[論文レビュー] Permeability, compressibility, and friction coefficient measurements under confining pressure and strain, Leg 190, Nankai Trough

S. Bourlange, Laurence Jouniaux+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2006

Rock Mechanics and Modeling参考文献 17被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、三軸試験を用いて、被覆圧力およびひずみ下での南海トラフ堆積物の透水係数、圧縮性、および摩擦係数を測定した。結果として、有効圧力が1.5 MPa未満では透水係数が低下し、1.5 MPaを超えると1–4×10⁻¹⁹ m²に安定化し、破壊時には低有効圧力下でのみ透水係数が増加する傾向が示され、滑らかな亀裂面上の摩擦係数は約0.4であった。

ABSTRACT

Permeability measured on three samples in a triaxial cell under effective confining pressure from 0.2 to 2.5 MPa ranges from 10E-18 to 10E-19m2. Overall, results indicate that permeability decreases with effective confining pressure up to 1.5 MPa; however, measurements at low effec-tive pressure are too dispersed to yield a precise general relationship between permeability and pressure. When the effective pressure is increased from 1.5 to 2.5 MPa, permeability is roughly constant (~1-4 x 10E-19 m2). Samples deformed in the triaxial cell developed slickenlined fractures, and permeability measurements were performed before and after failure. A permeability increase is observed when the sample fails under low effective confining pressure (0.2 MPa), but not under effective pressure corresponding to the overburden stress. Under isotropic stress conditions, permeability decrease related to fracture closure occurs at a relatively high effective pressure of ~1.5 MPa. Coefficients of friction on the fractures formed in the triaxial cell are ~0.4.

研究の動機と目的

• 変動する有効被覆圧力およびひずみ条件に対する南海トラフ堆積物の透水係数応答を定量化すること。
• 三軸変形および破壊過程における圧縮性および摩擦係数の変化を評価すること。
• 異なる応力状態下における亀裂発達が流体輸送特性に与える影響を評価すること。
• 有効圧力と亀裂帯堆積物における透水係数の進化との関係を特定すること。
• 制御された応力条件下で実験的に形成された滑らかな亀裂面上の摩擦係数を測定すること。

提案手法

• 海洋掘削計画（ODP）第190航行の3つの堆積物試料を用いて三軸圧縮試験を実施した。
• 地上の忧性状態を模倣するため、有効被覆圧力を0.2〜2.5 MPaの範囲で適用した。
• 破壊前後における透水係数測定を実施し、流体流れ特性の動的変化を評価した。
• 局所的亀裂の誘発および滑らかな表面での摩擦挙動の記録を目的として、ひずみ制御変形を実施した。
• 体積ひずみ応答を測定することで圧縮性を評価した。
• 破壊時におけるせん断応力および垂直応力データから摩擦係数を算出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 南海トラフ堆積物の透水係数は、有効被覆圧力の増加に伴いどのように変化するか？
• RQ2 低圧力と高圧力条件下での破壊時の透水係数にどのような影響があるか？
• RQ3 亀裂の閉じ込めが透水係数を顕著に低下させる有効圧力はどの程度か？
• RQ4 これらの堆積物において、実験的に誘発された滑らかな亀裂面上の摩擦係数はどの程度か？
• RQ5 圧縮性は有効圧力および変形状態とどのように相関するか？

主な発見

• 有効被覆圧力0.2–2.5 MPaの範囲で透水係数は10⁻¹⁸〜10⁻¹⁹ m²の範囲にあった。
• 有効圧力が1.5 MPa未満では透水係数が増加に伴い低下し、1.5 MPaを超えると1–4×10⁻¹⁹ m²に安定化した。
• 破壊時には低有効圧力（0.2 MPa）下でのみ顕著な透水係数の増加が観察され、低上覆圧力下でのひずみ弱体化挙動が示された。
• 等方的応力下での亀裂閉じ込めは、約1.5 MPaという比較的高い有効圧力でも透水係数を低下させた。
• 三軸変形中に形成された滑らかな亀裂面上の摩擦係数は、一貫して約0.4であった。
• 低有効圧力下での透水係数測定値は分散が大きく、この条件下での透水係数と圧力の一般的な関係を明確に特定することはできなかった。