Contact Deformation and Induced Ground
Potential of Granular Geo-Materials as Porous
Elastoplastic Media
著者
金子 尚人
学位授与機関
Tohoku University
博 士 論 文
Contact Deformation and Induced Ground Potential of
Granular Geo-Materials as Porous Elastoplastic Media
（多孔質弾塑性体としての地質粒状体の
接触変形と誘起地電位）
Naoto KANEKO
C
ONTENTS
Page
LIST OF SYMBOLS ... 3
-1. GENERAL INTRODUCTION ... 10
-1.1. Background of researches ... 10
-1.2. Short review of mechanics of granular geo-materials... 12
-1.2.1. Plastic potential based on thermodynamics ... 12
-1.2.2. Rowe’s stress and dilatancy relation ... 22
-1.2.3. Coupling phenomenon and streaming potential ... 25
-1.2.4. Dissipation and complex admittance ... 28
-1.3. Purpose ... 31
-2. PLASTICITY INDEX EFFECTS ON MECHANICAL BIFURCATION: SOILS AND SOFTSEDIMENT DEFORMATION ... 32
-2.1. Theoretical and experimental preface ... 32
-2.2. Concept of plastic potential ... 33
-2.3. Experimental definition of plasticity index ... 35
-2.4. Mechanical bifurcation in Cam-clay model: IP and mechanical parameters ... 36
-2.5. Bifurcation analysis based on Cam-clay model ... 39
-2.6. Samples and methods ... 40
-2.7. Results ... 41
-2.8. Discussions ... 43
-2.8.1. Determined by the concept of IP ... 43
-2.8.2. Deformation implication materials of soils and rocks... 44
3. THEORY OF CONSOLIDATION AND PRECURSORY TIME OF EARTHQUAKES ... 46
-3.1. Critical state soil mechanics ... 46
-3.2. Terzaghi’s consolidation theory ... 48
-3.3. Discussion on precursory time of earthquakes ... 50
4. CONCEPT OF ENTROPY IN EVOLUTION OF VOLCANIC LANDFORM ... 51
- 2 -
4.1. Theoretical background ... 51
-4.2. Methods ... 54
-4.3. Results and Discussion ... 54
-5. TORSIONIC TUBULAR FLOW MODEL THROUGH A POROUS MEDIUM CONSIDERING THE CHANGE IN GROUNDWATER RADON CONCENTRATION DUE TO EARTHQUAKES ... 64
-5.1. Groundwater radon concentration with earthquakes... 64
-5.2. Tsunomori’s (2009) model as a planar fissure-flow model ... 65
-5.3. Torsionic tubular flow model in a granular medium and the 222Rn concentration in groundwater 66 -5.4. Discussion ... 67
6. CHANGE IN STREAMING POTENSIAL WITH EARTHQUAKES ... 71
-6.1. Method ... 71
-6.2 Results and Discussion ... 75
-7. RECTIFYING CHARACTERISTICS OF SEMICONDUCTOR MINERALS: A MODEL ON SEISMOELECTROMAGNETIC RADIATION MECHANISM FROM ORE BODIES ... 79
-7.1. Electromagnetic emission ... 79
-7.2. Sample and Methods... 80
-7.3. Results ... 83
-7.3.1. I-V characteristics of semiconductor mineral ... 83
-7.3.2. Equivalent circuit ... 86
-7.4. Discussion ... 89
-7.4.1. Discharge by contact electrification ... 89
-7.4.2. Electromagnetic radiation from fractured ore ... 90
-7.4.3. Seismic electromagnetic radiation from ore deposit based on equivalent circuit ... 91
8. GENERAL CONCLUSIONS ... 93 ACKNOWLEDGEMENTS ... 95 REFERENCES ... 96 APPENDIXES ... 108 -Appendix I ... 108 -Appendix II ... 110
-論文内容の要約（インターネット公表用） 粒状体たる地盤材料（地質粒状体）は、荷重を受けると様々な力学的挙動を示す。しかし ながら、その多孔質弾塑性体の理論的性質は複雑であり、土質力学、地質工学、土木工学、 地震学、鉱物学、地形学、地質学などの分野では確立されていない。 本論文は、弾塑性力学、熱力学、電磁気学における構成式を用い、これらの議論を通じて 理論的基礎の拡張と構築を行った。それら結果から、本論文の要約を以下に簡潔に述べる。 第 2 章では、カムクレイモデルを用いて、塑性指数が土や未固結堆積物の変形パターンを 理論的に決定することを示し、分岐式に密接に影響することを明らかにした。さらに、塑性 指数が力学的分岐を支配し、多様な褶曲パターンの形成に作用することに言及した。 第 3 章では、テルツァギの圧密方程式に基づく地震の先行時間について議論し、圧密方程 式が、地震の先行現象に関する拡散方程式に相当することを言及した。先行時間は、別の章 で取り上げた地殻変動、電気抵抗率、ラドン放出、地震波速度と関連している。 第 4 章では，火山の標高と傾斜角に関する統一的なパラメータによって、火山が典型的な 形態に分類されることを明らかにした。さらに、火山の縦断的な形状は、非平衡熱力学の変 動不等式と最大エントロピーの原理から導かれる応力－ダイラタンシー式で説明できるこ とを結論づけた。 第 5 章では、多孔質媒体の観点から透水性の違いに着目し、ラドン濃度の変化を考慮した 屈曲管状流モデルを提案した。ラドンを含む流体の上方への移動経路は、亀裂幅だけでなく、 間隙率や間隙比にも依存する。また、コゼニー・カルマン方程式に基づき、地震に伴う地下 水中ラドン濃度の変動を比表面積と圧力の関係で説明できるモデルを提案した。 第 6 章では、地震による流体運動に伴う流動電位変化のメカニズムを地質学的観察とと もに示した。また、加速度と剪断応力の関係式が地すべりのような多孔質媒体の力学的挙動 に直接影響を与える可能性があることを示した。 第 7 章では、接触圧力の変化に伴う半導体鉱物の等価回路の容量と並列抵抗の変化によ って、半導体鉱物の電流電圧特性が変化することを明らかにした。鉱床の誘電特性について、 抵抗は複素平面インピーダンス図上で円弧の直径を示す。したがって、強制分極法(IP 法)に よる複素比抵抗の連続的なモニタリングをすることで、地震に伴う鉱床の電磁現象を検出 することが可能となることを示唆した。 以上のことから、本研究では多孔質弾塑性媒体としての地質粒状体の接触変形と誘起地 電位に注目することの重要性を示している。地質粒状体は、不連続な粒子の連続体であり、 この系は間隙・流体（水や気体など）・弾塑性のように複合する特性を持つ。このような観 点から、熱力学的・統計的な議論を行うとき、個々の粒子としてではなく、粒状体の系を集 合体として考えることが重要である。本研究により得られた地質粒状体に対する知見は、粒 状体力学の基本原理の一端を担うと同時に、地球物理の新たな理論的特性を拡張・構築する ための指針になるものと期待される。
