平成18年度年次報告

（1）実施機関名

東京大学地震研究所

（2）研究課題（または観測項目）名

摩擦・破壊現象の素過程に関する実験的・理論的研究

（3）最も関連の深い建議の項目

• 1．（4）ア．摩擦・破壊現象の物理・化学的素過程

（4）その他関連する建議の項目

• 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18年度実施計画の位置づけ

• （a）　摩擦・破壊構成則の特性に関して，断層帯を構成する物質による違い，断層帯の形状，地殻内流体，及び歪み速度が摩擦・破壊則に及ぼす影響を調べ，地震発生域における摩擦・破壊則の全貌を解明する．また，最近まで経験則として扱われてきた速度・状態依存摩擦則の微視的プロセスの物理を明らかする．速度・状態依存摩擦則のうち構成則については理解が深まってきたが，摩擦強度（あるいは状態変数）の発展則については既に提案されているものでは実験データをよく説明できないことがわかっており，特にすべり弱化をどのように記述すべきか明らかになっていない．発展則は地震発生の予測にとって非常に重要であるため，18年度は高精度な発展則を求める研究を開始する．また，弾性波による摩擦面の状態変化のモニターを，実際の断層に適用するための研究を行う．
• （b）　室内実験で得られた結果を実際の地震に適用するために，摩擦・破壊現象の時空間的スケーリング則を明らかにする．実験室で確認されている100kHz（キロヘルツ）〜1MHz（メガヘルツ）程度の高周波を発生する微小破壊（AE,破壊サイズは0.1〜数ミリメートル）の活動は，応力の上昇を良く反映し，また，将来の巨視的破断面の形成過程であることが知られている．しかし，試料サイズが10センチメートル程度に制約されており，自然の大地震に対する微小地震活動の役割をここから類推するのは危険である．一方，最近の研究（Yamada et al., 2005）で，震源サイズ20メートル程度の鉱山の地震は，自然の大地震をそのまま縮小したような破壊過程を持つことがわかった．そこで，本課題では，鉱山の大きな採掘応力をうける岩体中で,数ミリメートル程度の微小破解まで検出できる観測を20メートル程度の範囲にわたって行い，実験室AEのサイズから，大地震と相似なことが確認されている鉱山地震のサイズまでにわたって，破壊現象のスケール間相互作用を明らかにすることが目標である．この知識は，数値予測モデルにおいて微小地震活動の観測データをモデルのアップデートに取り込むために決定的に重要である．平成18年度は前年度までに開発したセンサと調査したサイトで試験観測を行い，そのデータを参考に，最適な観測網を設計する．また，断層の摩擦絶対レベルのスケール依存性を調べるために鉱山内に設置済みの温度測定アレーは運用を継続する．
• （c）　弾性波照射による断層面の状態変化を検出する手法の開発を引き続き進める．本計画は，地震に到る過程で，断層の状態がどのように変化し，最終破断に到るのかを明らかにしようという試みであって，他に例がない．GPSなどでは確認できないほどの小さな変位であっても，地震にいたる準備は着実に進行しているのであって，これをまず実験でとらえることにより，そのメカニズムを明らかにすることが重要である．18年度は17年度の成果の上に立ち，さらに実験を続け，さらなる信頼性，再現性のあるデータの取得につとめる．すなわち，ガウジ層を構成するガウジの種類，粒度分布，温度，水の存在など，さまざまな条件下での実験を行うとともに，離散要素法によるシミュレーションを行い，ガウジ層内部に生起している変化のメカニズムを明らかにする．

（6）平成18年度実施計画の概要

• （a）　数値シミュレーションと室内実験により速度・状態依存摩擦則における発展則の高精度化を目指す．特に，すべり弱化過程で微視的に何がどのように進展しているのか明らかにしたい．また，弾性波による摩擦面の状態変化のモニターを，実際の断層スケールに適用する手法について検討する．
• （b）　開発した鉱山内観測用のAEセンサを埋設するための数本のボーリングを行い，試験観測を行い，現場での微小破壊の検出感度を調べる．また，現場での応力変化をモニターするための石井式歪み計を埋設する．申請中の科研費が採択された場合には，AEセンサ16点の高密度アレーを構築し，GFZの共同研究者が持つAEレコーダを用いてサンプリング周波数500kHz（キロヘルツ）の本格的な観測を開始する．
• （c）　まず粒度分布がフラクタル分布をするガウジ層を人工的に作成し，これに対してこれまでと同様の手法で実験を行い，これと合わせてDEMによるシミュレーションを実施する．また17年度に予定していたが十分な成果が得られなかった，塑性変形が期待できる柔らかな物性をもつガウジ層に対しても同様の試みを行う．

（7）平成18年度成果の概要

• （a）　破砕物質を挟んだ模擬断層について断層面を透過した弾性波動の変化を観測する実験を実施した．2面直せん断試験によりslide-hold-slide試験をhold時のせん断応力やhold時間を変えながら行い，透過波振幅，剪断応力，ガウジ層の厚さなどを測定した．せん断応力のデータからは，時間に依存した強度回復の他にhold時のせん断応力に依存した強度回復が見られた．Nakatani（1998）が指摘するように，時間に依存した強度回復は，hold時のせん断応力が高い時にはすべり開始時のせん断応力ピークとして現れるが，hold時のせん断応力が低い時にはこのピークは観察されない．しかし透過弾性波の振幅データからは，透過振幅がhold開始時のせん断応力の減少に伴って増加するとともに，hold時のせん断応力の値に関わらずhold時間の対数に比例して増加することが観察された（図1）．またhold後の微小変位による透過振幅の急激な減少が見られた．この変化はYoshioka and Sakaguchi（2005）で報告されている前兆的な振幅の減少に対応するものと考えられるが，今回観察されたのは高々20パーセント程度の変化であった．
  　計画に加え高温高圧下での真の3軸圧縮実験を行い，岩石のクリープ特性が中間主応力の影響を強く受けることを明らかにした（図2）．
• （b）　南アフリカMponeng鉱山内の地下3,500メートル地点で，近い将来，誘発地震が期待されるダイクー母岩境界を取り囲むようにボーリングを10本程度行った．現在，この孔に2種のAEセンサ，ハイドロホン，3軸加速度計の埋設作業が進行中である．また，孔底接触型のAEセンサについては，現場の環境にあわせて，取り付けロッドのストロークの長い押し付けばねを組み込むなどの新たな方式を開発した．これらの信号を収録するために，16チャンネル，500kHz（キロヘルツ）サンプリングのレコーダを地下に設置し，これを日本からリモートコントロールするための通信設備をセットアップした．また，現場での応力変化をモニターするための石井式歪み計を埋設した．
• （c）　粒度分布がフラクタル分布をするガウジ層に対して実験を行うとともに，DEMによるシミュレーションを実施した．また柔らかな物性をもつガウジ層に対しても実験を行った．前者については，透過波動の変化がより早い段階から現出することが確かめられたが，後者についてはまだ十分な成果が得られていない．また，計画にはなかったが，光弾性物質を用いてせん断実験を行い，ガウジ層内の応力鎖の変化を捉える試みを行い，これが可能であることを示した（図3）．

（8）平成18年度の成果に関連の深いもので，平成18年度に公表された主な成果物（論文・報告書等）

• Yoshioka, N. and K. Iwasa, A laboratory experiment to monitor the contact state of a fault by transmission waves, Tectonophys., 413, 221-238, 2006.
• Yoshioka, N. and H. Sakaguchi, An experimental trial to detect nucleation processes by transmission waves across a simulated faults with a gouge layer, in "Advance in Geoscience, Vol.1, Solid Earth" (eds. Wing-Huen Ip, Yun-Tai Chen), World Scientific, 105-116, 2006.
• Hori, T., H. Sakaguchi, N. Yoshioka, and Y. Kaneda, Shear resistance reduction due to vibration in simulated fault gouge, in AGU Monograph, Radiated Energy and the Physics of Earthquake Faulting, American Geophysical Union, in press.
• Nakatani, M. and C. H. Scholz, Intrinsic and apparent short-time limits for fault healing: theory, observations, and implications for velocity-dependent friction, J. Geophys. Res., 2005JB004096, 2006.
• Kuwano, O., M. Nakatani, and S. Yoshida, Effect of the flow state on streaming current, Geophys. Res. Lett., 33, L21309, doi:10.1029/2006GL027712, 2006.

（9）実施機関の参加者氏名または部署等名

吉田真吾，中谷正生

（10）問い合わせ先

• 部署等名：東大地震研究所
• 電話：03-5841-5814
• E-mail：shingo@eri.u-tokyo.ac.jp
• URL：http://www.eri.u-tokyo.ac.jp/YOSHIDA-LAB/index.html
  （※吉田研究室ホームページへリンク）