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1．地震発生に至る地殻活動解明のための観測研究の推進

（4）「地震発生の素過程」研究計画

  　地震サイクル等の数値シミュレーションで説得力のある結果を得るためには、確かな根拠に基づいて破壊・摩擦構成則のパラメータの分布を与える必要がある。最近、種々の構造探査により、P波速度（Vp）、S波速度（Vs）、比抵抗、減衰の程度を表すQ等が同一断面上で比較できるようになってきた。それら観測可能なVp、Vs、比抵抗、Q等から、どのような物質がどのような状態にあり、どのような破壊・摩擦特性を持っているのか推定できるようになることを目指した実験的・理論的研究を推進する。そのためには、室内実験によりVp、Vs、比抵抗等と、破壊・摩擦特性を様々な条件下で同時測定することが必要である。また、Vp、Vs、比抵抗、Q等は地殻中の水の状態に強く依存するため、間隙水の実体に関する研究、浸透率構造に関する研究等も併せて推し進める。
　プレート境界に蛇紋岩が存在する状況証拠が得られてきており、また、最近の実験的研究により、カンラン岩がわずかに蛇紋岩化するだけで強度が大きく低下すること、蛇紋岩の種類や岩石内部の水の状態によって摩擦特性が大きく異なること等が分かってきた。したがって、まず代表的な蛇紋岩（アンチゴライト等）について、高温高圧下で様々な間隙水の条件下で物性パラメータを調べることが重要である。このような研究を通じ、プレート境界で棲み分けていると予想されるアスペリティや非地震性滑り領域の実体についての理解が深まるであろう。
　さらに、地震発生の素過程の解明には実験・理論研究に加えて、野外調査研究を組み入れることも重要である。野外調査研究の利点は、隆起・削剥を経て現在地表に露出する震源域物質の変形に直に触れることができる点である。これまでに多くの断層帯（あるいは付加帯）について、変形の機構、変形時の歪、応力状態等に関する重要な情報が抽出されている。室内実験と天然の変形を比較・検討し実際の震源域における素過程を明らかにしていく。
 
　なお、［課題番号：1409］及び［課題番号：1410］は、東京大学地震研究所の課題であるが、［課題番号：1409］は横浜市立大学と、［課題番号：1410］は東北大学、東京大学理学系研究科、富山大学、静岡大学、京都大学、大阪大学との共同研究課題であるため、本文中では当該研究を主に実施した機関名を示してある。

ア． 摩擦・破壊現象の物理・化学的素過程
  （蛇紋岩の脱水軟化）
　平成16年度に整備した固体圧式変形試験機MK65Sによって、高温高圧下でアンチゴライト（高温安定型蛇紋岩）の変形実験を行った。沈み込むプレート内での地震を引き起こすメカニズムとして、低圧では脱水反応による体積増加が大きく、間隙圧が上昇して脆性破壊が起こると考えられている。しかし、圧力（封圧）800MPa（メガパスカル）、温度700度では脱水軟化により定常的な滑りが起こることが分かった（図33）。これは高圧の場合、間隙圧上昇の効果が小さくなるためと考えられる。したがって、沈み込むプレート内での地震発生は、従来考えられていた蛇紋岩の脱水軟化によっては説明できない可能性がある（東京大学理学系研究科［課題番号：1410］、熊沢・清水，2006、清水・他，2006）。

（摩擦溶融）
　平成16年度に改良を加えたロータリー式摩擦試験機を調整して、1メートル毎秒程度の高速滑り速度領域での摩擦実験を行った。垂直応力を増加させた時に、摩擦面の状態が、溶融層で分離された状態から固体接触部分と溶融物の混合した状態へと変化する様子が認められた（京都大学［課題番号：1410］）。
　固着滑り実験と実験後の滑り面の走査型電子顕微鏡（SEM）観察によって、速度弱化を引き起こすごく微少領域の溶融開始から、部分溶融による一時的な摩擦抵抗増大の段階を経て、全溶融による低摩擦へと至る過程を調べた。部分溶融時には、高摩擦により滑りが一時停止する場合があることを明らかにした（東北大学［課題番号：1410］）。

（大変位滑り実験）
　本課題の究極の目標は、地震活動や地殻変動といった観測可能な情報から、断層やプレート境界における摩擦パラメータや破砕度を予測することである。これまでは、滑り量約1センチメートルごとに試験片の位置を調整していた。この点を改善するために、回転式変位装置を既存の一軸試験機に組み込んだ。過去の実験と同様、基本的には岩石の微小破壊（AE）活動の規模別頻度分布と摩擦の速度依存性の相関が見いだされたが、詳細に見ると両者の変化の仕方に異なる点もあった。これは、以前の実験では、滑りの途中で滑り面を引き剥がしていたため、断層ガウジ層内の構造発達を妨げていたことが原因であると思われる（東北大学［課題番号：1205］、矢部，2005a,b）。

（南アフリカ大深度鉱山における超高周波までの破壊過程観測）
　鉱山の誘発地震を用いた断層ごく至近距離における物理現象の総合的観測に着手し、南アフリカ鉱山で使用できる高周波高感度AEセンサーの開発を行った。高応力のかかる南アフリカ鉱山では、センサーを入れる掘削孔は、セメントで埋め戻さなければならず、そのときに、センサーを押し付けるためのバネがセメントで固められて効かなくなるという点を解消した（東京大学地震研究所［課題番号：1409］）。

（断層の幾何構造から導く破壊エネルギーの規模依存性）
　断層帯の形態は階層的に自己相似的であり、その進化則をモデル化することにより、地震のサイズ分布、及び本震の地震モーメントが震源核のサイズの3乗に比例するという法則を導出できた（東北大学［課題番号：1410］、Otsuki and Dilov,2005）。

（弾性波による摩擦強度のモニター）
　滑り面を透過した弾性波の振幅から滑り面での接触を反映した摩擦強度を推定できるようにすることを目指し、P波やS波の透過振幅を連続測定しながら、2軸圧縮装置を用いて岩石の摩擦滑り実験を行った。実験の結果、静的接触時間の対数に比例した強度回復に伴う透過振幅の増加、滑り弱化に伴う透過振幅の減少、定常滑り状態において滑り速度の増加に伴う透過振幅の減少等が観察された。速度をステップ状に増加させる実験では、摩擦力はいわゆるダイレクト効果（速度の対数に比例する摩擦力の増大）のため、一旦増加したのち摩擦強度の減少に伴い変化する。それに対し、透過振幅は摩擦強度の変化のみを表していることが観察された（図34）。さらに、一定法線応力下では様々な要因で変化する摩擦強度と透過振幅の間に成り立っている定量的な関係を明らかにした（東京大学地震研究所［課題番号：1409］、永田・他，2006）。

（透過弾性波とDEMで探る応力下の断層ガウジの挙動）
　弾性波透過実験結果と離散要素法（DEM）によるシミュレーションを比較した結果、せん断力の増加により断層ガウジ層内部の応力鎖に変化（柱状構造の形成、変形、回転、崩壊）が生じ、前駆的滑り、これに伴う膨張、そして最終破断に至る過程が明らかとなった。さらに、前駆的滑りに伴う透過波動の減衰のメカニズムも応力鎖が変化することから理解された。また、断層ガウジ層の厚さの違いにより、滑り方に変化がでることについても、DEMシミュレーションにより、そのメカニズムが明らかとなった（図35）（横浜市立大学［課題番号：1409］、Yoshioka and Sakaguchi,2006、Yoshioka and Iwasa,2006）。

（発光現象）
　これまでに得られた岩石破壊に伴う発光画像の解析を行い、多くの試料において見られ、かつ鉱物種との関連がない発光に熱放射が大きな寄与をすることを確認した。また、並行して岩石発光を直接分光する解析手法の開発を進めた。予備実験としてカコウ岩等の摩擦発光を分光解析し、この発光が1,500〜2,000度程度の熱放射起源で説明可能であることを突き止めた（京都大学［課題番号：1410］）。

（破壊に伴うガス放出）
　岩石の変形に伴う微小な亀裂形成によるガス放出の機構を実験的に明らかにすることが、本計画の目標である。平成17年度は、試料由来のガスを明確に知るための実験を行った。その結果、一軸圧縮による岩石破壊で放出されるガスの組成は全岩組成とほとんど一致すること、試料からH2O（水）が放出されていることが分かった。また、CH4（メタン）は石英から放出することが確認できた（東京大学理学系研究科［課題番号：1501］）。
　岩石破壊、断層形成過程に及ぼす溶存ガス成分の影響について調べるため、走時差を用いた高精度のトモグラフィ手法を開発し、CO2（二酸化炭素）を溶解した水の岩石試料への浸透過程をモニターすることに成功した（産業技術総合研究所［課題番号：5007］、Lei et al.,2005、Moura et al.,2005）。
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
  （高温高圧での弾性波速度の測定）
　蛇紋岩のうち高温安定型のアンチゴライトのみからなる試料について圧力1GPa（ギガパスカル）におけるP波速度の温度依存性を明らかにした（図36）（富山大学［課題番号：1410］）。平成16年度に開発した、弾性波測定手法を使って、高温高圧下でかつ間隙水圧を制御した状態で、実際の断層帯等から採取した岩石試料の物性測定を行なった。実際の断層帯及びその周辺の試料として、1999年（平成11年）台湾集集地震の震源断層を貫く掘削により回収されたコア試料を用いた。弾性波速度（P波速度、S波速度）は、有効圧の増加とともに速くなるが、有効圧が静水圧条件より高い圧力領域では増加の割合が小さくなることや、浸透率は有効圧の増加に伴って一定割合で減少していくという傾向が得られた（産業技術総合研究所［課題番号：5008］、増田・他，2005a、b、北村・他，2005）。

（岩石の電気伝導度測定）
　蛇紋岩の電気伝導度が他の岩石より高いのは磁鉄鉱を含むためと考えられているが、蛇紋岩の電気伝導度の温度依存性は、磁鉄鉱の温度依存性では単純に説明できないことが分かった。また、変形度の高い蛇紋岩で線状タイプの磁鉄鉱が多いこと、変形度によって磁鉄鉱の連結が変わり、電気伝導度が様々な値を取ることが分かった（富山大学［課題番号：1410］、渡辺，2005）。
　高温高圧下で岩石の電気伝導度を測定する場合、金属ジャケットで岩石試料を覆うことになる。そのような状態で岩石試料の伝導度を求めるのに、金属ジャケットを主に流れてきた電流と試料中心部を流れてきた電流を分離し、それぞれガードリングとセンター電極で測定するガードリング法が有効である。本年度は、センター電極で測定した見かけ抵抗から試料の真の電気伝導度を算出する係数を数値解から求めた。また、ガードリングとセンター電極の適切な配置等について数値解に基づき検討した（東京大学地震研究所［課題番号：1410］、小河・他，2005）。

（野外調査研究）
　オーストラリア中央部ウッドロッフスラスト圧砕岩（マイロナイト）帯に見られる摩擦溶融岩（シュードタキライト）について野外調査及び変形微細構造の解析を行い、地殻深部の脆性−塑性遷移帯よりも深部で摩擦溶融岩が形成されていることを明らかにした（静岡大学［課題番号：1410］、Lin et al.,2005）。
課題と展望
  　「地震発生の素過程」は第2次新計画から始まった研究計画であるが、2年目にあたる平成17年度は、建議で推進すべきとされている複数パラメータの同時測定を含め、地震発生条件での力学・物性データが着実に得られてきた。また、個々の素過程のメカニズムが掘り下げられるとともに、規模依存則を意識した研究も着実に進展した。さらに、断層面の状態をリモートセンシングする萌芽的研究も進んだ。今後は、データを増やしてシミュレーションの精密化に役立たせるとともに、素過程に関する新たなモデル構築まで進展していくことが期待される。
参考文献
 

北村圭吾・増田幸治，高温高圧条件下での岩石の弾性波速度測定とその地質学的意義，地学雑誌，114，2005．

熊澤峰夫・清水以知子,　日本における固体圧変形実験装置の開発と研究の系譜．構造地質,　49,5-14，2006．

Lei, X., T., Satoh, O., Nishizawa, K., Kusunose, and M.V.M.S., Rao, Modeling Damage Creation in Stressed Brittle Rocks by Means of Acoustic Emission, Proceedings of the Sixth International Symposium on Rockburst and Seismicity in Mines Proceedings, 327-334, 2005.

Lin, A., T., Maruyama, S., Aaron, K.,Michibayashi, A., Camacho, and K., Kano, Propagation of seismic slip from brittle to ductile crust: Evidence from pseudotachylyte of the Woodroffe thrust, central Australia. Tectonophysics, 402, 21-35, 2005.

増田幸治・新井崇史・高橋美紀・重松紀生・藤本光一郎・北村圭吾，高温高圧実験による断層深部のすべり機構の研究,月刊地球，号外50,50-55,2005a．

増田幸治・井料兼一・小椋昭,ガス圧式高温高圧実験装置用内熱炉の開発，構造地質，49，2005b．

Moura, A., X., Lei, and O., Nishizawa, Prediction scheme for the catastrophic failure of highly loaded brittle materials or rocks, Journal of Mechanics and Physics of Solids, 53, 2435-2455, 2005.

永田広平・中谷正生・吉田真吾，弾性波による摩擦強度のモニター，日本地球惑星科学連合大会，S109-012,2006．

小河勉・吉田真吾・上嶋誠・桑野修・中谷正生，高温高圧下での岩石の電気伝導度測定ー金属ジャケットの影響の見積もり，地震学会予稿集，B047,2005．

Otsuki, K. and T., Dilov, Evolution of hierarchical self-similar geometry of experimental fault zones: Implications for seismic nucleation and earthquake size. JGR, 110, B03303, doi: 10.1029/2004JB003359, 2005.

清水以知子・道林克禎・渡辺悠太・増田俊明・熊澤峰夫,固体圧変形実験装置MK65Sの設計と性能：内部摩擦の評価．構造地質,49,15-26,2006．

渡辺了，岩石の電気物性―レビュー，地学雑誌，114,837-861,2005．

矢部康男，回転式低速せん断すべり試験機の作成，地球惑星科学関連学会2005年合同大会講演予稿集，S044-P005，2005a．

矢部康男，回転式低速せん断すべり試験機の作成・その2，日本地震学会2005年秋季大会講演予稿集，P155，2005b．

Yoshioka, N. and H. Sakaguchi, An experimental trial to detect nucleation processes by transmission waves across a simulated faults with a gouge layer, Advances in Geosciences, 1, 105-116, 2006.

Yoshioka, N. and K. Iwasa, A laboratory experiment to monitor the contact state of a fault by transmission waves, Tectonophys., 413,221-238, 2006.


図33： 蛇紋岩の変形実験。封圧800MPa（メガパスカル）、温度700度では脱水軟化が起こり、定常クリープに移行する。



図34： 速度ステップ実験におけるP波透過振幅（赤線）とせん断応力（青線）。定常滑りでのP波透過振幅はせん断応力と同様に滑り速度の対数に比例している（左図）。また、速度ステップ時に、せん断応力はダイレクト効果で一度増加した後減少するのに対し、P波透過振幅は摩擦強度変化のみを反映して直ちに減少する。



図35： 個別要素法による断層帯のせん断変形の数値シミュレーション。上盤（灰色の領域）に左向きのせん断力を加えたときに、接触した粒子間にはたらく法線力の方向と大きさを示している。法線力が大きくなるほど線を太くしてある。色は接触した粒子間に働く法線力の大きさを表しており、黒・青・赤・白の順に大きくなる。（1）せん断開始直後で、応力分布はほぼ均質。（2）応力鎖（応力を伝える粒子の連結）が形成される。（3）その応力鎖が立ち上がりながら一本の太い柱に。（4）回転し崩壊。（5）別の方向に新たな応力鎖が形成される。このように上盤が受けるせん断抵抗はわずか数本の応力鎖の発生・消滅によって決まっていることが明らかになった。



図36： 蛇紋岩のP波速度の温度依存性。


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