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研究概要
熊野灘沖南海トラフにて採取された付加体前縁断層上盤物質の摩擦特性

熊野灘沖南海トラフにて採取された付加体前縁断層上盤物質の摩擦特性解明を目的とした実験（IODP exp316航海）

Kumano basin

図２ 南海掘削における掘削サイト付近の断面図
今回の実験で用いたのは、C0006で採取された試料

図1 南海掘削における掘削サイト

若手技術者・学生・研究者交流会
プレゼンテーション
平成２２年 ６月２４日
津久井 敦也

付加体物質の摩擦研究の意義
すべり速度が1 mm/s以下の低速摩擦については、速度･状態依存摩擦則によって断層摩擦の性質が記述され、この性質に基づいて断層のすべり挙動が議論されている。
– 渡辺(2009) 0.003～3 mm/sにおける付加体物質（ガウジ）の摩擦構成則パラメータの推定，内部変形構造を解析。
– 付加体物質のガウジについて、より高速の摩擦の性質は明らかになっていない

プレート境界断層において深部破壊が発生した際に、付加体浅部のさまざまな性質を持つ断層がどのように挙動するのかを明らかにする。

0.026-260 mm/sの速度における付加体断層物質の摩擦特性を明らかにする

JAMSTEC
web siteより

目次
試料の概要
先行研究
実験の設定条件
垂直応力依存実験– 実験手法– 実験結果すべり速度依存実験– 実験手法– 実験結果考察
結論

C0006E-31x-4（使用した試料を含むコア）の一部
IODP Web siteより

これまでの研究から

試料の概要

低速域においては左図のように、速度を上げるとPorosityの値が大きくなり、それに伴って摩擦係数が大きくなることが分かっている。

C0006E-31x-4
Depth CSF: 233.34m(CSF = core depth below seafloor)

Lithology: silty clay
図３ 掘削孔付近の断面図
Texture: Sand 2%,
Silt 28%,
Clay 70%
sampleXRD data: Clay 42.0%,
Quartz 24.1%,
Plagioclase 33.9%,
Calcite 0.0%
Stratigraphic age: Pleistocene
IODP Web siteより

図４ 掘削孔中の試料の位置

摩擦係数と孔隙 (Marone et al, 1990)

ガウジ物質の摩擦強度はすべり速度に対して正の依存性を示す（速度強化）(Marone et al., 1990)
断層浅部の非地震性領域（安定すべり）は、ガウジの性質によるとする議論(Scholz, 1998)•1

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実験手法

垂直応力依存性‐実験内容

回転式剪断摩擦試験機を用いたガウジには乾燥処
理を施した
60℃/30時間
大気圧下･室温

井上(2010)より引用

試料分量

試料粒径0.500g#150

垂直応力依存すべり速度依存

すべり速度(mm/s)

花崗岩の直径(mm)

すべり面
粗さ

0.5～5

0.262

24.98

#180

10.026～
260

24.95

#80

垂直荷重(MPa)

試料の定常摩擦（垂直荷重別の剪断応力）
せん断速度＝0.26mm/s
0.5MPa

1MPa

3MPa

5MPa

せん断応力

主な実験条件は以下の通りである

垂直荷重をそれぞれ0.5, 1, 3, 5MPaと設定した。
実験はおのおの40分間行い、試料の剪断応力を測定した。
各実験で測定された定常摩擦時の剪断応力値をグラフにプロットし、線形近似を行った。
4← 予測される結果
3摩擦則が成立すれ
2ば、剪断応力は垂直応力に比例する。
1002 垂直応力 46

試料の定常摩擦せん断速度＝0.26mm/s

摩擦則が成り立つ
直線の傾きが定常摩擦係数、Y軸切片はテフロンリングによる抵抗である(Mizoguchi et al., 2007)

すべり速度依存性-実験内容

実験結果（低‐中速域）

速度急変の例 →0.026～2.6mm/sでの速度急変
0.026～2.6mm/sでの速度急変（数値は速度）

層厚0. 26低-中速域においては、速度強化が見られる

2.62.6
摩擦係数

0. 260.026
0.260.026

0.26～26 mm/sでの速度急変

層厚(mm)

層厚、つまり体積はすべり距離に従って減少しており、速度急変による影響は見られない(mm)

2.6, 0.26, 0.026 mm/sと減速させたときの速度強化の様子（左図の四角内を拡大）
層厚

すべり距離(m)

層厚(mm)– 層厚は、すべり距離が0のときを基準とした。

垂直応力は、すべて1MPaとした。

0.026

摩擦係数

すべり距離
速度急変実験では、上図のように速度を変化させた。
今回は、0.026～2.6 mm/s、 0.26～26 mm/s、 2.6～260 mm/s で、それぞれ一桁ずつ速度を上げた実験、および速度をランダムに変えた実験を行った。
摩擦挙動および層厚のデータを測定した。

摩擦係数

これは、2.6, 26,260, 26, 2.6 mm/sと速度を変えたとき

摩擦係数

速度

このように、階段状に速度を変化させた。

すべり距離(m)

すべり距離(m)•2•2010/7/3

実験結果（低‐中速域）

実験結果（高速域での振舞い）

0.026～2.6 mm/sでの速度急変

2.6～260 mm/sでの速度急変（数値は速度）

0.26

0.026

0.26～26 mm/sでの速度急変

2.626260

26

層厚

2.6

層厚

層厚、つまり体積はすべり距離に従って減少しており、速度急変による影響は見られない

(mm)

摩擦係数

(mm)

2.6, 0.26, 0.026 mm/sと減速させたときの速度強化の様子（左図の四角内を拡大）

すべり距離(m)

層厚

2.6

摩擦係数

摩擦係数

(mm)

摩擦係数

層厚

低-中速域においては、速度強化が見られる

すべり距離(m)

すべり距離(m)

高速すべりを二度入れると･･･

考察

0.26～260 mm/sでの速度急変（数値は速度）2.626260262600.262.60.26

図はいずれも再掲

層厚摩擦係数

(mm)

摩擦係数

層厚

摩擦係数

層厚の増加は、体積の増加を表している。
低速域ではPorosityと摩擦係数の間に図のような相関性があるが、高速域では摩擦係数の減少と層厚の増加が起こった。
原因として、発熱に伴う脱水による間隙圧上昇・有効応力低下や、ダイラタンシー、粒子破砕などが考えられる。

すべり距離

すべり距離(m)考察（高速域）続き・・・

摩擦係数

試料の脱水によってこの摩擦挙動が起こるとする場合、層厚にわずかながら変位があることから、少量の脱水でも同じような結果が出ると考えることが出来る。

低速域と高速域での摩擦挙動
0.90.8摩擦係数

有効応力低下による挙動である場合、脱水反応が起こる
ためこの摩擦挙動は再現しないと思われる。
しかし高速すべりを2回実施した実験の結果より、二度目の高速すべりの際にも一度目と同様の摩擦挙動が現れた
ため、挙動に再現性があると考えられる。
層厚には一度目と同じような挙動はするものの、二回目の層厚変化量は一回目と比べ小さかった。
再掲

0.70.60.50.40.1

すべり距離1101001000

すべり速度(mm/s)•3•2010/7/3

結論
本実験で用いた試料は、低‐中速域においては速度強化の性質を持つ。
260 mm/sに速度急変直後の摩擦は高くなるが、定常摩擦係数は低‐中速域よりも低くなった。すなわち速度弱化の性質を示す。
高速域からすべり速度を落とすと、急変後の速度に関係なく摩擦係数が増加する。
260 mm/sの次の速度ステップに見られる摩擦係数の減少は、時間ではなく、すべり距離に対して同じ割合で減少している。
本実験のガウジと同様の物質が断層を形成していた場
合、低‐中速域においては速度強化である。
高速すべりにおいては、すべりに伴って断層の性質が速度強化から速度弱化に転じる可能性がある。
今後の課題として、試料の温度変化に伴う物質変化の影響を明らかにする必要がある。

考察（低‐中速域）
低～中速域では速度強化が見られる。またすべり距離に伴って摩擦係数が大きくなっていく傾向があるが、これと軸変位が連動しているため、この要因としてガウジ試料の圧密が考えられる。

Thank you for yourattention !

考察
例の摩擦が変わる図を入れるよ。

低速域での速度強化
通常、岩石は速度弱化を示す
ガウジは速度強化が多い（余談）– 粒状体の特徴ゆえに。応力鎖もそのひとつ

考察
高速での内容– 発熱– 云々
– 粘土の脱水（120－150℃になればスメクタイトの脱水がおこる）– 応力鎖（早くなると膨張するというやつ）でもこれではゆっくり層厚が増えるわけではないし、その後の速度弱化を説 明できない
– ・・・
– 平衡

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