南アフリカ大深度鉱山でのAE計測による岩盤破壊規模と時期の予測に関する研究

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26249137
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 森谷 祐一 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (60261591)
• 研究分担者: 中谷 正生 東京大学, 地震研究所, 准教授 (90345174) ; 川方 裕則 立命館大学, 理工学部, 教授 (80346056) ; 直井 誠 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (10734618)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 地殻工学 / 地震 / 資源 / AE

研究実績の概要

南アフリカ(以下南ア)の金鉱山では, 深度1～3.6 kmで採鉱が行われており，採鉱による応力変化に起因して大きな地震(岩盤破壊)が起きている. 1992年以来, 日本の学者有志による南ア半制御地震発生実験グループ(以下南アG)は,複数の金鉱山内に地震計・歪計等を事前に設置して，100m 規模の地震破壊を数m ～数十m の至近距離で観測し，世界的に注目される成果を上げている．本研究の目的は，鉱山内の断層を囲むように設置されているAE観測網により，前駆現象から大規模破壊に至るまで様々なスケール(数cm ～100m)の岩盤破壊を至近距離で計測し，観測される膨大な数のAEに着目して，大規模破壊に至るプロセスを明らかにすることにある．本年度の成果の概要は下記のとおりである．観測されたAEの震源位置をJHDおよびDD法により精度良く決定したところ，掘削面前方の岩体中に微小破壊によるAE群による板状の構造を抽出することができた．掘削面近傍だけでなく，周囲で抽出された構造面に着目してAE活動の解析を詳細に行った．その結果，掘削前面前方の既存断層面上の定常的微小AE活動を検出でき，断層面上の応力変化に伴う断層の応答を評価できるような結果が得られた．また，断層面のほぼ同じ位置から繰り返し発生する類似波形を有した微小AE群を観測することができ，断層面のクリープによって，断層面固着部が繰り返し破壊を起こし，断層がゆっくりと滑っていることを示唆する結果が得られた．本結果は，断層面上の滑りの場所による不均質性を検出できる可能性を示しており，鉱山内の大規模破壊のリスク評価に利用できる可能性を有している重要な成果である．

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

これまでの研究を通じて，観測されたAEの震源位置を精度良く決定したところ，掘削面前方の岩体中に微小破壊によるAE群による板状の構造を抽出することができた．本成果を基礎に，掘削面近傍だけでなく，周囲で抽出された構造面に着目してAE活動の解析を詳細に行うことや，鉱山内での破壊箇所の観察等，研究を展開することが出来た．例えば，掘削前面前方の既存断層面上の定常的微小AE活動を検出でき，断層面上の応力変化に伴う断層の応答を評価できるような結果が得られた．また，断層面のほぼ同じ位置から繰り返し発生する類似波形を有した微小AE群を観測することができ，断層面のクリープによって，断層面固着部が繰り返し破壊を起こし，断層がゆっくりと滑っていることを示唆する結果が得られた．本結果は，断層面上の滑りの場所による不均質性を検出できる可能性を示しており，鉱山内の大規模破壊のリスク評価に利用できる可能性を有している重要な成果である．以上のように，本研究の目標達成に関わる知見が得られており，おおむね順調に進捗しているといえる．

今後の研究の推進方策

(1)AE源高精度標定による岩盤内破壊面の抽出：観測されるAEの震源をJHD法やコラプシング法，マルチプレット解析により逐一決定し，AE源の時空間分布より破壊面の正確な位置や走向傾斜を抽出すると伴に破壊活動の時間変化を追跡する．
(2)岩盤破壊パラメータのAEからの抽出：AEマルチプレットの発生時間間隔とマグニチュード，モーメント，震源面積，エネルギー解放量を推定し，発生時系列と破壊規模との関係を調べる．
(3)応力実測値，応力モデリング等からみた破壊準備過程とAEからみた過程の比較：本研究のサイトでも岩盤の大規模破壊の前駆現象として，AEが多発するとともにひずみ計に変化がみられると考えられる．本研究では南アGの協力を得て，応力や歪実測値や応力モデリングから見た岩盤の大規模破壊準備過程とAEから見える準備過程との関係を明らかにする．
(4)岩盤破壊領域の目視観測：AE源分布より同定される岩盤中の破壊面は，掘削箇所の前進により掘り出されるため目視観察が可能である．本研究では，AE源分布やAEにより描き出される巨視的な破壊面を観察しAE波形解析により推定される破壊メカニズムと，掘り出される破壊面で観察できる破壊現象を相互に比較する．そして，微小破壊から大規模破壊に至るまでのプロセスについて検討する．
(5)地熱フィールドで発生するAEや自然地震で見られる現象との比較：申請者らは各国の地熱フィールドで観測されたAEデータを有している．そこで，鉱山内AEの解析結果との対比を行うことにより，本研究の解析で得られる現象の普遍性を検証する．

研究成果

• [国際共同研究] The University of the Witwatersrand/Institute of Mine Seismology/Ezulwini mine(南アフリカ)
  • 国名: 南アフリカ
  • 外国機関名: The University of the Witwatersrand/Institute of Mine Seismology/Ezulwini mine
  • 他の機関数: 1
• [国際共同研究] GMuG(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: GMuG
• [雑誌論文] Steady activity of microfractures on geological faults loaded by mining stress (2015)
  • 著者名/発表者名: Makoto Naoi, Masao Nakatani, Kenshiro Otsuki, Yasuo Yabe, Thabang Kgarume, Osamu Murakami, Thabang Masakale, Luiz Ribeiro, Anthony Ward, Hirokazu Moriya, Hironori Kawakata, Raymond Durrheim, Hiroshi Ogasawara
  • 雑誌名: Techtonophysics 巻: 649 ページ: 100-114
  • DOI: 10. 1016/j.tecto.2015.02.025
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Quasi-static slip patch growth to 20 m on a geological fault inferred from acoustic emissions in a South Africa gold mine (2015)
  • 著者名/発表者名: Makoto Naoi, Masao Nakatani, Thabang Kgarume, Sifiso Khambule, Thabang Masakale, Luiz Ribeiro, Joachim Philipp, Shigeki Horiuchi, Kenshiro Otsuki, Koji Miyakawa, Atsushi Watanabe, Hirokazu Moriya, Osamu Murakami, Yasuo Yabe, Hironori Kawakata, Nana Yoshimitsu, Anthony Ward, Raymond Durrheim, and Hiroshi Ogasawara
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research 巻: 120 ページ: 1692-1707
  • DOI: 10.1002/2014JB011165
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Delineation of large localized damage structures forming ahead of an active mining front by using advanced acoustic emission mapping techniques (2015)
  • 著者名/発表者名: Hirokazu Moriya, Makoto Naoib, Masao Nakatani, Gerrie van Aswegen, Osamu Murakami, Thabang Kgarume, Anthony K. Ward, Raymond J. Durrheim, Joachim Philipp, Yasuo Yabe, Hironori Kawakata, Hiroshi Ogasawara
  • 雑誌名: International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 巻: 79 ページ: 157-165
  • DOI: 10.1016/j.ijrmms.2015.08.018
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Unexpectedly frequent occurrence of very small repeating earthquakes (-5.1≦M W≦ -3.6) in a South African gold mine: Implications for monitoring intraplate faults (2015)
  • 著者名/発表者名: Makoto Naoi, Masao Nakatani, Toshihiro Igarashi, Kenshiro Otsuki, Yasuo Yabe, Thabang Kgarume, Osamu Murakami, Thabang Masakale, Luiz Ribeiro, Anthony WardHirokazu Moriya, Hironori Kawakata, Shigeru Nakao, Raymond Durrheim, and Hiroshi Ogasawara
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research 巻: 120 ページ: 8478-8493
  • DOI: 10.1002/2015JB012447
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] 薄板状鉱脈の採掘とともに規則的に形成する2次元状クラスタのb値と空間相関長の時間変化 (2015)
  • 著者名/発表者名: 山形直毅，直井誠，石田毅，中谷正生，森谷祐一，村上理，Thabang Kgarume，Ray Durrheim，小笠原宏，南アフリカ金鉱山における半制御地震発生実験国際共同研究グループ
  • 学会等名: 資源・素材学会 第12回若手研究者・学生のための研究発表会
  • 発表場所: 京都
  • 年月日: 2015-12-11
• [学会発表] Mw≧0級鉱山誘発地震に先行するAE活動度の加速の有無の検討 (2015)
  • 著者名/発表者名: 北代雅明，直井誠，石田毅，中谷正生，森谷祐一，Thabang Kgarume，村上理，小笠原宏，Ray Durrheim，南アフリカ金鉱山における半制御地震発生実験国際共同研究グループ
  • 学会等名: 資源・素材学会 第12回若手研究者・学生のための研究発表会
  • 発表場所: 京都
  • 年月日: 2015-12-11
• [学会発表] Acoustic emission monitoring in Cooke 4 gold mine in South Africa-summary of the main findings of a 5-year SATREPS project - (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Naoi, M. Nakatani, H. Moriya, K. Otsuki, T. Kgarume, J. Philipp, O. Murakami, T. Masakale, L. Ribeiro, Y. Yabe, H. Kawakata, A. Ward, R. Durrheim, H. Ogasawara
  • 学会等名: AGU Fall Meeting
  • 発表場所: San Francisco, USA
  • 年月日: 2015-12-10
  • 国際学会
• [学会発表] Acoustic Emissions delineating geological faults in the Cooke 4 (Ezulwini) mine (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Naoi
  • 学会等名: ICDP DSeis workshop
  • 発表場所: South Africa
  • 年月日: 2015-11-01
  • 国際学会
• [学会発表] 南アフリカ大深度金鉱山での地震被害低減のための震源至近距離観測研究 -SATREPS 等 6 カ 年の活動のまとめ - (2015)
  • 著者名/発表者名: 小笠原宏，加藤春實，Gerhard Hofmann，矢部康男，Artur Cichowicz，堀内茂木，大久保慎人，中谷正生，直井誠，森谷祐一，村上理，佐藤隆司，川方裕則，吉光奈奈，Ray Durrheim，Anthony Ward，Alex Milev，山口照寛，中尾茂，伊藤高敏，Gerrie van Aswegen，SATREPS 研究グループ，ICDP計画準備グループ
  • 学会等名: 日本地震学会秋季大会
  • 発表場所: 神戸
  • 年月日: 2015-10-27
• [学会発表] 南アフリカCooke 4金鉱山における微小破壊観測 -SATREPS計画５カ年のまとめ - (2015)
  • 著者名/発表者名: 直井誠，中谷正生，森谷祐一，大槻憲四郎，Thabang Kgarume，Joachim Philipp, 村上理，Thabang Masakale，Luiz Ribeiro, 矢部康男，川方裕則，Anthony Ward，Ray Durrheim, 小笠原宏
  • 学会等名: 日本地震学会秋季大会
  • 発表場所: 神戸
  • 年月日: 2015-10-26
• [学会発表] Analysis of AEs delineating faults and implication for risk assessment in mines (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Naoi, M. Nakatani, K. Otsuki, O. Murakami, H. Moriya
  • 学会等名: SATREPS Seminar
  • 発表場所: South Africa
  • 年月日: 2015-06-05
  • 国際学会
• [学会発表] 南アフリカ大深度金鉱山の地質断層上で観測されたRepeating Earthquakeの出現と消失 (2015)
  • 著者名/発表者名: 山口純弥，直井誠，中谷正生，森谷祐一，五十嵐俊博，Thabang Kgarume，村上理，Thabang Masakale, 矢部康男，大槻憲四郎， 川方裕則，石田毅 , Anthony Ward，Ray Durrheim，小笠原宏，南アフリカ金鉱山半制御地震発生実験国際共同研究グループ
  • 学会等名: 地球惑星連合大会
  • 発表場所: 千葉
  • 年月日: 2015-05-25
• [学会発表] Evidence of post-seismic creep type deformations derived by tilt and acoustic emission monitoring of mining induced seismic events (2015)
  • 著者名/発表者名: Milev, A., P.E. Share, M. Naoi, R. Durrheim, Y. Yabe, H. Ogasawara, and M. Nakatani
  • 学会等名: EGU2015
  • 発表場所: Vienna, Austria
  • 年月日: 2015-04-13
  • 国際学会