課題番号：1805
京都大学防災研究所
半制御実験による震源核形成過程の解明
震源核形成過程は、理論的・実験的にその存在が確認されているが、通常の自然地震に対してそれが観測可能かを解明することが最重要課題である。しかし、大地震は滅多に発生しない上、中小地震を至近距離で観測することも難しい。また、室内岩石実験と自然地震のスケールの違いは非常に大きく、室内実験の結果をどのように外挿すべきか議論の余地もある。一方、南アフリカ金鉱山では、採鉱計画により地震の発生場所が予測可能であり、マグニチュード3級の地震を至近距離で捉えることができるため、震源核形成過程を解明できる可能性がある。さらに、室内実験と自然大地震のスケールギャップを埋めるという重要な意味も持っている。
南アフリカで最初に計器を設置したWestern Deep Levels鉱山の観測では、歪計は分解能が12bit（ビット）で15分サンプリングであったが、今回は24bit（ビット）25Hz（ヘルツ）で観測可能な歪計をより多く設置している。過去の観測よりも微小な変化をとらえ、震源域で起こっていることを明らかにすることが本研究課題の目標である。
平成17年度までに、震源距離100メートル前後のM
3の地震活動に伴う、2,000例を超える大小様々な歪ステップや余効変動などが記録された［竹内 2005 修士論文；Ogasawara et al. 2005 RaSim6；山本・他 2005 地震学会;Naoi et al. 2006 GRL］。これらの中で、地震ステップには、10μstrain（マイクロストレイン）を超えるものにも、より小さなものにも、検知レベルを超える前駆が観測されなかった。しかし、変化の大きさが0.1μstrain（マイクロストレイン）を超えるイベントのうち、地震に比してゆっくりした歪ステップ（以下LDRイベント）が約2割を占めており、そのうちの最もゆっくりしたイベント（以下Slow step）に明瞭な前駆が見られた［Naoi et al. 2006 GRL］。平成18年度には、14メートル間隔で埋設された2台の歪計で観測が行われているMponeng鉱山（図1）のデータも解析されて、より多くの地震ステップや、LDRイベントの事例が増えると期待された。
平成18年度は、Mponeng鉱山の地下約3キロメートルのサイトにおいて隣接した2台の石井式歪計による観測を継続し、地震前後の変動に関してより精細な解析を行った。平成14年度に観測が終了しているBambanani鉱山の地下約2.4キロメートルの歪と地震のデータの精査も引き続き行った。Mponeng鉱山の地下約3.2〜3.5キロメートルの新しい観測サイトでは、AE・地震・歪の同時観測の準備を進めた（南アフリカCSIR、および、ドイツGFZ Potsdamとの共同観測）。また、間隙水が存在する場合の岩盤の挙動の違いを観測するため、閉山して水没している鉱山に隣接する鉱山において、境界部分の岩盤挙動を観測する準備を進めた（Buffelsfontein鉱山の地下約2キロメートルおよびERPM鉱山の地下約2.5〜3キロメートル）。平成7年度に行ったMponeng鉱山の地下約2.4キロメートルの地震観測データの解析も引き続き進めた。
Mponeng鉱山においてもM
2の地震に伴う10μstrain（マイクロストレイン）以上の歪ステップの事例が増えた。しかし、前駆歪変化は、より小さな地震についても確認されなかった［森下・他、2006連合大会；安武・他、2006地震学会］。この結果は、昨年度以前のBambanani鉱山と同様であった。
Mponeng鉱山においても前駆的な歪変化を伴うSlow stepが発見された（安武・他、2006地震学会；2007連合大会）。しかし、その中の1つの歪変化の大きさは2μstrain（マイクロストレイン）を超え、Bambanani鉱山でNaoi et al.（2006）が見出したものよりも一桁大きな変化として記録されていた（図2歪計Sb）。そして、Bambananiでは不明瞭であった前駆部分が克明に観察できた（図3b）。また、余効変動が減衰し始める時期には、連続した小さなステップが明瞭に観察できた（図3c）。
Bambanani鉱山では、歪計から20〜30メートル以内の地質断層上の異なる場所での正断層滑りを仮定すると、2001年に観測された様々なslow stepを説明できることがわかった［直井・他 2006地震学会］。また、LDRイベントが多発した期間に、最大級の地震（マグニチュード2級）の本震・余震域に、相似地震が集中して発生していることも明らかになった［山本・他 2006地震学会］。LDRイベントの規模はMw（モーメントマグニチュード）1と推定され、日本のプレート境界で発見されているslow eventに比べて桁違いに小さいことは確認できた。さらに小さい可能性もあるが、一点における歪観測であったため、LDRイベントのモーメントの上限をそれ以上精度よく推定することは困難であった［直井 2007 修士論文］。
一方、Mponeng鉱山の2台の石井式歪計（図2）では、対応のよい地球潮汐が観測されている［Morishita et al. 2006 AGU］。また、比較的遠方（距離200〜300メートル）での採掘発破や地震に対しても2台の歪計でほぼ同様な応答が記録されていることから［安武・他、2006 地震学会］、2台の歪計が堅固な岩盤に良好に埋設され、良好に動作していると考えられる。しかし、図2に示されているように、一部のSlow stepは2台で異なる応答が記録された。このとき、鉱山の観測網で地震は検知されていない。これらは、歪計からの距離が20〜30メートルにおいて、Mw（モーメントマグニチュード）がマイナス1程度のイベントが異なる場所で発生していることを示していることが明らかになった［安武・他、2007 連合大会（予定）］。
新しい実験サイトがMponeng鉱山の地下3.6キロメートルに開設され、AE・地震・歪観測が2007年2月に始まる予定である。別の新しい実験サイトの準備がBuffelsfontein鉱山およびERPM鉱山において進められた。これらの鉱山では、深さ2〜3キロメートルで水没する採掘区との境界付近で、Wetで間隙水圧が変化する環境における地震発生過程の観測が行われる［小笠原・他、2006地震学会；2007連合大会（予定）］。
過去の地震観測プロジェクトのデータを詳細に検討した結果、マグニチュード0クラス（震源サイズにして数メートル程度）も、より大きな自然地震と同程度の応力降下量と規格化されたエネルギーを持つことが明らかになった［Yamada et al.,2007］。
京都大学防災研究所地震予知研究センター飯尾・Mori・柳谷
有
立命館大・東大地震研・東大理学部・東北大・産総研・名大・東濃地震科学研究所・鹿児島大・金沢大・神戸学院大・ISS International Ltd、Seismogen CC、ICDP、Oklahoma Univ.、USGS、GFZ Potsdam、Mponeng鉱山、Tau Tona鉱山、Bambanani鉱山、Buffelsfontein鉱山、ERPM鉱山、OHMS CC.,CSIR NRE、CGSなど約70名。
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| 図1 Mponeng鉱山104レベルの破砕帯（ほぼ鉛直傾斜）と歪計との位置関係を示す模式図 ［安武・他2006、地震学会；2007、連合大会（予定）］。歪計は、幅数十メートルのPretorius断層帯内の、ほぼ完全に固結した断層ガウジに埋設されている。断層帯内には、指でも崩せるほど非常に破砕された、厚さ2センチメートルから1メートルの破砕帯が数メートル間隔で存在する［Ogasawara et al.,2005 RaSim6］。2台の歪計は14メートル間隔で埋設され、最も顕著な破砕帯（図中のピンク）までの距離は、それぞれ、約10および20メートルである。 |
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| 図2 2004年6月14日に発生したSlow eventの記録。（上）：歪計Saの記録。Wavelet変換によって短周期ノイズが取り除かれている。（下）歪計Sbの生記録。2分おきに全Chに見られるノイズは、データを地上に転送するために入るCommon modeノイズ。 歪計Sa（上）では、イベントを含む約30分間にトレンドがわずかに変化しただけに見え、歪変化はせいぜい0.01μstrain（マイクロストレイン）である。3成分とも伸びであり、剪断歪変化よりも面積膨張が顕著である。一方、歪計Sb（下）では2μstrain（マイクロストレイン）を超える変化がCh．3で記録された。3つの成分の歪変化の和（面積歪変化）に比べ、成分間の歪変化の差（剪断歪変化）が大きい。このような歪変化は、図1の破砕帯で鉛直ずれが起こった場合に発生する。 |
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図3 （a） 歪計SbのCh．3とCh．1の差。全Chに現れる2分周期のノイズが消え、詳細を観察することができる。（b） 前駆のOnsetはt 約735sころで、その後の数秒間で歪が加速し歪速度がほぼ一定になった。歪変化量はt約768sころに約0.1μstrain（マイクロストレイン）に達した。その後の2〜3秒間で歪が再び加速し、メインフェーズが始まり歪速度が最大となった。（c） その後、対数関数的な歪変化が続き、歪速度が小さくなると、細かい歪ステップと余効変動が連続発生している様子がはっきりと見てとれた。 |