How do normal faults grow?

室内実験と観測により正断層発達のモデルを議論する。

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1. How do normal faults grow? Rotevatn et al. 2019 Ryo Namiki Department of Earth and Planetary Science, School of Science, The University of Tokyo
2. • Abstract • Introduction • The propagating fault model • The constant-length fault model • Fault behaviour in D-L space through time • Conclusions and future research challenges Contents
3. • 断層発達のスタイルとD-Lグラフの軌跡を、観測と室内実験から解明 • 成長モデルの適用範囲を検証 断層の発達は２つのステージに分けられる。 1. 断層拡大ステージ(断層成長の全時間の20-30％) 2. 変位増加ステージ(断層成長の全時間の70-80％) 断層拡大ステージはpropagating fault modelに従う。変位も生み出す（全変位の10-60％） - rapid tip propagation, relay breaching, and segment linkage→断層長(L)の増加 変位増加ステージはconstant-length modelに従う。 - limited lateral tip propagation →変位(D)の増加 globalなD-Lデータはpropagating fault modelだけでなくconstant-length fault modelにも互換性がある。 正断層の成長モデルは大きく二種類存在 - propagating fault model (isolated fault mode) 変位(D)と断層長(L)が同時に増加する - constant-length fault model 急速な断層長(L)の増加後に変位が増加する Abstract 結論 背景 目的 propagating fault model constant-length fault model
4. Introduction • 教科書ではconstant-length fault model よりpropagating fault modelに注目。 • 正断層発達（tip propagationのスタイルと速さ）の理解 →堆積盆地の構造層序発達 →リスクの高い地震の発生間隔や規模、位置の理解 • 断層拡大の初期ステージでの特徴（持続期間、構造発達）が鍵となる • しかし、現在は理解が乏しい - 地層形成の前後関係(syn-kinematic grouwth)が不明瞭 - 断層拡大ステージにはわずかな地層しか堆積しないので、手法（反射法…?）をよ り高解像度として使う必要がある。 →断層発達の理解に大きな貢献
5. The propagating fault model 断層セグメントの拡大と結合により、断層が発達
6. • 根拠 - 経験則： D=cLn (c: 定数, n: 1 - 1.5) ← Global D-L Dataset - 破壊力学の理論：せん断応力、変位、断層長 は線形に増加する - breached relays の存在 - multiple displacement minima along strike of normal faults →次項で説明 The propagating fault model 断層セグメントの拡大と結合により、断層が発達
7. Gawthorpe and Leeder 2000 multiple displacement minima along strike of normal faults Relay breach propagating fault model(断層セグメントの拡大と結合により、断層が発達)の根拠となる特徴
8. The propagating fault model • 問題点 - propagating modelに従い、地質学的な時間サイクル（104-106 yr)を越え て断層が成長している証拠がない。？？？ - propagating modelのD-L比 ＜＜ 地震のD-Lスケール - Global D-L Dataset のプロット方法 灰色の点： Global D-L Dataset → 一見 Propagating model に従っているように見える →経験則 D=cLn (c: 定数, n: 1 - 1.5) しかし、D-Lの軌跡もプロットしてみると → 全てが propagating modelに従っている訳ではない
9. The constant-length fault model
10. propagating modelのD-L比 ＜＜ 地震のD-Lスケール の問題を解決したい • 根拠 - 断層成長中の大部分の時間で D>L - 反射法地震探査、数値計算、室内実験 • 原理 隣接する断層との構造的な相互作用、断層端での応力減少 • 特徴 - D-L scaling relationshipsのダイナミックな見方を提供してくれる - 「断層と地震のD-Lスケールの不一致」を説明する • 問題点 - D-Lグラフの時系列変化が未解明 - near-vertical D-L growth pathを前提→但し、初期の断層拡大の詳細が未解明 The constant-length fault model ？
11. Key questions and Our purposes • Key questions • Our purposes 1. 断層拡大はどのように時間的に区切られるのか 2. 変位の蓄積はどのように時間的に区切られるのか 3. tip propagation と fault linkageの役割は何か 断層のD-Lの時系列変化に関係したQuestions -> 断層の全時間のD-Lデータを抽出するのが重要 ※global D-L database - 統計的な見方しか示さない - その各データは断層のD-Lの最終値しか示さない 1. Constant length modelとして振る舞う初期の断層拡大ス テージの解明 2. Proagating model と Constant length modelの再評価 → 自然界と実験での断層拡大を説明 3. 将来の研究のテーマとなる課題を提示
12. Fault behavior in D-L space through time • 断層調査 - 反射法地震探査(Natural faults Meyer et al. 2002) - 反射法地震探査 (Tvedt et al. 2013, 2016 and Tvedt 2016) 断層のD-Lの最終値しかわからない • 室内実験 - 石膏実験(Blækkan, 2016) - 砂箱実験(Schlagenhauf et al. 2008) 断層のD-Lの時系列変化がわかる →石膏実験(Blækkan, 2016)に注目
13. Fault behaviour in D-L space through time • 単純なpropagating modelに従うデータは少ない • 急激な変曲点を挟んだ二つのステージが存在 - 第一ステージ ・変位全体の最大40-60％を蓄積 ・分散が大きい • どのような断層発達が(瞬間的な拡大か tip propagation and linkageによる拡大か) D-L グラフの断層拡大ステージを説明するか？ • 現在の単純なpropagating modelモデルは断層拡大 ステージを説明できているのか？
14. 石膏による室内実験(Blækkan, 2016) の紹介
15. 5秒解像度の実験画像(Blækkan, 2016) T2 5 s：断層F1の成長が終了 T3 10 s： T4 15 s： ：relay breachingによる変位の蓄積 →F1の成長はconstant length model に従う T1 0 s：実験開始 T1 T2 T3 T4
16. 0.5秒解像度の実験画像(Blækkan, 2016) T1a-c: - 断層核の生成 - 断層の伝搬(propagation) - 断層の連結(linkage) →S1が東に向かって発達 T1c: S2が誕生。S1の構造とは独立。 T1c-d: S2は両側に発達。T1dでS1とS2はつながってはい ないが、underlapping and approaching one another で ある。 T1d-T2: T1c-dでSoft-linkしていたS1と S2がhard-link T1a T1b T1c T1d
17. 0.5秒解像度の実験画像(Blækkan, 2016) T1a-dの結果は 自然界の断層系でもtip-propagation and segment linkageとして観察される →constant-length fault modelに従いそうな断層も初期の 短時間ではtip propagation and segment linkage ＝初期の断層拡大ステージの構造学的知見 前駆セグメント（precursor segments)のlinkageによる断 層拡大がD-Lの変曲点の原因？ T1d: D/L=1.1 T2: D/L=1.35 ※D/L比の取り扱いには注意 1.一つの構造体でも時間によって変化する？？？ 2.考えている長さスケールによって変化する （断層のlinkageの前後など）
18. Conclusions and future research challenges ・正断層成長は2つのステージのハイブリッドで説明できる 1. 断層拡大ステージ(断層成長の全時間の20-30％) 2. 変位増加ステージ(断層成長の全時間の70-80％) ・D-L曲線の変曲点が2つのステージの境界 ・断層拡大ステージはsub-verticalからsub-horizontalまでの いくつかの経路が存在 断層拡大ステージはpropagating modelで十分に説明 特徴：tip propagation, segment linkage → Lの成長 Dの成長の分散が大きい 変位増加ステージはsub-verticalでconstant-length modelで 十分に説明 特徴： Lの成長が抑制的、Dが成長 このような複数ステージのモデルによる研究は既にあるが、 実際の断層からは断層拡大ステージがあまり解明されていな かった。(Cowie,1998）→次項で説明
19. Cowie(1998) の モデル 本論の断層拡大ステージに相当 本論の変位増加ステージに相当 healing–reloading feedbackが支配的な断層の成長ダイアグラム
20. Conclusions and future research challenges 2つのステージの継続期間は良くわかっていない。 • 観測：20-33％ （Walsh et al. (2002) and Jackson et al. (2017) • 実験： 30％ Schlagenhauf et al. (2008) だから、とりあえずStage 1 は全体の20–30%と結論付ける。 1. 断層長拡大ステージ(全時間の20-30％) 2. 変位増加ステージ(全時間の70-80％) とはいえ、2つのステージの継続期間はよくわからない。 • 断層長拡大ステージの軌跡の分散（sub-verticalからsub- horizontalまで） →継続時間の分散？ ToDo • Displacement backstripping studiesの理解が必要 • Global D-L dataset の新たな分析が必要 • 初期の断層長拡大ステージの詳細なデータが必要 高解像度の調査（反射法、Boomer、Chirp profiling…） →断層や層序、ボーリングデータのマッピング →断層の時系列変化の拘束