Elucidation of the flow mechanism of the strata focusing on the network structure characteristics of granular materials

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当該年度は、地震に伴う地下水ラドン濃度の変化を考慮した多孔質媒体中の屈曲管状流モデルを中心に研究した。多孔質媒体中の屈曲管状流モデルの考察は、まず地質粒状体の多孔質構造モデルを定量化し、それに基づいた多孔質亀裂媒体中を流れる流体がラドン濃度異常やテクトニクスによってどのように影響されるか理解を進めた。この過程において、地殻変動に伴う地質粒状体の比表面積の変化を考慮して、平板亀裂-透水性モデルに代えて、濃度が間隙率に依存するコゼニー・カルマン方程式に基づく新しいモデルを提案した。これまであまり地質学分野で研究されることのなかった粉体力学における空塔速度式を用いて、まず(1)地質学的粒状媒体からなる間隙ネットワークが単純に管で形成されていることを簡潔に説明し、次に(2)間隙ネットワーク内のラドン濃度が有効間隙の比表面積の増加に伴って増加することについて、どのような特徴を抱いているかを詳しく検討した。提案したモデルは、岩石中の割れ目系を多孔質媒体と考えた際にラドンガスの停滞が帯水層中の圧力差を引き起こす可能性があることを示唆している。さらに間隙率変化の観点から、塑性体積歪の値が小さいにも関わらず、地震発生過程に伴う地下水中ラドン高濃度現象を説明できる可能性に注目し、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ことを結論づけた。つまり、地震に伴う地下水中のラドン濃度の変動は、コゼニー・カルマン方程式に基づき、比表面積と圧力の関係で説明できることを明らかにした。小さな地殻変動でも、浅い帯水層ではガスの滞留など液状化・圧密化の影響を受けるため、間隙率の増加が地下移流の流体中のラドン濃度を上昇させる可能性がある。なお、この研究に基づいた論文を現在投稿中である。