Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

岩石 / 一軸圧縮 / 電磁波 / 亀裂 / 強度破壊点以降 / アコースティックエミッション / 破壊 / 花崗岩 / 岩盤 / 破壊過程 / 破壊予測 / 一軸圧縮試験

従来の研究で岩石の破壊時に電磁波が発生することが指摘されている。また、電磁波の発生は、アコースティック・エミッション(AE)と深く関わっていることは指摘されているが、その機構に関しては、不明な点が多い。
そこで本研究では、一軸圧縮破壊過程での岩石から発生する電磁波を測定することとした。まず、7種類の試料を用い、実験を行ったところ、稲田花崗岩、本小松安山岩、葛生苦灰岩では強度破壊点以降、比較大きな電磁波が発生することがわかった。しかしながら、三城目安山岩、秋芳大理石、来待砂岩、セメントモルタルでは雑音レベル以上の電磁波を観測することができなかった。この結果から、比較的強度が高く脆性的な岩石の方が発生する電磁波が大きいことがわかった。
次に、稲田花崗岩を用いて載荷条件を変化させた実験を行った。まず、歪速度を小さくした試験を行ったが、多少電磁波は小さくなったが、十分観測することできた。強度破壊点以降、急激な破壊を防ぎ、徐々に破壊を進行させる応力帰還制御によって試験を行ったが、わずかの応力の低下によっても電磁波が発生することがわかった。ただし、電磁波は小さくなり、発生回数は増加する結果となった。
以上の結果から、花崗岩をはじめとする、脆性岩石ではわずかな破壊でも比較的大きな電磁波を発生している可能性があることがわかった。今後は、鉱山や土木分野での岩盤崩壊の予測に、この研究を発展させたいと考える。

岩石 / 衝撃 / 圧電性 / 電磁波 / 探査 / 斜面安定性 / 予知 / 破壊 / 地震 / 地電流 / 電位差 / 圧電気 / 圧電現象

ある種の結晶構造に応力が加えられると、応力に比例した分極が生じる。また、このような結晶構造に電場を加えることによって、電場の強さに比例した歪みが生じる。この現象は圧電効果と呼ばれている。この圧電効果は、マイクロフォン、スピーカーやピックアップといった音響機器、ソナーや魚群探知機、厚み計といった計測機器、ライターや内燃機関の点火装置、通信機器のフィルターなどに古くから多方面で応用されている。
岩石の電気的性質をとらえようとしたとき、岩石は異種類の造岩鉱物の集合体であり、圧電性を持つ結晶も中に含む。このことから、岩石も圧電性を持つと考えられている。また、岩石に荷重を加えた際の電気的性質ついては、そのクラックの発生、進展及び破壊の際に、岩石小片の複雑な移動やこれに伴う界面の変化によって電荷の分配が行われ電気信号が観測されることも知られている。しかし、岩石及び岩盤の組織、構造は極めて複雑であるためその電気的性質には解明すべき点や未知の点が数多く残されている。殊に、岩石の圧電性については、試験片で静的に荷重を加えた際の現象についての研究や、発破による振動を与えた際に石英岩脈近傍で生じる電荷についての研究等が報告されているがその数は少ない。
本研究では、花崗岩ブロックにハンマーで衝撃荷重を加えた際に衝撃を加えた点の近傍で生じる電荷と離れたところで生じる電荷及びハンマーに生じる歪みの測定を行い、その結果を述べるとともにその波形を検討し、衝撃荷重を岩石に加えた際の岩石の電気的性質について詳細に検討した。今回の研究の成果としていくつかの興味深い現象が見出された.不明な点もいくつかあり、今後の継続的な研究が是非とも必要であるが、このように荷重を加えた際の岩石の電気的性質を解明することは、岩盤崩壊の検知や圧電鉱物を含む岩石を母岩に持つ鉱脈の探査等多方面に役立つことになると思われる。

破壊 / フラクタル / 地下き裂群 / 数値シミュレーション / 岩石

本研究は、理学の分野で地球科学への応用として試みられてきたフラクタル幾何学の破壊現象への応用と工学の分野で地熱開発への応用を目指して整備されてきた岩石破壊力学を融合させ、新しい岩盤の破壊現象を取り扱う学問分野の基礎を構築することを目的とする。
研究課題ごとに本年度の研究実績の概要を以下にまとめる。
(1)フラクタル幾何学と地下き裂の三次元モデルとその画像化
昨年度に構築された三次元フラクタルき裂群モデルを用いて、地熱貯留層からの熱抽出特性の評価を行った。この結果、地熱貯留層からの熱抽出量の経時変化が、貯留層規模および貯留層内のき裂密度の関数として予測できるようになった。さらに、熱抽出におよぼすき裂密度の影響を詳しく検討するために貯留層内の任意の断面での温度分布の変化をコンピューターのディスプレイに表示される技術を開発し、地熱貯留層からの熱抽出におけるき裂群の重要性を明らかにした。
(2)岩石の引張軟化剤とフラクタル破壊モデル
(3)AE計測によるフラクタル破壊モデルの検証
これらの研究課題についてはお互いに密接に関連しているため会わせて研究を実施した。昨年度の平面格子モデルを格子のモーメントをも考慮したモデルに改良し、本年度はCT試験片モデルを用いて岩石破壊の数値シミュレーションを実施した。また、併せて数種の岩石を用いて岩石破壊実験も行った。AEの放出挙動および破断後のき裂の形状等の観測の結果、数値モデルと実際の実験でよい一致を示し、岩石破壊モデルとしてフラクタル格子モデルが有効であることが示唆された。

【研究分担者】
秋山政雄	東京大学	大学院・工学系研究科	助手	(Kakenデータベース)
福井勝則	東京大学	大学院・工学系研究科	助教授	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
高安秀樹	東北大学	大学院情報科学研究科	教授	(Kakenデータベース)
伊藤敬祐	神戸大学	理学部	教授	(Kakenデータベース)
橋田俊之 (橋本俊之)	東北大学	工学部	助教授	(Kakenデータベース)
松木浩二	東北大学	工学部	教授	(Kakenデータベース)
阿部博之	東北大学	工学部	教授	(Kakenデータベース)
P.MEREDITH	東北大学	工学部	客員教授
F.OUCHTERLON	山口大学	工学部	教授
平田隆幸	筑波大学	物理工学系	講師	(Kakenデータベース)