1．（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・理論的研究を推進してきた。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した。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た。
　摩擦破壊現象の物理・化学的素過程を実験的に明らかにしていくことによって、アスペリティの実体、摩擦破壊現象の規模依存性などについて理解を深めることを目標とした。

　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、海洋開発研究機構と、［課題番号：1410］は東北大学、千葉大学、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

（深部岩石の変形特性）
　岩石は深さ50km以深の高温高圧条件下では、不安定な脆性破壊を起こさず、延性的な変形様式となるため、そのままでは地震を起こしがたく、実際ほとんどの地震はそれ以浅で起こっている。しかし、スラブ内に限っては、深さ600km超まで地震が起こっており、それを可能にする様々なメカニズムが提案されてきた。深さ100‐200 km程度の稍深発地震とよばれるものに対しては、蛇紋岩が脱水分解するときに放出した間隙水が高い流体圧を発生し、岩石変形への有効封圧を下げるために、脆性破壊が可能になるとのメカニズムが有力とされてきたが、鉱物の脱水反応時の体積変化の物理化学的考察からは、封圧が数GPa以上では、分解・放出される水の体積が、固体鉱物部分の体積減少を下回り、したがって、過剰間隙水圧は生じないことになる。このような考えにもとづき、非常に高圧で脱水反応した蛇紋岩の変形実験を行なうと、不安定な破壊は起こらなかった。一方で、塑性流動による安定な変形のメカニズムと、それが岩石組織に残す形跡について、石英多結晶体を流動させての組織観察と理論的考察をすすめた（東京大学理学系研究科、静岡大学理学部［課題番号：1410］、井本他, 2008、Michibayashi, 2008、Tasaka et al., 2008、Harigane et al., 2008、Kono et al., 2008、Shimizu, 2008）。

（高速摩擦特性）
　ロータリー式摩擦試験機による、実験速度、および法線応力条件の範囲を拡大し、これまで実験が十分でなかった中・高速での摩擦特性を中心にデータがえられた。沈み込み物質を含む様々な岩種に対して実験を行い、高速では部分溶融による摩擦の増加・低下、完全溶融による低下のほか、かならずしも溶融をへないでも、特に、石英含有率の高い岩石においては長い滑り距離のあいだに摩擦が大きく低下することなどが明らかにされた（京都大学[課題番号：1410]）。さらに、温度の効果を分離して実験するため、1000℃を越える背景温度で高速摩擦試験が行える装置を導入した（千葉大学[課題番号：1410]）。また、固着滑り実験において、瞬間溶融が起こっていること、およびそのタイミングを実験後試料観察とメルト生成による瞬間的電気伝導度の変化から明らかにし、瞬間溶融を含む摩擦滑りの一般的モデルを提案した （東北大学[課題番号：1410]）。一方で、粉体層の摩擦の場合に、粒子の破砕が起こらずに、粒子同士の衝突散逸のみを考えた場合は、摩擦が滑り速度に強い正の依存性を持つべきことが、数値モデリングによって示された（東京大学地震研究所 [課題番号：1410]、Hatano, 2008） 。

（低速滑り摩擦の物理）
　次節イで述べる（弾性波透過による摩擦固着状態のその場観察）の結果から、滑りの安定性に強く影響する摩擦構成則パラメータの従来の決定法に疑問がもたれたため、従来の手法を格段に精密化した実験を行った。その結果、パラメータ値は従来求められていた値より数倍大きいことが判明した。新たな値は、かねてから物性理論により提案されていた値とよく一致する。また、さまざまな熱活性化過程による摩擦強度の時間的変化については、実験と理論の整合性が確かめられた（東京大学地震研究所[課題番号：1409]、中谷他, 印刷中）。

（透過弾性波と離散要素法で探る応力鎖の挙動）
　せん断力を受けるガウジ層中において最大主応力方向に発達していると仮定される応力鎖に直交する方向に弾性波を通した場合、明らかに強い減衰が見られ、逆に、平行な方向では減衰が弱いか僅かに増幅も見られた。この事実は、応力鎖の存在のみならず、応力鎖による内部不均質構造が、透過波の減衰に影響していることを陽に物語っている。この影響は、せん断歪0.01%程度の微小な変位レベルでも検知されることも分かった。一方、同実験を模擬した離散要素法による数値シミュレーションでは、透過波を周波数領域に分解して解析した結果、せん断開始後、比較的早期の段階で、低周波側から減衰が始まっていることが明らかになった。これにより、透過波の減衰は内部構造の不均質性が起因する散乱が原因ではないかという結論に至った（横浜市立大学、海洋開発研究機構 [課題番号：1409]）。

（AE広帯域計測）
　微小破壊（AE）活動の統計的性質の時間変化を調べ、巨視的破壊の直前に、エネルギー放射率の加速度的増加、b値の減少、フラクタル次元と相関距離が減少から増加へ転じることが確認された（産業技術総合研究所［課題番号：5007]）。これまで、実験で使用できるセンサーの周波数特性が平坦でないため、AEの震源パラメータが求められないことが、自然地震との関係を理解するうえで障害になっていたが、封圧下の岩石破壊試験において発生するAEを広帯域センサーで収録することに成功し、経験的グリーン関数法を用いてAEの破壊継続時間を推定することに成功した（立命館大学[課題番号：1410]、Kawakata et al., 2009）。

（破壊現象の規模依存性）
　滑り実験によって、摩擦滑りに伴うAEの発生頻度や規模分布が、断層の滑り量と滑り速度に依存することを明らかにした。この関係を東北日本太平洋下のプレート境界で発生する微小地震に適用して、プレート境界面上の摩擦特性分布を推定した。得られた摩擦特性分布は、過去に発生した大地震の滑り域（アスペリティ）の分布と矛盾しないものであった。また、室内実験と自然地震の間には、時空間的に規模が数桁異なっているが、これを埋めるために、南アフリカ大深度金鉱山において、断層直近での地震観測を行った。南ア金鉱山のひとつであるムポネン金鉱山にAE観測網を展開し、100kHzを超える高周波の地震観測に成功した。この観測網から10m程度のところで、M2.1の地震が発生し、1万個を超える高周波の余震を観測した。本震断層上では、三ヶ月程度前からAEが発生していた（東北大学[課題番号：1205]、Nakatani et al., 2008、Naoi et al., 2008a,b、Yabe, 2008、Yabe et al, 2008）。天然の断層の階層的幾何学構造から、地震のサイズと破壊エネルギー等の関係を予測するモデルが提出された（東北大学[課題番号：1410]）。

（破壊にともなう副次的諸現象）
　岩石破壊にともなうガス放出に関しては、もともと岩石中に含まれていたガスの物理放出と、破壊表面形成時の化学反応によるものの2種があり、破壊実験時のデータから区別できることが示された。断層からのガス放出の解釈には、複数の化学種のモニターが必要なため、連続測定システムと、小型4重極子質量分析計を開発した（東京大学理学系研究科［課題番号：1410］、東京大学理学系研究科［課題番号：1501］）。岩石破壊時の可視光の放射に関しては、従来の考えとは違って、圧電による電場からの放電現象によるものが圧倒的に優勢であることが分かった（京都大学[課題番号：1410]）。一方で、圧電鉱物を含まない岩石の固着滑り実験において不安定滑り時に、顕著な電界変動をともなわない大きな磁界変動が捉えられた（産業技術総合研究所 [課題番号:5007]、Tsutsumi and Shirai, 2008）。

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

（地震発生条件下での蛇紋岩等の観測可能物性）
　岩石学的考察からは、沈み込みプレート境界の巨大地震発生域の中・深部および、安定な定常滑りへの遷移域においては、沈み込みによって運ばれてくる物質から放出される水によって、マントルウエッジ等の無水カンラン岩が化学反応を起こし、蛇紋岩化することが期待される。蛇紋岩は、地殻・マントルの大部分をしめる硬珪酸塩鉱物からなる岩石に比べて、不安定な地震性の滑りを起こしにくい力学的性質をもっており、地震発生の力学に対して大きな影響をもつ。一方で蛇紋岩は、その弾性波速度も、他の地殻・マントル物質とは大きく異なる値をもつことが知られており、近年発達してきたトモグラフィ等で求められた沈み込み帯等の弾性波速度の分布から、蛇紋岩の存在と、その地震発生様式との相関が示唆されていた。従来解釈に用いられたのは、低温型蛇紋岩の弾性波速度データだが、これは300°C以上の温度では脱水分解して別の鉱物になってしまうため適切でなく、実際、観測結果と整合しない点も指摘されていた。そこで、本計画においては、高温型蛇紋岩のP波速度、S波速度を、地震発生場の高温・高圧を再現して計測した（富山大学、大阪大学[課題番号：1410] 、産業技術総合研究所[課題番号:5008]、鏡味他, 印刷中、渡辺他, 印刷中）。さらに、蛇紋岩は鉱物の結晶方向が普通はよくそろい、異方性の強い岩体を形成するため、速度異方性についても実験データを取得した。これらのデータを、従来、低温型蛇紋岩のデータとの比較から蛇紋岩の存在が示唆されていた関東地方のトモグラフィ結果と比べてみると、高温型蛇紋岩自体の弾性波速度だけではトモグラフィで示唆されるほど低い弾性波速度にはならず、さらに、間隙水が存在していることが必要であるとの結論を得た（図30）。また、蛇紋岩は非常に高い電気伝導度を示すことがあり、電磁気学的手法での観測的検出が期待されるが、蛇紋岩の試料分析と、さまざまな温度での電気伝導度測定の結果、電気伝導度が高くなるのは、蛇紋岩生成時に副産物として生成される磁鉄鉱が、連続性よく分布した場合にのみ生じる結果であり、その条件がみたされないときは、カンラン岩と同程度低い電気伝導度であることが分かった（東京大学地震研究所、富山大学[課題番号：1410]）。沈み込み帯の具体的物質については、統合国際深海掘削計画（IODP）で南海掘削試料の回収が始まっており、その実験によって、今後ますます現実的な物性データが得られるだろう（海洋開発研究機構 [課題番号：4003]、千葉大学、東京大学地震研究所[課題番号：1409]、 Kuramoto et al., 2008、木下他, 2008）。

（岩石の物性測定のための人工合成岩石の開発）
　電気伝導度、透水性などの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微小亀裂を含むという問題がある。このために亀裂が全くない細粒多結晶体を得るための合成法を開発した。この人工岩石は、粒界の化学的性質に支配される地震発生層最深部以深の物性や変形過程を、常温・常圧のもとで再現することができるため、脆性‐塑性遷移領域での物性研究を刷新しうる画期的なものである（東京大学地震研究所[課題番号：1410]）。

（弾性波透過による摩擦固着状態のその場観察）
  地震シミュレーション等では、時々刻々変化する摩擦面の固着状態と、載荷せん断応力のかねあいで滑り速度が決まるという形の摩擦構成則を用いる。固着状態（摩擦強度）は断層を滑らせるのに必要な応力は、各瞬間の摩擦面の物理的状態で決定される量であるから、それを別の方法ではかれば、非破壊的にモニターすることが可能である。適切な周波数の弾性波の断層面を透過させることで、これが定量的に可能なことが示され、固着滑り実験においては、載荷せん断応力がピーク値に達するより前に、物理的な固着のはがれは大方完了することが分かった（図31）（東京大学地震研究所[課題番号：1410]、Nagata et al., 2008）。また、予め断層面のない岩石に破断面ができるときも、周波数によって、弾性波の透過率の変化が大きく異なることが分かった（立命館大学 [課題番号：1410]、Yoshimitsu et al., 2008）。

（地殻岩石中における間隙水のふるまい）
  断層面を含む大きな岩石試料に封圧をかけて透水性をはかれる実験装置を開発し、断層面は、高い封圧をかけても高い透水性を保つことが示された （Nemoto et al., in press、Watanabe et al., 2008）。さらに、地震発生層深部での熱水化学反応による亀裂の充填（Okamoto et al., 2008）を予測する基礎データとして、水‐NaCl‐H20系の地殻流体の臨界温度周辺での状態方程式を実測する装置を開発した。さらに、誘電率を鍵として、様々な組成の地殻流体の溶解度を少数の実験データから予測する理論的枠組みが開発された（東北大学、広島大学[課題番号：1410]）。 粘土鉱物を含む断層ガウジの摩擦試験においては、粘土鉱物の存在比に依存する摩擦強度・浸透率の変遷、水を内包する粘土鉱物・蛇紋岩などの脱水が断層内の間隙水圧を上昇させる過程などが明らかになった（産業技術総合研究所 [課題番号:5008]）。

展望と課題

　「地震発生の素過程」は第2次新地震予知研究計画から始まった研究計画であるが、当初の予定以上に多くの画期的な成果がだされた。これは、地震予知という目標に対して、実験分野の多くの研究者が協力して装置の開発を含む研究にとりくみ、新たな発想での学際的アプローチを始めたことが要因であろう。近年構造探査等で詳細にわかってきている弾性波速度についても、物質科学的な解釈を与えられるようになってきた。今後の課題としては、より広範囲での条件でのデータの取得と、物性の基礎的理解の深化により、天然の条件への知識の適用の妥当性を、様々な項目において適切に判断していくことがあげられる。

参考文献

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図30：高温型蛇紋岩の弾性波速度。赤線は蛇紋岩化に伴う速度変化(水を含まないとき)。紫、緑、青は蛇紋岩に水が含まれる場合（割れ目のアスペクト比がそれぞれ0.001, 0.01, 0.1）（富山大学[課題番号：1410]）。

図31：岩石滑り実験における固着状態の変化。準静的接触時に回復した固着(摩擦強度)がわずかな滑りによって減少する。その変化はP波透過率でモニターできる(東京大学地震研究所[課題番号：1410])。