摩擦すべりに伴うエネルギー散逸過程の解明

課題番号：1215

（1）実施機関名：

東北大学大学院理学研究科

（2）研究課題（または観測項目）名：

摩擦すべりに伴うエネルギー散逸過程の解明

（3）最も関連の深い建議の項目：

2（4）ア．岩石の変形・破壊の物理的・化学的素過程

（4）その他関連する建議の項目：

2（4）ウ．摩擦・破壊現象の規模依存性

（5）平成20年度までの関連する研究成果（または観測実績）の概要：

摩擦すべりに伴うAEの発生過程

　摩擦すべりに伴って発生するAEの震源が巨視的断層面上に分布していること，発震機構解は巨視的なすべりから期待されるものと一致していること，AEの震源分布と断層面形状，断層面上の鉱物分布に関連があること，AEの震源サイズが岩石試料の鉱物粒径とほぼ等しいこと，その応力降下量が数MPaであることを見いだした．さらに，AEの規模別頻度分布がG‐R則に従うことを確認し，そのb値がすべり速度やすべり量に依存することを明らかにした．また，b値と摩擦強度の間に一定の関係が成り立つことを明らかにした．

flash melting

　初期すべりの後は、摩擦発熱に制御された摩擦すべり機構に不可避的にスイッチする。後者の初期を支配するのがflash meltingである。Ettles （1986）の古典的理論はRice （2005）でも踏襲されているが、本質的な進歩は無い。改善すべきkey pointは、scratched debris（断層ガウジ粒子）の効果を評価してこの摩擦構成則を再定式化することである。平成18年度の予察的固着すべり実験とSEM観察によれば、ガウジ粒子が新たな真の接触点を形成する過程が良く分かる（図1）。

リーデルシアと破壊核形成

　震源核は断層破壊における唯一の特徴的サイズであり、すべり帯内部の唯一の特徴的構造であるリーデルシアと密接に関係するはずである。平成18年度の予察的固着すべり実験によれば、線形に歪が増加する局所的な先駆的ゆっくりすべりの発生位置が、固着すべり後の試料観察によって分かるリーデルシアの位置とほぼ一致しており、かつ、リーデルシアには摩擦溶融が全く伴われていないのに対し（低すべり速度）、Y‐シア（ガウジ層とintact rockとの境界すべり面）には明瞭な溶融層が伴われている（高すべり速度）ので、予想された両者の対応を支持する（図2）。

破壊現象のフラクタル性

　地震の多くはフラクタル・バックボーン（既存断層集団）上での摩擦すべりなので、地震現象にも様々なスケールでフラクタル的な特徴が付随する。このような視点から、これまで、以下のような研究成果を挙げた。1．フラクタルな断層集団の空間分布とサイズ分布の進化則、および両者を結ぶ普遍則の発見（Otsuki, 1998, GRL; Goto ＆ Otsuki, 2004, GRL）。2．断層帯の階層的に自己相似な幾何学とその進化則の発見、および地震のサイズ分布、および本震の地震モーメントが震源核のサイズの3乗に比例するという経験則の導出。3．階層的に自己相似な断層帯の幾何とジョグ内のマイクロクラックのフラクタル分布から、ジョグ部（アスペリティー）、および断層帯にわたって平均された表面破壊エネルギーのサイズ依存性の導出（Otsuki, 2007, GRL）。4．断層ガウジのフラクタル粒径分布の進化、および粉砕そのものがすべり弱化過程であることの発見（Monzawa ＆ Otsuki, 2003, Tectonophysics）。このように、ミクロからマクロまで、地震破損と不可分に結びついている幾何学からのアプローチは欠かせない。

（6）本課題の5ヶ年の到達目標：

　地殻活動予測システムの構築のためには，断層面の強度を適切に記述することができる摩擦則が不可欠である．室内実験に基づいて，これまでにいくつかの摩擦則が提案されている．これらの摩擦則の素過程は，一般に，真実接触面積のすべり速度・接触時間依存性に基づいて理解されている．これは，摩擦面同士の固着，すなわち，歪エネルギーの蓄積過程に対する理解である．一方で摩擦すべりは必然的にエネルギーの散逸を伴う．散逸したエネルギーは，破損面やガウジ粒子の表面エネルギー，摩擦発熱による熱エネルギー，AEなどの発生に伴う波動エネルギーの形で消費される．真実接触域の固着により蓄積されたエネルギーが，上記の3つの消費形態にどの程度配分されるのかを理解することは，摩擦すべりの挙動を支配する物理過程を理解する上で重要である．本課題では，室内すべり実験により，散逸エネルギーの分配法則を明らかにする．

（7）本課題の5ヵ年計画の概要：

平成21年度：摩擦発熱によるエネルギー消費を見積もるために，実験的アスペリティーの実態とflash meltingにかかわる摩擦構成式を検討する．
M2震源断層貫通掘削コア試料の解析を行い，断層墓に伴う表面エネルギーを推定する．

平成22年度：地震に先行する電磁気的異常を理解するために，先駆的なtriboelectricityに関する固着すべり実験をおこなう．
波動としてのエネルギー散逸を推定する基礎として，広帯域AEセンサーを用いて，摩擦すべりに伴うAEの震源パラメターを推定する．

平成23年度以降：表面エネルギーの散逸過程を理解するために，すべり帯内部の構造（R‐シアとY‐シア）と固着すべり過程，強震動による断層破砕帯形成の可能性，断層ジョグでの粉砕の特異性を検討する．
波動エネルギー散逸過程を理解するために，AEの震源パラメタ "の載荷条件依存性を明らかにする．

（8）実施機関の参加者氏名または部署等名：矢部康男・大槻憲四郎・他

他機関との共同研究の有無：なし

（9）公開時にホームページに掲載する問い合わせ先

部署等名：東北大学大学院理学研究科附属地震・噴火予知研究観測センター
電話：022‐225‐1950
e‐mail：zisin‐yoti@aob.geophys.tohoku.ac.jp
URL：http://www.aob.geophys.tohoku.ac.jp/