Seismic Energy Partitioning Across the Continuum of Laboratory Fault Slip Modes

技術要約：実験室における断層滑りモードの連続体にわたる地震エネルギーの分配

問題提起
スロー地震と高速地震の間の遷移は、地震物理学における未解決の根本的な課題である。数日間にわたるスロー・スリップ・イベントから数秒間の動的破壊に至るまで、滑りモードの連続性が存在することは確立されているが、これらのモード間の遷移を支配する物理的条件は完全には理解されていない。中心的な論争は、スローおよび高速な滑りが異なる物理的メカニズムに由来するのか、それとも単一の根底にあるプロセスの異なる表現なのかという点に存続している。特に、自然界においてスローおよび高速な滑りが同一の断層セグメント上に頻繁に共存していることを踏まえると、統一された構成則の枠組みが両方の現象を説明できるかどうかが不明確である。

研究手法
著者らは、ローマ・サピエンツァ大学のサーボ制御式二軸変形装置を用いて、一連の実験室実験を行った。実験には、断層ガウジ材としてMin-U-Sil 10 クォーツ粉末を用いたダブル直接せん断ジオメトリを使用した。実験設計では、法線応力（$\sigma_n$）および背景となる負荷速度を一定に保ちながら、システムの弾性荷重剛性（$k$）を系統的に変化させることに焦点を当てた。

3つの異なる剛性構成（$k_1 > k_2 > k_3$）を、8から22 MPaの範囲の法線応力に対して用いた。このアプローチにより、研究者は、断層の構成的な摩擦特性によって決定される臨界剛性（$k_c$）に対する安定比（$k/k_c$）を調整することが可能となった。実験は以下の方法でモニタリングされた：

1. 高解像度機械センサ： せん断応力、断層変位、および滑り速度を測定。
2. 連続アコースティック・エミッション（AE）モニタリング： 校正された圧電トランスデューサを用い、3.125 MHzでAE信号を記録し、地震放射を捕捉。

研究では、破断仕事（$W_b$）、地震モーメント（$M_0$）、ピーク滑り速度、共震滑り（$\delta$）、および応力降下を含む主要なパラメータを算出することで、滑り挙動の全スペクトルを分析した。統計的なスケーリング関係については、ロバスト性を確保するために、べき乗則回帰および非パラメトリック・ブートストラップ・リサンプリングを用いて評価された。

主な結果

1. 滑りモードの連続体： 実験により、同一の断層パッチが、同一の法線応力および負荷速度条件下であっても、荷重剛性を変化させるだけで、安定滑り、スロー・スリップ・イベント、および高速動的破壊を示し得ることが実証された。
   • 安定滑りは、$k/k_c > 1.4$ の場合に発生する。
   • スロー・スリップ・イベント（ピーク速度 < cm/s）は、$k/k_c \sim 1$ の付近に集まる。
   • 高速滑りイベント（ピーク速度 > cm/s）は、$k/k_c < 0.8$ の場合に発生する。
2. 明確な地震学的シグネチャ：
   • スロー・スリップは、加速フェーズ全体に分布する低振幅・高周波のアコースティック・エミッションのスウォーム（群）によって特徴付けられ、これは分散した微小地震的な破壊を示している。
   • 高速滑りは、ピーク滑り速度に集中する高振幅かつクラスター化したエネルギーバーストを生成し、これはコヒーレントな破壊を示す。
   • 両方のレジームにおいて、AE活動は加速フェーズに限定されており、減速フェーズは非地震的（アセイスミック）である。
3. スケーリング関係：
   • 破断仕事 vs 地震モーメント： すべての滑りモードにわたって、連続的なべき乗則スケーリング（$W_b \propto M_0^{0.26}$）が観察された。この劣線形指数は、大きなイベントほど、より多くのエネルギーを地震学的に放射することを示唆している。$W_b$ の地震学的に結合した部分を孤立させるように補正すると、その指数は自己相似的な破壊の予測（$\alpha \approx 0.6$）と一致する。
   • モーメント vs 滑り： 地震モーメントは、自己相似的な震源の理論的予測と一致する $M_0 \propto \delta^{3.53}$ としてスケールする。
   • 時間的効率： 時間的な地震効率プロキシ（$\eta_t = T_{AE}/T_{slip}$）は、エネルギー分配の系統的なシフトを明らかにする。スローなイベントでは、検出可能な音響放射は滑り時間の極めてわずかな割合（0.002%）を占めるが、高速なイベントでは、それは実質的な部分（7%）を占める。

主な貢献

• 統一メカニズム： 本研究は、スロー地震と高速地震が、個別の物理的記述を必要とする異なる現象ではなく、連続的な断層滑りのエンドメンバー（端点）であるという実験的証拠を提供している。
• 弾性動力学的制御： 滑りモード間の遷移は、応力条件や特定の構成メカニズムの変化のみによるのではなく、主に断層とその周囲との間の弾性動力学的相互作用（具体的には安定比 $k/k_c$）によって支配されることが示された。
• エネルギー分配： 研究はエネルギー分配の連続的な進化を定量化し、スローなイベントにおける主に非地震的な変形から、高速なイベントにおける効率的な放射破壊へのシフトを実証している。

意義
本論文は、その知見が断層滑りのダイナミクスを理解するための統一的な物理的枠組みを提供するものであると主張している。同一の断層が一定の応力下で多様な挙動を宿し得ることを示すことで、著者らは、自然界の断層における破壊挙動の明白な変動は、断層力学の根本的な変化からではなく、エネルギーの蓄積と放出の仕方の違い（システム剛性、流体圧、または損傷帯によって変調される）に起因することを示唆している。これは、スローおよび高速な滑りが、再帰間隔、摩擦的な再強化、および地震的エネルギーと非地震的エネルギーの分配を決定づける弾性動力学的結合によって制御される連続体であるという仮説を支持するものである。これらの結果は、スロー・スリップ・イベントが、通常の地震と同じスケーリングメカニズムを共有しながら、非地震的なフロントによって駆動される小さなアスペリティ破壊のカスケードから生じる可能性があることを示唆している。