새로운 암석마찰 메커니즘 발견

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-12-14

- 지진 단층운동 해명에 기여 - 국립연구개발법인 방재과학기술연구소는 지진의 발생 메커니즘을 해명하는 것을 목적으로 종래 실험에서 자연환경에 가까운 대규모 암석 마찰 미끄러짐 실험을 대형 내진 실험시설에서 수행하였다. 이 실험에 의해 세계에서 처음으로 접촉면의 크기에 의해 암석 마찰 성질이 다르다는 것을 규명하고, 관찰, 측정 데이터의 해석에 의해 그 차이가 자연 단층 미끄러짐에서도 발생하는 마모의 편차에 의해 발생한다는 것을 확인하였다. 본 연구에서 얻어진 실험데이터를 보면, 일반적으로 암석의 마찰계수는 미끄러지는 속도에 좌우되지만, 보다 정확하게는 미끄러짐 속도와 접촉면에 작용하는 전단응력의 곱으로 표시되는 일률에 좌우된다. 실험에 사용한 암석의 종류는 동일하지만, 일률에 대한 마찰계수의 경향은 차이가 보인다. 양쪽 모두 큰 일률에서 마찰계수가 뚜렷하게 감소하고 있는 점은 일치하고 있지만, 가장 중요한 차이로서 센티미터 규모의 마찰계수가 약 0.1MJ/m2을 경계로 급격하게 감소하는데 비해 미터 규모의 마찰계수는 그것보다 상당히 작은 0.01MJ/m2를 경계로 급감하고 있다. 이 차이를 만드는 원인으로서 연구팀이 실험 후에 접촉면 위에서 발견한 흠(조선, 条線)과 마모물에 주목하였다. 이러한 흠과 마모물의 분포는 편차가 있기 때문에 당연히 접촉면 위에 역학적인 불균질을 발생시킨다. 실험 전에는 접촉면의 평면을 상당히 높은 정밀도로 형성하고, 접촉면에 감압지를 넣어 압력분포가 균질하다는 것을 확인하였기 때문에 이러한 역학적 불균질은 미끄럼 중에 자연발생하여 성장한 것이라고 생각된다. 역학적인 불균질이 발생하면 국소적으로 상당히 높은 일률이 발생하기 때문에 그 곳에서의 마찰계수가 현저하게 저하되고, 그것에 의해 접촉면 전체의 마찰계수도 크게 감소한다는 것이 예측된다. 이번에 수행한 미터 규모의 실험데이터를 발생한 흠 및 마모물의 분포에 관한 관찰 데이터 등과 센티미터 규모에서의 마찰 성질을 기본으로 컴퓨터 상에서 재현한 결과, 미터 규모의 실험 데이터와 잘 일치하고 있기 때문에 접촉면의 크기에 의한 마찰성질 차이가 미끄러짐의 과정에서 자연발생하는 역할적인 불균질에 의한 것으로 증명되었다. 자연계의 단층이 노출된 곳에서는 흠 및 마모물이 인정되었기 때문에 이러한 불균질은 자연계에서 단층 미끄러짐에서도 간단하게 발생할 것으로 예상된다. 지금까지는 센티미터 규모의 암석을 사용하여 추정된 마찰성질을 기본으로 컴퓨터 상에서 단층 미끄러짐을 재현하고, 발생하는 지진을 예측하는 것이 많이 수행되었지만, 보다 정확하게 재현하여 예측하기 위해서는 접촉면 크기의 차이를 고려할 필요가 있다는 것이 본 연구에 의해 밝혀졌다. 특히 센티미터 규모의 암석을 사용하여 추정된 마찰성질로부터 지진이 발생하는 조건이 되어 있지 않더라도 본 연구에서 밝혀낸 메커니즘이 작용한 경우, 예상 이상으로 크게 미끄러져 결과적으로 큰 지진이 발생할 가능성이 상정된다. 단 본 연구에서 얻어진 미터규모의 마찰성질 그 자체를 킬로미터 규모의 단층 미끄러짐에 적용할 수 있을지, 발생하는 역학적인 불균질과 접촉면의 크기와의 관계성 등에 관해서는 앞으로도 연구를 수행해 나갈 것이다. (그림 1) 시험기의 모식도 (그림 2) 본 연구에서 얻어진 실험 및 재현 데이터 (그림 3) (a) 실험 직후에 촬영된 하측시료의 사진, (b) 접촉면에 접근하여 촬영한 사진 1.PNG 2.PNG 3.PNG http://www.bosai.go.jp/press/2015/pdf/20151210_01_press.pdf