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「地震予知のための新たな観測研究計画(第2次)」の平成16年度年次報告
【独立行政法人 防災科学技術研究所】



課題番号:3003

(1)実施機関名:独立行政法人 防災科学技術研究所

(2)研究課題名:地震発生機構に関する研究

(3)最も関連の深い建議の項目:

 

1.(2)イ.内陸地震発生域の不均質構造と歪・応力集中機構

(4)その他関連する建議の項目:

 

1.(3)ア. 断層面上の不均質性

1.(4)ア. 摩擦・破壊現象の物理・化学的素過程

1.(4)イ. 地殻・上部マントルの物質・物性と摩擦・破壊構成則パラメータ

(5)本課題の平成16年度からの5ヵ年の到達目標と、それに対する平成16年度実施計画の位置付け:

 

 内陸地震断層帯周辺の応力と強度の分布と断層帯の物理的、地質的な不均質構造、およびそれらの相互関係を原位置測定、断層岩コア解析などから明らかにすることを目標とする。平成16年度計画では、跡津川断層を対象に、主に地表物理探査による断層面に沿った構造不均質に関する研究を行う。

(6)平成16年度実施計画の概要:

 

 断層に沿った不均質な構造が顕著な跡津川断層において、物理探査、断層破砕帯コアの解析などを実施する。跡津川断層では断層面に沿って浅発地震活動の活発な領域と不活発な領域の区分が顕著で、16年度はその不活発な領域の特性を、地表物理探査、断層破砕帯コア解析などから調べ、これまでの活断層ドリリングの結果と比較しながら研究を進める。

(7)平成16年度成果の概要:

 

 断層にはたらく地殻応力と断層帯の強度および構造の時空間分布を物理・化学・地質学的に解明するために「ドリリング」は非常に有効な研究手段と考えられる。ドリリングは断層そのものに直接接近し、現に存在する物質を採取し、各種現位置実験・計測ができるという他の研究手段にはないアプローチが可能だからである。本研究では、そのような特長を生かし、ドリリングを中心とした内陸活断層の応力、強度分布および構造の推定を行い、さらに、それら野外データを組み込みこんだ現実的な断層運動の数値計算に関する研究を中心に進めてきた。以下、平成16年度(一部15年度の研究の継続)の概要を述べる。

跡津川断層の断層帯構造−電磁気探査

 跡津川断層(安政飛越地震、1858)は活断層の多く分布する中部地方で、これまで対象にしてきた活断層に比べて著しい特徴が見られる。断層走向に沿って微小地震が線状に分布するだけでなく、走向に沿って中央部の浅部地震活動の不活発な領域とその両脇の活発な領域とに明瞭に区分されている(例えば、三雲・和田,1979)。しかも光波測量結果からは、活動の不活発な領域で断層クリープが示唆されている(国土地理院,1997)。つまり低地震活動−クリープ域、高地震活動−固着域といった構図が見られる。それぞれの領域で応力や破砕帯物質、地震波速度や電気伝導度構造に違いがあるのか、また同じ内陸活断層の阿寺断層ではほぼ全域で地震活動不活発でありながらクリープ現象が見出されないのは何故か、など活断層一般の断層活動を理解するうえで重要な課題が多い。

 平成15年度に行った跡津川断層ドリリングでは、いわゆるクリープ域に相当する地区で深度350メートルまで、オールコアリングを行なった。近傍の跡津川河床では断層露頭が記載・報告されていること(ハスバートル他,2001)、ドリリングで採取したコアが、ほぼ全深度で破砕・変質を受けており、断層粘土を挟んだ顕著な剪断面も多く存在していること、から跡津川断層の破砕帯の中をドリリングしたと判断した。物理検層においても、キャリパー検層は、ほぼ全域で孔径が拡大(大きいところでは2倍以上)し、見かけ比抵抗が100〜600オームメートル、密度が2.0〜2.5g/cc、P波速度が3〜4キロメートル毎秒、中性子間隙率が20〜40%、となり、これまでの他の活断層の断層破砕帯の物性値と整合的であった。

 掘削点近傍で見いだされた断層露頭では、跡津川断層の走向(約N60ドE)とは異なる走向(N30ドE−N47ドE)をもつ断層ガウジ面が複数見られた。露頭および孔内で観察される断層すべり面の傾斜はともに高傾斜であり、それらが同一のものであるか、あるいはこの地域では、垂直に近い傾斜を持つ雁行した断層破砕帯が複数存在していることを示唆している。16年度は、そのような雁行状の破砕帯の可能性を確認し、ボーリングから得られた破砕度の高い岩石との関連を調べるため、掘削地点近傍でVLF-MT法(富山大学との合同、山下他,2004)、TDEM法による比抵抗構造探査をおこなった(図2)。

 VLF-MT法とは、宮崎県えびの市から放射される固定周波数(22.2キロヘルツ)の電磁波を利用したMT法の一種であり、探査深度が限定されるものの(100オームメートルの比抵抗媒質の場合、対応する表皮深度は約35メートルになる)、測定が簡便という利点がある。TDEM法は、人工的に電磁場を急激に変化させた後の過渡的な応答が、地下の比抵抗構造に応じて異なることを利用した電磁探査手法である(例えば,Nabighian,1991)。今回は、地表に直線的に設置した二電極間に電流を流して送信源とし、VLF-MT探査をおこなった同じ範囲において、磁力センサーを人力により運搬・探査をおこなった。各測定点で得られた磁場応答時系列データをインバージョン解析し、1次元の比抵抗深度分布を求めた。 1次元解析ではあるが、測定点が面的に数多く分布していることから、地下比抵抗の3次元分布の定性的な傾向を再現していると考えられる。

 VLF-MT探査、TDEM探査によって得られた見かけ比抵抗値は、およそ数10〜1000オームメートルまでの広範囲にわたるが、ボーリング孔内の見かけ比抵抗検層の結果100〜600オームメートルと調和的だった。VLF-MT法探査の結果、測定した二つの測線で互いに類似した比抵抗のパターンが見つかった(図2左下)。これらが同一の低比抵抗帯あるいは高比抵抗帯に対応していると仮定してそれらを結ぶと、走向が断層露頭でのすガウジ面の走向と一致していた(N34ドEプラスマイナス20ド)。同じような走向を持つ高/低比抵抗の構造(約N30-40ドE)がTDEM探査結果にも見られた。それらは跡津川断層主断層の走向(約N60ドE)とは異なっており、断層の破砕帯内部に存在する(あるいは破砕帯を形成している)雁行状の構造と考えられる。このような構造は跡津川断層の活動を特徴づけている可能性もあり、広域の比抵抗構造も考慮に入れ、雁行状の破砕帯の成因について考察していく必要がある。

VLF-MT探査、TDEM探査によって得られた見かけ比抵抗分布の図
 図2 VLF-MT探査、TDEM探査によって得られた見かけ比抵抗分布

地震直前直後の断層周辺の強度と応力変化の推定-野島断層における応力測定から-

 内陸活断層地震ですべった断層は時間とともに固着し、強度回復するとともに、再び地震を起こす応力が蓄積されていくと考えられているが、それも直接的に確かめられた例はない。内陸地震は再来周期が海溝で起こる沈み込み型地震のそれに比べて非常に長い(数千年〜数万年)ために、過去の地震に関するデータの蓄積量が少ないという問題があるからである。しかし、今回、地震後に行う応力測定の結果と、地震時の断層すべり分布モデルとを組み合わせることで、地震が起こる直前における断層の固着状態を定量的に推定できることを示した。(Yamashita et al., 2004)。

 兵庫県南部地震で活動した野島断層において、地震時の断層すべり分布モデルとその近傍で地震直後に原位置測定した応力データを用いて、地震前の応力状態と断層強度を推定した。地震時のすべり量が大きい領域では地震前の強度は周辺の岩石と同程度につよく、加わっていた剪断応力も大きかった。一方、地震時のすべりが少なかった場所では地震前にすでに強度は弱く、非地震性のすべりが起こっていた可能性が示唆された。地震後に原位置測定された主応力の方位はすべて断層面に対して鉛直に近い方位になり、剪断応力が解放されたことを示していたことから、少なくとも断層面の一部では、地震直後から次の地震までに断層強度が回復し、剪断応力が高まったことが示された。別の見方をすると、平面状の断層面でも、地震前に断層強度が強い領域は剪断応力が高く、そこでは地震時に大きくすべること、逆に地震前に断層強度が弱く領域は剪断応力が低く、地震時でもすべり量が小さいことになる。つまり、断層周辺の応力分布が地震時のすべり分布に大きく影響することになる。このような状況を図1に模式的に示した。

1995年兵庫県南部地震の野島断層を例にした、地震前後の断層強度と応力分布の模式の図
 図1.1995年兵庫県南部地震の野島断層を例にした、地震前後の断層強度と応力分布の模式図。地震直後に測定した応力状態から、地震直前の応力状態が推定され、断層帯近傍の地震直後から次の地震直前に向けて強度と応力の変化することが示された。

断層破砕帯コア解析と断層強度

 断層破砕帯の断層岩コアは、破砕、変質を強く被っており、過去の断層活動の履歴が蓄積されている。破砕帯コアの詳細な物質科学的分析により、断層活動の特性をとらえることができると考えられる。そこで、野島断層平林井、阿寺断層川上井で採取された断層破砕帯コアの化学分析、鉱物分析、フィッショントラック(FT)年代測定を行った。

 阿寺断層川上井では、野島断層平林井と同様の蛍光X線分析、回折X線分析により、破砕帯全体の主要化学組成と鉱物組成分布を求めた。特徴的なのは、原岩(主に花崗閃緑岩)から粘土鉱物が多く生成され、両者ともH2O+(結晶中に含まれる構造水)が増えていることであった。断層活動に伴い熱水活動などの水の関わる岩石-水反応の結果と考えられる。一方で、野島断層平林井におけるFT年代測定によってからは、基盤の年代が約60Maであるのに対して破砕帯中央部に向かって、数メートルの幅で約48Maという年代の若返りが見いだされたことから、断層破砕帯における熱的擾乱が認められること、コア試料に対する1995年の活動に伴う摩擦発熱の影響は大きくないこと、破砕帯周辺の熱輸送が主として高温流体によることの影響が示唆された。断層活動にともない、断層破砕帯部で水-岩石反応が進み、粘土鉱物が生成され、原岩よりも反応生成物がその後の断層の強度を規定する要因になっていることが予想される。

(8)平成16年度の成果に関連の深いもので、平成16年度に公表された主な成果物(論文・報告書等):

 

 Yamashita, F., E. Fukuyama, and K. Omura, Estimation of Fault Strength: Reconstruction of Stress Before the 1995 Kobe Earthquake, Science, 306, 261-263, 2004.

 山田 隆二・松田 達生・小村 健太朗, 野島断層掘削コア試料のFT分析, フィッション・トラックニュースレター, 第17号,59-61, 2004.

 小村 健太朗・池田 隆司・松田 達生・千葉 昭彦・水落 幸広, 活断層ドリリングによる断層構造研究-牛伏寺断層近傍の地殻応力,岩盤,比抵抗構造-, 月刊地球, 号外ナンバー46,127-134, 2004.

 Kentaro OMURA, Ryuji IKEDA, Yoshihisa IIO, Kenta KOBAYASHI, Koji SHIMADA, Hidemi TANAKA, Satoshi HIRANO, Tatsuo MATSUDA, Ryuji YAMADA Drilling investigations on the structure and mechanics of Nojima fault, western Japan, Hokudan International Symposium on Active Faulting 2005, Abstracts, 118-119 (19202), Jan., 2005.

 Ryuji IKEDA, Kentaro OMURA, Tatsuo MATSUDA, Characterization of Seismogenic Faults of Central Japan by Geophysical Survey and Drilling, EOS, Trans, AGU, 2004 Fall Meet., CD-ROM(S51D-02 INVITED), Dec., 2004.

 Kentaro OMURA, Futoshi YAMASHITA, Ryuji YAMADA, Tatsuo MATSUDA, Eiichi FUKUYAMA, Atsuki KUBO, Kaori TAKAI, Ryuji IKEDA, Yukihiro MIZUOCHI, Fracture zone drilling through Atotsugawa fault in central Japan -geological and geophysical structure-, EOS, Trans, AGU, 2004 Fall Meet., CD-ROM(S41A-0932), Dec., 2004.

 山下 太・久保 篤規・浦泰 宏・山本 卓・岩崎 博史・ハスバートル・酒井 英男・竹内 章・水落 幸広・松田 達生・小村 健太朗,跡津川断層トレース近傍におけるVLF-MT探査:雁行状断層破砕帯の可能性,日本地震学会秋季大会,2004.

 R. Yamada, T. Matsuda and K. Omura, 2004, Fission track analysis of the Ryoke Granitic Rocks; deep drilling core penetrating the Nojima Fault, Goldscmidt 2004, A679.

(9)実施機関の参加者氏名または部署等名:

 

固体地球研究部門 5名

他機関との共同研究の有無:無

(10)問い合わせ先:

 

 部署等名:防災科学技術研究所企画部研究企画チーム

 電話:029-863-7782

 e-mail


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