因する２次元的破壊伝播の重要性が指摘されているが、自然地震の場合、原位置測定の困難さにより２次元破壊伝播の詳細は十分に調べられていない。本研究の目的は、岩石試料を用いた摩擦実験において応力やすべり、温度を原位置測定し、断層破壊伝播におけるエネルギー収支を通して２次元断層面内の破壊伝播速度の性質を解明することである。防災科学技術研究所所有の4m大型岩石摩擦試験機を用い、断層内部に測定器を多数埋設設置した摩擦実験を行い、すべり伝播の原位置測定を行う、世界でも類を見ないユニークな実験であり、断層の破壊伝播機構に実験的な知見を与えその解明に資するものである。

Outline of Annual Research Achievements

すべり面内の歪み変化を測定するために光ファイバーを用いたFBGセンサーの予備測定を行った。予備測定に際しては、測定結果が検証できるように、岩石試料側面に設置している歪ゲージのすぐそばが測定点となるようにFBGセンサーを設置した。測定結果は、歪ゲージのデータを非常によく再現していることが確認できた。そこで、光ファイバーをすべり面内に設置する方法の検討を行った。模擬岩石試料を用いてデータを取得したところ、溝幅1mm深さ2mmの底に光ファイバを設置することで、すべり面内の歪を精度良く測定できそうであることが模擬実験により確認できた。

Fukuyama et al (2018)は、以前、光ファイバーを用いずに岩石試料に横穴を堀り、角柱に歪ゲージを設置して横穴に挿入し、隙間をモルタルで充填してすべり面の歪測定を行った。このデータの再解析を行い、面内歪みを用いて、滑り面の摩擦パラメータの空間分布がどのようになるかを調べる目的で、データ解析を行なった。その結果、破壊開始位置から線形に増加していくようにすべり弱化距離を設定することにより、スティックスリップ発生時の面アイスベリデータは非常によく説明できることがわかった。また、推定されたすべり弱化距離は、総すべり量が大きくなるにつれ大きくなることもわかった。

岩石試料の変位場をより精度良く測定し、FBGによる測定を補完するために、小型で高精度のレーザ変位計による測定システムを構築した。同じベースに設置した２台のレーザ変位計により上下2つの岩石試料の変位を測定し、滑り量を正確に測定しようというものである。測定された変位量は近くに設置した高周波加速度計の２回積分値と良い一致を示した。加速度計は長時間の変異場のモニターには適さないが、本レーザ変異計システムは、変位場の計測に非常に有効であることが分かった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

FBGを用いた実験に関しては、当初研究通りに研究が進展している。

本年度は、さらに、FBGを用いた実験で得られるであろうデータを想定し、過去に得られた類似のデータを用いで、どこまで断層破壊や断層摩擦の空間分布の情報が得られるかの調査を行った。過去に得られたデータは非常にまばらな測定点のデータであったが、それでも、断層摩擦の空間分布に関する情報を抽出できた。FBGを使った測定により、すべり面上
で非常に稠密な測定ができれば、より詳細な解析が可能となることが予想され、摩擦パラメータの空間分布と２次元破壊伝播に関しての興味深い情報がえられることが期待される。

また、レーザ変位計を使った変位場測定システムの開発も行なった。これは、FBG測定がすべり面内で行われた際に、そのデータを試料端で測定された変位データで制約するためのものであり、こちらもうまくいっていることが確認された。

Strategy for Future Research Activity

当初の研究計画通り、FBGによるすべり面内歪の稠密分布の測定を行い、すべりり面内で生じている２次元破壊伝播の詳細の解析を行う予定である。また、そのデータを用い、すべり面における摩擦パラメータの空間不均質の推定と破壊伝播に関しても研究を進めていく予定である。

Research Products

• [Journal Article] Estimation of time-variable friction parameters using machine learning (2023)
  • Author(s): Ishiyama Ryo、Fukuyama Eiichi、Enescu Bogdan
  • Journal Title: Geophysical Journal International Volume: 236 Issue: 1 Pages: 395-412
  • DOI: 10.1093/gji/ggad422
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Foreshock Activity Promoted by Locally Elevated Loading Rate on a 4‐m‐Long Laboratory Fault (2022)
  • Author(s): Yamashita F.、Fukuyama E.、Xu S.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Solid Earth Volume: 127 Issue: 3
  • DOI: 10.1029/2021jb023336
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 回転摩擦試験時にすべり面を透過した弾性波からわかるすべり面の性質 (2023)
  • Author(s): 末久泰史、福山英一、吉光奈奈
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2003
• [Presentation] Matched filter detection of foreshocks in a large-scale friction experiment (2023)
  • Author(s): 石山諒、Enescu Bogdan、福山英一、山下太
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2003
• [Presentation] 入力仕事率に依存する石英質砂岩の摩擦・摩耗特性 (2023)
  • Author(s): 前田純伶、山下太、大久保蔵馬、福山英一、奥平敬元
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2003
  • Invited
• [Presentation] 断層面直下のせん断ひずみ分布データから断層摩擦パラメータとすべり分布の推定（その２：自由表面モデル） (2023)
  • Author(s): 野田恭佑、福山英一
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2003
• [Presentation] 幅広い時空間スケールに渡る断層すべり現象の理解に向 けた巨大岩石摩擦試験機の開発 (2023)
  • Author(s): 山下太、福山英一、大久保蔵馬、前田純伶
  • Organizer: 日本地震学会秋季大会
• [Presentation] 低速から中速度におけるグレイワッケの鏡面生成条件と摩擦特性 (2023)
  • Author(s): 前田純伶、山下太、大久保蔵馬、福山英一、奥平敬元
  • Organizer: 日本地震学会秋季大会
• [Presentation] すべり開始位置を制御するために断層面に設置するガウジパッチの形状と生じる応 力分布 (2023)
  • Author(s): 大久保蔵馬、山下太、福山英一
  • Organizer: 日本地震学会秋季大会
• [Presentation] Molecular Study of Rock Friction and Wear Mechanism Using a Pair of α-quartz Asperities (2023)
  • Author(s): Sheng Li, Eiichi Fukuyama
  • Organizer: 日本地震学会秋季大会
• [Presentation] A simple direct shear friction apparatus using a uniaxial compression tester (2023)
  • Author(s): Guohao Ma, Eiichi Fukuyama, Futoshi Yamashita, Kurama Okubo
  • Organizer: 日本地震学会秋季大会
• [Presentation] Distribution of Slip-weakening Friction Parameters from the Strain Gauge Array beneath the Fault during the Large-scale Bi-axial Friction Experiments (2023)
  • Author(s): Kyosuke Noda, Eiichi Fukuyama
  • Organizer: American Geophysical Union 2023 Fall Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Relationship between porosity of the gouge layer and friction coefficient obtained by the numerical simulation of transmitted waves across the sliding surfaces (2023)
  • Author(s): Yasufumi Suehisa, Eiichi Fukuyama, Nana Yoshimitsu
  • Organizer: American Geophysical Union 2023 Fall Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Rock friction and wear: Insights from molecular dynamics simulation of α-quartz asperities (2023)
  • Author(s): Sheng Li, Eiichi Fukuyama
  • Organizer: American Geophysical Union 2023 Fall Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] How does a non-planar fault geometry (rough fault, bends, kinks...) perturbs the traction on the fault? (2023)
  • Author(s): Pierre Romanet, Tatsuhiko Saito, Eiichi Fukuyama
  • Organizer: American Geophysical Union 2023 Fall Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Foreshocks Generated by Simulated Gouge Patches on 4-meter-long Laboratory Fault (2023)
  • Author(s): Kurama Okubo, Futoshi Yamashita, Eiichi Fukuyama
  • Organizer: American Geophysical Union 2023 Fall Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fault Mirror Formation and Friction-wear Properties with Subarkose and Greywacke (2023)
  • Author(s): Sumire Maeda, Futoshi Yamasita, Kurama Okubo, Eiichi Fukuyama, Takamoto Okudaira
  • Organizer: American Geophysical Union 2023 Fall Meeting
• [Presentation] 逆断層／正断層環境下における採掘誘発地震の3次元準静的モデリング (2023)
  • Author(s): リ ヤタオ、福山 英一、吉光 奈奈
  • Organizer: 資源・素材学会 2023年度 春季大会
• [Presentation] 4m大型岩石摩擦試験で生じる前震の震源メカニズム解析 (2022)
  • Author(s): 大久保 蔵馬、山下 太、福山 英一,
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2022
  • Invited
• [Presentation] What do the time-variable friction parameters in laboratory experiments tell us about sliding dynamics? (2022)
  • Author(s): 石山 諒、福山 英一、Enescu Bogdan
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2022
• [Presentation] 断層面に沿った剪断応力分布からすべり分布及び断層摩擦構成則を推定する手法 (2022)
  • Author(s): 野田 恭佑、福山 英一
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2022
• [Presentation] Riedel shear の生成と摩擦パラメータに関する一考察 (2022)
  • Author(s): 福山 英一 、山下 太、前田 純伶、下田 晃嘉、渡辺 俊
  • Organizer: 日本地震学会2022年度秋季大会
• [Presentation] FBGセンサーを用いた4m大型二軸岩石摩擦実験におけ る断層近傍のひずみ計測 (2022)
  • Author(s): 大久保 蔵馬、山下 太、福山 英一、若原 正人
  • Organizer: 日本地震学会2022年度秋季大会
• [Presentation] メートルスケールにおける変はんれい岩ガウジの摩擦特性 (2022)
  • Author(s): 山下 太 、大久保 蔵馬、福山 英一
  • Organizer: 日本地震学会2022年度秋季大会
• [Presentation] 断層面直下のせん断ひずみ分布データから断層摩擦パ ラメータとすべり分布の推定 (2022)
  • Author(s): 野田 恭佑、福山 英一
  • Organizer: 日本地震学会2022年度秋季大会
• [Presentation] Estimation of Time-Variable Friction Parameters Using Machine Learning (2022)
  • Author(s): RYO ISHIYAMA, Bogdan Enescu, Eiichi Fukuyama
  • Organizer: Americal Geophysical Union 2022 Fall Meetung
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Estimate the source properties of foreshocks that occurred during stick-slip experiments using the 4-meter-long biaxial rock friction apparatus (2022)
  • Author(s): Kurama OKUBO Eiichi Fukuyama Futoshi Yamashita
  • Organizer: Americal Geophysical Union 2022 Fall Meetung
  • Int'l Joint Research