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[S2-10]Feature Extraction of Evolving Hierarchical Fracture Patterns during Serpentinization
*Atsushi OKAMOTO1, Kenjiro Okazaki1, Kazuki Yoshida2 (1. Tohoku University, 2. High Energy Accelerator Research Organization)
Keywords:
Serpentinization,mesh texture,Reaction-induced fracturing,Distinct Element Method,Persistent Homology
海洋底の蛇紋岩化作用は地球規模の水循環や地下生命圏へのエネルギー供給など大きな意味を持つ。一般的に、蛇紋岩化反応は体積膨張反応が起こるために目詰まりにより反応を阻害してしまう。一方、天然の蛇紋岩を観察すると露頭スケールから薄片スケールまでポリゴンを作る組織(“メッシュ組織”)が発達する。この特徴的な亀裂形成を理解するために、これまで離散要素法のシミュレーションが行われてきた。しかし、亀裂の特徴をどのように定量的に評価する手法が確立していないために、天然の組織と比較や、亀裂パターンから反応メカニズムを議論することが困難であった。本研究では、トポロジカルデータ解析の１つであるパーシステントホモロジーを使って、２次元離散要素法で作成した反応誘起破壊の特徴を抽出して、その時間発展を見ながら、反応―破壊―流体流動のフィードバックについて考察する。蛇紋岩化作用の数値モデルはOkamoto and Shimizu (2015), Shimizu and Okamoto (2016) にしたがって、２次元離散要素法(DEM)を用いて行なった。このモデルではA+H2O→Bという反応で、水を吸収して体積が膨張する。モデルには円形要素をバネで結んで岩石を表現して、流体圧に依存した反応速度、流体流動を組み込んでおり、岩石モデルの１方向から流体を流している。解析はそれぞれのスナップショットにおいて亀裂を抽出し、２値化したのち、フィルトレーション操作の中で環状構造の生成(birth)と消滅(death)のタイミングをプロットする１次のパーシシステントホモロジー(Obayashi et al., 2018)を用いて解析するとともに、逆解析によって実際の亀裂パターンと対応づけた。結果 DEMのシミュレーションにより、反応フロントで要素が膨張すると内部に引張場が発生し、もとの亀裂と垂直に亀裂が発生するように連鎖的な亀裂が形成した。これを１次パーシステント図（横軸にbirth, 縦軸にdeath）にプロットすると、birthとdeath の値が等しい対角線沿いに１辺を持つV字の型のプロットが得られた。Death の値にバリエーションがあることは様々な径の環状構造（メッシュ）が形成されていることを表している。さらに、逆解析によってPD1の中の軌跡と対応する逆解析組織を追跡すると、初めに大きな放射状に開いた亀裂が形成した（対角線に近い大きな値のbirth, deathプロット）のちに、環状を形成し（対角から離れたプロット）、それがさらに小さな環状組織に分割されていく、親子関係が示される。これが、階層的な亀裂の形成を意味している。このような形成過程は、常に同じサイズの環状構造の亀裂（原点近くのbirth, deathプロット）が形成される脱水収縮反応とは対照的である。体積膨張反応におけるこのような階層的な亀裂形成は、岩体境界のみの反応ではなく、岩体内部に効果的に水を送り込むことができ、その後に細かなメッシュ形成により全体的な蛇紋岩化を効率的に引き起こすために重要なプロセスであると考えられる。引用文献Okamoto, A., Shimizu, H., 2015. Earth. Planet. Sci. Let., 415, 9-18.Shimizu, H., Okamoto, A., 2016. Contrib. Mineral., Petrol., 171, 73.Obayashi, I. et al. 2018. J. Appl. Comp. Topol., 1, 421-449.