[論文レビュー] Mechanochemistry: an hypothesis for shallow earthquakes

Didier Sornette|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 1998

earthquake and tectonic studies参考文献 133被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、浅い地震を説明するための機械的・化学的メカニズムを提案する。故障ゴージュ内の局所的ひずみが、安定な鉱物の水を介した相転移を、よりエネルギーの高い準安定多形に誘発する。ひずみが増加するにつれ、ランダウ理論は爆発的転移を予測し、これを超音速の衝撃波と高振幅の音響波を生成する。これにより故障コアが液体化し、構造的応力のもとでずれが可能となり、弾性エネルギーが解放され、地震が発生する。

ABSTRACT

We advance the novel hypothesis that water in the presence of finite localized strain within fault gouges may lead to the phase transformation of stable minerals into metastable polymorphs of higher free energy density. Under increasing strain, the transformed minerals eventually become unstable, as shown from an application of Landau theory of structural phase transitions. We propose that this instability leads to an explosive transformation, creating a slightly supersonic shock wave propagating along the altered fault core leaving a wake of shaking fragments. As long as the resulting high-frequency acoustic waves remain of sufficient amplitude to lead to a fluidization of the fault core, the fault is unlocked and free to slip under the effect of the tectonic stress, thus releasing the elastic part of the stored energy. We briefly discuss observations that could be understood within this theory.

研究の動機と目的

• 浅い地震の背後にある物理的メカニズムを説明すること。これは、その高い頻度と破壊的潜在能力にもかかわらず、依然として十分に理解されていない。
• 構造的応力のもとで、十分な応力蓄積がないにもかかわらず、なぜ故障が突然ずれるのかというパラドックスを解明すること。
• ひずみ下での鉱物相転移と地震エネルギー解放を結びつける新しい仮説を提示すること。
• 材料科学、熱力学、地震力学の概念を統合し、統一的なメカニズムを構築すること。
• 高周波数音響波と故障コアの液体化という地震データで観測された現象を説明する理論的枠組みを提供すること。

提案手法

• 故障ゴージュ内の局所的ひずみによって生成される準安定多形の不安定性を、ランダウの構造的相転移理論を用いてモデル化する。
• 水の存在と有限なひずみの下で、安定鉱物がより高い自由エネルギー密度の多形に転移する過程をモデル化する。
• 相転移の爆発的性質をシミュレートし、故障コアに沿って超音速の衝撃波が伝播することを示す。
• 発生する高振幅音響波と、それらが故障帯を液体化させ、摩擦を低下させ、構造的応力のもとで急速なずれを可能にする能力を分析する。
• 熱力学的および力学的原則を用いて、液体化が発生する条件と、故障の解放が持続される条件を評価する。
• 理論的モデルを、高周波数放射や余震列などの観測可能な地震現象と結びつける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低応力蓄積のもとでも、浅い地震でなぜ故障が突然ずれる物理的メカニズムは何か？
• RQ2 ひずみ下での鉱物の相転移が、どのように爆発的エネルギー解放と衝撃波の伝播を引き起こすのか？
• RQ3 発生する音響波場が、故障コアを液体化させるのに十分な振幅に達するのはどのような条件下か？
• RQ4 水が局所的ひずみ下での準安定多形の形成を促進する役割を果たすメカニズムは何か？
• RQ5 提案されたメカニズムは、浅い地震波形で観測される高周波数成分をどのように説明できるか？

主な発見

• 水が存在する中で、故障ゴージュ内の局所的ひずみが、安定鉱物を自由エネルギー密度の高い準安定多形に変換する。
• ひずみが増加するにつれ、ランダウ理論の予測通り、相転移が不安定化し、爆発的転移に至る。
• 爆発的転移は、故障に沿って伝播する超音速の衝撃波を生成し、破砕され高エネルギー状態の物質の尾を形成する。
• 発生する高振幅音響波は、故障コアを液体化させ、摩擦を低下させ、構造的応力のもとで急速なずれを可能にする。
• 液体化は故障の解放を維持し、蓄えられた弾性エネルギーが突然ずれによって解放されるのを可能にし、浅い地震の力学と整合的である。
• このモデルは、高周波数地震放射と浅い地震波形の観測特性を説明する物理的根拠を提供する。