報告書番号

NR25003

タイトル（和文）

X線CT画像のデジタル画像相関法を用いた三次元変形・ひずみ解析の断層模型実験への適用性の検討

タイトル（英文）

On applicability of X-ray CT-Based Digital Image Correlation for Three-Dimensional Deformation and Strain Analysis in Scaled Sandbox Fault Experiments

概要 （図表や脚注は「報告書全文」に掲載しております）

背 景
地表に観察される多様な変位地形や地下に伏在する複雑な断層幾何形状の発達過程を明らかにするため，砂箱を用いた断層模型実験が精力的に行われてきた．さらに近年では，砂箱表面の写真に対してデジタル画像相関法を適用し，断層の成長に伴って地盤表面で起こる変形や歪の定量的な評価が可能になった．しかし，多くの研究では二次元解析にとどまっており，X線CTで取得される三次元画像データへの適用はほとんど見られない．
目 的
横ずれ断層の砂箱模型実験で得られたCT画像データに対するデジタル画像相関法（Digital VolumeCorrelation: DVC）を用いた三次元の変形・ひずみ解析の適用性を示す．
主な成果
1.砂鉄添加によるDVC解析の安定化と断層構造への影響
模型実験に用いる砂材料に砂鉄を2wt%の割合で混合することで，十分なテクスチャコントラストを持つ地盤内部のCT画像を取得することができ，安定したDVC解析が可能となった．また実験で再現される断層構造に対する砂鉄の添加による影響が少ないことが分かった．
2. DVC解析の精度と変形検出の閾値
断層変位0 mm，30 mm及び50 mm時のCT画像ペアを用いたゼロストレイン解析を実施した結果，砂鉄混合部では0.14 mmの変位や，4.5 % のひずみを超える見かけ誤差が算出され，それらの値を超える変位やひずみが検出された場合に，実際に地盤内で変形が生じたと判断される．
3. 砂箱地盤内部の変形・ひずみの可視化
最大50 mm変位させた横ずれ断層模型の砂地盤内部に生じた三次元の変位・ひずみ場をDVC解析により算出し，断層構造のリーデル剪断群やY‑shear断層などの断層構造の形成初期の兆候や変形の集中・局所化，変形が他の断層構造へ遷移していく過程を可視化できた．
今後の展開
DVC解析の検出精度向上のために，画像解析によるCT画像のノイズ低減に取り組むとともに，横ずれ以外の多様な変位様式の砂箱模型実験についても検討を進める．

概要 （英文）

To unravel the development of fault-related deformation and associated landforms, scaled sandbox fault experiments have been extensively conducted, and more recently, the use of image correlation techniques has facilitated the quantitative evaluation of deformation and strain associated with fault growth. However, most studies remain limited to two-dimensional analysis using surface photographs of sandbox models. Here we couple X-ray computed tomography (CT) with Digital Volume Correlation (DVC) to quantify the three-dimensional displacement and strain fields that develop within the interior of the sandbox model subject to a maximum strike-slip displacement of 50 mm. Mixing 2 wt. % iron sand into the quartz sandbox material yielded sufficient internal texture contrast in CT images, thereby allowing for robust DVC analysis. It was also found that the addition of the iron sand had a negligible effect on the fault structures reproduced in the experiments. Zero-strain tests on CT image pairs taken at 0, 30 and 50 mm displacement revealed apparent errors up to 0.14 mm displacement and 4.5 % strain, corresponding to detection thresholds to distinguish significant deformation. Through DVC analysis on the strike-slip sandbox, we successfully quantified the 3D displacement and strain fields inside the model interior, visualizing incipient formation of fault structures such as Riedel and Y-shear zones, strain localization and the subsequent transfer of deformation to other structures. This approach enables the quantitative assessment of the progressive evolution of strike-slip faults-a process previously deduced solely through qualitative CT observations.

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