平成20年度年次報告
課題番号：1410
東京大学地震研究所
高温高圧下における水‐岩石系の物性と破壊・摩擦特性
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
1．（4）ア．摩擦・破壊提唱の物理・化学的素過程
（a）（蛇紋岩の観測可能物性）沈み込みプレート境界における蛇紋岩のマッピングを目指して，その観測可能物性（地震波速度および減衰，電気伝導度）を，鉱物組成，変形状態，圧力，温度の関数として明らかにすることが到達目標である．20年度は，多結晶体の巨視的物性データと微視的組織解析の結果を併せて鉱物結晶レベルでの物性を推定する。
（b）（蛇紋岩の変形特性）地震発生領域における「水」の存在については，低周波地震や電磁気学的観測事実からさまざまに推測されているが，その実体についての物質科学的な理解は遅れている．そこで高温高圧変形実験に基づき，（1）下部地殻における地殻変形と岩石‐水の有効物性，（2）破壊・摩擦挙動に対する水の影響の観点から研究を推進する．20年度はシリカゲルから異方性のない石英岩を人工的に生成させて，結晶成長の異方性を実験するとともに差応力下でその音速を測定するシステムを確立する。また、沈み込みスラブおよびマントルウェッジを構成するカンラン岩は，様々な程度に蛇紋岩化しているので，そのレオロジーを正確に決定することにより，沈み込み帯のアスペリティの力学特性やスラブ内地震の発生過程の理解に貢献できると考えられるが、平成20年度は、東大理に導入した新たな変形試験機で、圧力範囲を2GPa（ギガパスカル）程度にまで広げて実験を行ない、脆性‐延性転移付近の力学的挙動を詳細に明らかにする．
（c）（高温高圧下での弾性波速度測定）地震活動・地殻活動の解明にとって，地下深部における水の発生と挙動を定量的に議論する事は必須の課題である．本研究では，沈み込み帯構成岩石の弾性波速度と減衰係数（Q値）を高温高圧下で含水量の関数として決定し，その結果から地殻・上部マントルの地震波速度構造とQ値構造を定量的に解釈し，低速度層・低Q値層の含水量を求める．そこで含水量をコントロールした地殻・上部マントル岩石について，弾性波速度ならびに減衰係数（Q値）を温度，圧力，含水量の関数として決定する．脱水反応による速度とQ値の変化にも着目する．20年度は、これまでに開発した大容量シリンダーでの高温高圧下での縦波測定につづいて横波速度の測定を確立し，流体を含む花崗岩試料の縦波・横波速度の測定を行う．
（d）（断層内流体流動）断層内における流体の移動過程と，その流体移動にともなう断層面の接触状態との時間的・空間的変化を明らかにすることにより，大地震の発生源と考えられるアスペリティの物質科学的な概念モデルの構築を目指す．20年度は，溶解／沈積といった化学的変化過程とその効果を明らかにする．
（e）（高速摩擦特性）断層物質や岩石試料について、高速摩擦試験機や高圧変形・透水試験機を用いた摩擦実験や、変形・透水実験を行なうことで、高速、あるいは高圧などの条件における断層の摩擦特性、透水性などの性質を明らかにすることを目的とした研究を行なう．20年度は中速―高速すべり速度領域での断層物質や付加体物質，岩石試料の摩擦特性を明らかにするための実験研究をさらにすすめる．flash meltingの実験は断層ガウジ層がある場合に拡張する。また、リーデルシアで震源核が形成されるときにみられる特徴的な時間発展がおこる条件を実験的にあきらかにする。また、ほぼ完成した革新的な地殻流体状態方程式実験装置では、本格的なデータの蓄積をおこなう。
（f）（広帯域AE計測）室内における三軸圧縮試験において，震源核とその周囲で発生するAEの特徴を抽出し，震源核の性状を明らかにすることを目標とする．20年度は広帯域センサーを用いたAE計測を破壊過程を制御しておこなわれる三軸圧縮試験時に実施する．
（g）（岩石の破壊にともなう発光現象）岩石破壊に伴う発光現象を光学的，電磁気学的，鉱物学的な観点から解析し，その機構を明らかにするための研究を行う．特に発光と破壊準備過程，破壊過程との関連の解明をめざす．平成20年度は単成分系圧電物質について発光と電磁波放射を同時に測定する実験を継続して行い、両者の関連について検討する。また岩石破壊発光の分光手法の開発に務める。
（h）（高温高圧下における岩石‐水破壊反応過程）20年度に予定している高温・高圧下における岩石‐水破壊反応は16年度における断層破砕帯を横切る各種の地殻ガス濃度プロファイルの結果と18年度における地下水気液連続分離解析の結果および，遠心式ボールミルの実験結果を統合し，高温・高圧条件下に外挿するためのものと位置づけられる。すなわち，常温常圧下で見られた破壊‐反応‐放出‐吸着プロセスが高温高圧下に置かれた場合にどのように変動するのかを確認すると同時に天然の断層帯で有意な素過程を選別する。
（j）（南海トラフ地震発生断層）平成19年度から追加．南海トラフの地震発生断層であるプレート境界断層及び巨大分岐断層の掘削コア試料の変形微細構造解析と変形・透水実験に基づいて，これらの断層の変形機構および力学的・水理学的性質を明らかにし，沈み込み帯における巨大地震発生過程の解明に寄与することが目標である．20年度は、掘削コア試料から採取した泥岩試料および断層帯内部の試料の原位置条件における摩擦実験を行い、摩擦構成則のパラメータを決定する予定であるまた、高温高速摩擦試験機を整備し、稼働できる状態にする。
（k）（高緻密・極細粒鉱物多結晶体作成法の開発）平成19年度から追加．岩石物性測定に用いる天然試料はそれが地上にでてくる際の応力開放によってできたクラックを含むという問題があり、このためにクラックフリー細粒多結晶体を得るための合成法を開発した。これを様々な種類の鉱物に適用し、さらにその流体の移動や電気伝導度測定に着手する。
（a）（蛇紋岩の観測可能物性）これまでに開発してきた測定技術で比較的結晶の向きのそろった高温型蛇紋岩の多結晶体試料について音速データを蓄積するとともに、EBSD等をもちいて、それらの試料の結晶軸配向分布のデータも蓄積する。これらのデータを逆問題として解析することで、単結晶の弾性定数をテンソルとして求めることをめざす（富山大理）。
（b）（蛇紋岩の変形特性）東大理に導入した新たな変形試験機で、圧力範囲を2GPa（ギガパスカル）程度にまで広げて蛇紋岩の実験を行ない脆性‐延性転移付近の力学的挙動を詳細に明らかにする．石英の変形実験については，これまでもちいてきたメノウのほか、異方性のない人工的な石英岩の生成にも着手する．これと平行して，差応力下において弾性波速度測定を行なう実験系を確立する．実験試料は光学顕微鏡や走査電子顕微鏡（SEM），後方電子散乱像（EBSP）で観察し，流動・破壊のメカニズムを探る．（東大理・静岡大理）
（c）（高温高圧下での弾性波速度測定）これまにで開発した大容量シリンダーでの高温高圧下での縦波測定につづいて横波速度の測定を確立し，流体を含む花崗岩試料の縦波・横波速度の測定を行う．（兵庫県立大生命理学）
（d）（断層内流体流動）流通式反応器を用いて、超臨界・亜臨界流体（200～400度、30MPa（メガパスカル））における石英の溶解・析出実験をおこなう．析出実験では、シリカガラスの溶解により作成した高Si（シリコン）濃度の溶液を用いる．これらの実験により、石英の溶解速度・析出速度を明らかにする．また、析出場の状態を石英砂、岩石（花崗岩・はんれい岩）基盤と変化させることにより、き裂中の石英の成長メカニズムの変化（基盤の石英からの成長vs核形成成長）を支配する要因を明らかにする．また、実験から得られた析出組織と天然の鉱物充填脈の組織との比較を行う．これらの結果から、鉱物析出による断層内の流路変化と、断層の強度回復過程を明らかにする（東北大環境科学）．
（e）（高速摩擦特性）断層物質や付加体物質について，高速摩擦試験機や高圧変形・透水試験機を用いた摩擦実験や，変形・透水実験を行なうことで，高速，あるいは高圧などの条件における断層の摩擦特性，透水性などの性質を明らかにすることを目的とした研究を行なう．20年度は前年度と同様，中速―高速すべり速度領域での断層物質や付加体物質，岩石試料の摩擦特性を明らかにするための実験研究をさらにすすめる．/ flash meltingの実験を断層ガウジ層がある場合に拡張する。また、リーデルシアで震源核が形成されるときにみられる特徴的な時間発展がおこる条件を実験的にあきらかにする。また、ほぼ完成した革新的な地殻流体状態方程式実験装置では、本格的なデータの蓄積をおこなう。（東北大理・広島大）
（f）（広帯域AE計測）広帯域センサーを用いたAE計測を破壊過程を制御しておこなわれる三軸圧縮試験時に実施する．これまでよりも小さいAEも収録できるように，計測におけるノイズの低減を図る．AEの活動度や，継続時間など，取得されたデータをもちいて解析を実施する．また，同じシステムを用いて，弾性波速度測定を実施し，その時間変化から，AEと関係が深いクラックの生成についても検討する．また，同じシステムを用いて，弾性波速度測定を実施し，その時間変化から，AEと関係が深いクラックの生成についても検討する（立命館大）
（g）（岩石の破壊にともなう発光現象）平成20年度は単成分系圧電物質について発光と電磁波放射を同時に測定する実験を継続して行い、両者の関連について検討する。また岩石破壊発光の分光手法の開発に務める。（京大院人間・環境）
（h）（高温高圧下における岩石‐水破壊反応過程）水素ガス生成能力は常温常圧下においては定数として記述できるが，温度圧力条件を変えることにより，圧力と温度に対してどのような関数となるかを記述することを目指す。また，地震活動と連動して観測される地殻ガス成分であるメタンと二酸化炭素の粉体試料へのガス吸着特性についても，フロースルー型の実験機によって「放出‐吸着プロセスの検証」を予定している。この実験において，現在断層帯における地殻ガスとして注目されている水素，メタン，二酸化炭素それぞれの破壊‐反応に伴う挙動が明らかになることが期待される。また，流体に関する常温常圧下でのイオン濃度変動とpH（ペーハー）上昇についても高温高圧下におかれた際にどのように変動するのかを見る。特にpH（ペーハー）の上昇については石英の溶解領域に達しているため，断層帯の強度回復過程における重要な役割を担っていると考えられる。（東大理）
（j）（南海トラフ地震発生断層）掘削コア試料から採取した泥岩試料および断層帯内部の試料の原位置条件における摩擦実験を行い、摩擦構成則のパラメータを決定する予定である。また、高温高速摩擦試験機を整備し、稼働できる状態にする。（千葉大理）
（k）（高緻密・極細粒鉱物多結晶体作成法の開発）平成19年度に開発したクラックフリー細粒多結晶体を様々な種類の鉱物に適用し、さらにその流体の移動や電気伝導度測定に着手する。（東大地震研）
塩の電離が高温高圧塩水の誘電率に強い影響を与えることの発見,高温高圧条件での高温安定型蛇紋石の弾性定数の決定, 電顕/化学解析による高温・高圧下での蛇紋岩の脱水軟化プロセスの解明,常温型石英の結晶成長実験の実現,中 "高速域での速度急変時の摩擦応答, 高背景温度下での様々な溶融形式を含む高速滑りの実験による再現,粉体層摩擦の臨界すべり量が粒子の協同運動を含むダイナミクス起源であることのDEMモデリングによる発見, 粉体摩擦実験中のダイナミクスその場観察, 岩石の破壊進展に伴う弾性波透過度の変化の観察, 南海掘削泥岩試料の摩擦強度測定, 岩石破壊時の微弱な電場磁場の変化を同時に測定する新しい技術の開発, 不均質間隙流路構造をもつ断層での流体運動を計算する3次元コードの開発, 天然の地震断層の変位/セグメント長比が小規模なものほど小さいことなど, （6）の計画にそって, 多くの重要な進展があった.
井元 恒・道林克禎・大内智博・中村美千彦，2008．ゾル・ゲル法による石英結晶試料の合成．静岡大学地球科学研究報告,
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地震2，60周年特集号，印刷中.
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高温高圧条件での測定により, 沈み込み帯深部の滑り様式に大きな影響を与えている可能性が指摘されていた含水鉱物である高温型蛇紋石の弾性定数を決定した. これは,物理探査による地震発生域の鉱物種の推定のために決定的に重要な鍵となる基礎データである. また,破壊実験の圧力範囲を拡大することに成功し, 深発地震の発生に関する蛇紋岩の役割に関して,従来いわれていた脱水脆性化に代って脱水軟化ともいうべき現象が関与している可能性が示された. また,高温高圧条件における水の化学的役割について, 画期的な装置の開発によって, 臨界点附近での状態方程式の特異なふるまいが実測されたとともに, 溶存塩の役割を誘電率データと関連づける新たな理論的枠組みも提示された. また,地震断層の複雑な幾何構造中での流体移動が,ユニークなき裂透水実験装置や3次元的流路での計算手法の開発によって定量的に研究できるようになった. さらに, 地質学的試料から変形時の力学状態を推定するための変形実験における鉱物組織発展の研究においても,地殻の主要構成鉱物である石英を中心に着実な進展があり,また変形実験と地球物理的物性・化学測定を両立させるための装置開発においても様々な要素技術の進展がみられた. また, 実験試料が含むクラックが地殻深部での現象を室内実験で再現するときの障害になることがしられているが, 我々は,ナノテクノロジーを駆使して, クラックを含まない人工岩石を合成することに成功した. 一方で,破壊や変形特性自体をより広い条件範囲で計測することがおこなわれ, 滑り速度,岩種, 断層の形態や大きさなどに応じて, 従来の狹い範囲の実験データではわからなかった様々なプロセスが条件に応じて地震サイクルの色々な場面で複雑な役割を果している様子が浮びあがってきたとともに, いまでは, 粉体摩擦における粒子ダイナミクス, 滑り速度と背景温度に応じた様々な摩擦溶融のモード, 岩石中での断層形成にともなう微視破壊や電磁波の発生プロセスなど,地震現象の多様性の背後にある具体的な物理的メカニズムの実証的な研究が行なわれるまでになった.
吉田真吾・中谷正生・武井康子・平賀岳彦・波多野恭弘
他機関との共同研究の有無：
東北大院環境科学・土屋範芳／東北大理・大槻憲四郎／富山大理・渡辺了／東大院理・田中秀実，清水以知子／静岡大理・増田俊明，道林克禎／京大院人間環境学・加藤護／京大防災研，柳谷俊／京大院理・堤昭人／兵庫県立大生命理学・佐藤博樹／千葉大理・金川久一／広島大・星野健一／立命館大・川方裕則/三井住友建設株式会社・高橋直樹/産業技術総合研究所・高橋学
部署等名：東大地震研究所
電話：03‐5841‐5763
e‐mail：nakatani@eri.u‐tokyo.ac.jp
URL：http://www.eri.u‐tokyo.ac.jp/YOSHIDA‐LAB/index.html
研究開発局地震・防災研究課