[論文レビュー] Assessing the brittle crust thickness from strike-slip fault segments on Earth, Mars and Icy Moons

Frédéric‐Victor Donzé, Yann Klinger+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2020

earthquake and tectonic studies参考文献 64被引用数 17

ひとこと要約

本研究では、離散要素シミュレーションを用いて、連続するリードル剪断構造の間隔とねじれ角を破壊的亀裂層の厚さに関連付ける機械的モデルを構築した。式(8)を導出し、純粋な走滑運動条件下ではリードル間隔が破壊的層厚さのおおよそ3倍であることを示した。この関係により、地球、火星、氷衛星の観測された断層パターンから地殻厚さを推定可能となった。

ABSTRACT

Segment lengths along major strike-slip faults exhibit a size dependency related to the brittle crust thickness. These segments result in the formation of the localized 'P-shear' deformation crossing and connecting the initial Riedels structures (i.e. en-echelon fault structures) which formed during the genesis stage of the fault zone. Mechanical models show that at all scales, the geometrical characteristics of the Riedels exhibit dependency on the thickness of the brittle layer. Combining the results of our mechanical discrete element model with several analogue experiments using sand, clay and gypsum, we have formulated a relationship between the orientation and spacing of Riedels and the thickness of the brittle layer. From this relationship, we derive that for a pure strike-slip mode, the maximum spacing between the Riedels are close to three times the thickness. For a transtensional mode, as the extensive component becomes predominant, the spacing distance at the surface become much smaller than the thickness. Applying this relationship to several well-characterized strike-slip faults on Earth, we show that the predicted brittle thickness is consistent with the seismogenic depth. Supposing the ubiquity of this phenomenon, we extent this relationship to characterize en-echelon structures observed on Mars, in the Memnonia region located West of Tharsis. Assuming that the outer ice shells of Ganymede, Enceladus and Europa, exhibit a brittle behavior, we suggest values of the corresponding apparent brittle thicknesses.

研究の動機と目的

• 連続するリードル構造の幾何学的特徴と破壊的地殻厚さとの間の定量的関係を確立すること。
• 砂、粘土、石膏を用いたアナログ実験と離散要素モデリングを用いて、この関係を検証すること。
• 得られた関係を、地球、火星、氷衛星を含む、構造活動が顕著な天体の破壊的層厚さを推定するために応用すること。
• リードル幾何学から予測された破壊的厚さが、地上の走滑断層における地震発生深度と整合的であるかを評価すること。
• 地磁気的データが限られる外惑星に対しても、このモデルの適用可能性を検討すること。

提案手法

• 結合粒子離散要素モデル（YADE DEM）を用いて、接着性・摩擦性材料における破壊的断層形成をシミュレートした。
• 純粋な走滑から斜交的伸長に至るさまざまな変形モード下で、断層の進行的発達を模擬した。
• リードル剪断構造の進化を追跡し、破壊的層厚さ（h）に対してその間隔（S）とねじれ角（ω）を測定した。
• 非線形最小二乗法を用いて、式(8)：S/h = f(ω) を導出し、間隔比とねじれ角の関係を特定した。
• 既存のアナログ実験（砂、粘土、くるみ、石膏）および現場観察結果と照合して、モデルの妥当性を検証した。
• 式(8)を応用し、地球、火星、氷衛星の観測されたリードル構造から破壊的地殻厚さを推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 連続するリードル剪断構造の間隔とねじれ角は、破壊的地殻の厚さにどのように依存するか？
• RQ2 異なる材料や変形モードにわたって、リードル幾何学と破壊的層厚さとの間で一貫した機械的関係を導出可能か？
• RQ3 リードル幾何学から予測された破壊的厚さは、主要な地上走滑断層の地震発生深度と整合的か？
• RQ4 直接測定が困難な火星や氷衛星において、この関係を信頼性高く破壊的層厚さの推定に応用可能か？
• RQ5 導出された厚さ推定値は、天体の地殻の力学的挙動と進化にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 純粋な走滑条件では、リードル構造間の最大間隔は破壊的層厚さのおおよそ3倍である。
• 斜交的伸長域では、拡張ひずみの増加に伴い、表面でのリードル間隔が破壊的層厚さよりも顕著に小さくなる。
• モデルから導出された式(8)は、地球における破壊的地殻厚さの推定に成功しており、グリーンデール断層の推定値は地震発生深度と整合的である。
• 火星のメンノニア地域への応用では、22°のねじれ角と3–4 kmの間隔を示す連続構造に対して、破壊的層厚さは2.1–2.8 kmと予測された。
• ガニメーディアでは、アンシャール・スルクスで1.8–2.2 km、トランジショナル・トレーヌスで2.1–2.8 kmの厚さが推定され、潮汐応力モデルと整合的であった。
• エウロパでは、予測された氷層厚さは2.2–3.6 kmであり、力学的モデルの値と重複したが、古層構造や厚さ変動の解釈に課題を提示した。