Characterizing the reactivation mechanisms of coseismic surface ruptures associated with the 2011 Mw 6.7 Fukushima-ken Hamadori earthquake in Japan through borehole hydromechanical testing

ボーリング孔の水理力学試験による2011年福島県浜通り地震(Mw6.7)に伴い発生した地表破壊のリアクティベーションメカニズムの特性解析

Guglielmi, Y.*; 青木 和弘 ; Cook, P.*; Soom, F.*; Cappa, F.*; 田中 遊雲

Guglielmi, Y.*; Aoki, Kazuhiro; Cook, P.*; Soom, F.*; Cappa, F.*; Tanaka, Yukumo

2011年Mw6.7の福島県浜通り地震に伴う地表断層の再活性化メカニズムについて、ボーリング孔への注水試験を実施し、検討した。本研究では、断層のリアクティベーションのために、2つの断層区間を選択した。1つは地震時に地表変位が現れた塩ノ平サイト、もう1つは地震時に変位しなかった区間である水上北サイトである。断層の上下を密閉したボーリング孔に注水を行うことで、断層を固定している断層面の有効応力を段階的に減少させ、断層を破壊させる。この断層が破壊している間に、ボーリング孔の変位,流体圧,注入流量を連続的にモニターした。取得したデータを水理-力学連成モデルを用いて解析し、断層の再活性化モードを検討した。その結果、塩ノ平サイトでは、純粋なダイラタントスリップ応答を示したが、水上北サイトでは、断層の高い摩擦強度、粘着力に関連した複雑な応答を示した。また、塩ノ平サイトのすべりの解析から、塩ノ平断層の摩擦がすべり速度に基づくクーロン破壊として合理的にモデル化され、室内試験で求めた摩擦係数と整合的であった。本研究では、同一断層系の2つのセグメント間で、断層の物理的性質や破断メカニズムに大きな違いがあることを明らかにし、大規模地震時の地表破断の影響等の地震ハザードをより適切に評価するための展望を開くことができた。

The reactivation mechanisms of coseismic surface ruptures associated with the 2011 Mw 6.7 Fukushima-ken Hamadori earthquake in Japan are investigated using in-situ controlled hydraulic injections in subsurface boreholes. Two fault segments were selected for reactivation studies, one across a coseismic rupture, the Shionohira site, and one across a non-coseismically ruptured segment, the Minakami-kita site. A series of water injections in sealed sections of boreholes set across the fault progressively bring the fault to rupture by a step-by-step decrease of the effective normal stress clamping the fault. While the fault is rupturing during these hydraulic stimulations, borehole displacements, fluid pressure and injection flowrate are continuously monitored. Then, the tests were analyzed using fully coupled hydromechanical modeling. The model was calibrated on field data, and a parametric study was conducted to examine the modes of fault reactivation. Coseismic surface rupture of the Shionohira fault showed a pure dilatant slip response to hydraulic tests, while the tectonically un-activated Itozawa fault (South) indicated a complex hybrid response to tests related to both a higher frictional and cohesive strengths of the fault. The analysis of the induced Shionohira slip event showed that it is reasonably modeled as a Coulomb rupture with an eventual dependency of friction on slip velocity, in good accordance with laboratory-derived rate-and-state friction data on the Shinohira gouge samples. In contrast, the Itozawa fault reactivation mechanism appears dominated by tensile failure with limited Coulomb shear failure. Thus, the applied protocol proves to be able to isolate significant differences in fault physical properties and rupture mechanisms between two segments of the same fault system, opening perspectives to better assess near-surface rupture effects, and therefore the safety of structures subject to large earthquakes.