室内実験と観測により正断層発達のモデルを議論する。

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