実験と自然観察が明らかにするミクロとマクロの地震の関与する地殻流体の実態

課題番号：1214

（1）実施機関名：

東北大学大学院環境科学研究科・理学研究科

（2）研究課題（または観測項目）名：

実験と自然観察が明らかにするミクロとマクロの地震の関与する地殻流体の実態

（3）最も関連の深い建議の項目：

2（4）ア．岩石の変形・破壊の物理的・化学的素過程

（4）その他関連する建議の項目：

2（4）イ．地殻・上部マントルの物性の環境依存性
2（3）（3‐1）イ．先行現象の発生機構の解明
2（2）（2‐1）ア．アスペリティの実体

（5）平成20年度までの関連する研究成果（または観測実績）の概要：

 [新規研究]

（6）本課題の5ヶ年の到達目標：

　地殻流体が地震の発生に強く関与していることが指摘されているが，地震に関与する地殻流体の物理化学的性質および動的挙動についての知識は希薄である．特に地震発生帯の温度・圧力条件（300℃‐500℃，1kb‐10kb）での地殻流体の基本的性質についての理解が進んでおらず，状態方程式，化学反応性，流体分子構造，輸送現象の解析などが未整備の状態である．地殻流体の基礎情報を充実させるとともに，これらの基礎知識を地震発生メカニズムの解明に結びつける必要がある．
　本研究課題では，地殻流体の熱物理，化学反応，分子構造，輸送現象，破壊現象との関わりを先端設備を用いた室内実験や数値シミュレーションにより明らかにするとともに，地上に露出した化石地震発生帯の野外観察（岩石‐水相互作用）などの情報を融合させて，地震発生における地殻流体の役割と振る舞いについての検討を進める．

（7）本課題の5ヵ年計画の概要：

　平成21年度においては，地殻流体状態方程式を構成する基本パラメータについて，地震発生に関係する特定のPTX（Xは化学成分）領域で検討を行い，また， 地殻流体の誘電率の見積もりに関連して，H₂O‐NaCl系流体中の石英の溶解度から流体の誘電率を見積もるアルゴリズムを開発し，これを用いて，既存のH₂O‐NaCl系流体中の石英の溶解実験データを基礎に，流体の誘電率の検討を行う．合わせて，誘電率と水  岩石相互作用の解析に広く用いられているSUPCRT92のデータ構造との整合性を，既存の石英＋珪灰石（又は単斜輝石）の溶解実験データを用いて検証する．鉱物表面と地殻流体との相互作用に関わる研究として，鉱物界面におけるH₂O‐CO₂の混合流体と鉱物との相互作用および鉱物界面での流体分子を明らかにする．また，地殻流体のマクロ的なダイナミクスとして，チャネリングフローに関する検討を行い，岩石内の3次元き裂の優先流路の形成の時間発展を明らかにする流体流動実験を行う．これらの実験的検討とともに，領家変成帯，三波川変成帯における流体通路（鉱物充填脈）の分布，特性を評価し，母岩の温度構造と流体の物理化学的特性との関係を明らかにする．さらに固体圧試験器を用いて，水が存在する環境下での長石の流動性についての検討を行う．
　平成22年度は，代表的な組成の地殻流体（H₂O+NaCl+CO₂）の状態方程式確立のため，および地震発生領域での地殻流体の誘電率を明確化するために，地既存のデータが無い温度・圧条件下でのH₂O‐NaCl系流体中の石英＋珪灰石系の流体の誘電率を見積もる．また，鉱物表面の構造化された水による鉱物の破壊に及ぼす影響についての実験的検討を進め，これに加えて地殻内部における岩石の脱水過程を実験的に再現し，地殻流体の発生メカニズムを明らかにする．地殻内のチャネリングフローに関わる実験として，3次元構造を持つき裂ネットワーク内の流体流動を予測するシミュレーションコードを開発し，封圧下における3次元優先流路の発達を解析するとともに，優先流路の時間発展を明らかにする．また，流体包有物と水‐岩石相互作用の自然観察として，変成帯における流体の起源を明らかにするとともに，岩石の脱水による流体発生の実験結果と融合させ，沈み込み帯における地殻流体の発生と移動現象を解明する． さらに固体圧試験器を用いて，水が存在する環境下での長石の流動性についての検討を行う．
　平成23年度は，地殻流体の状態方程式の整備に関連して，代表的な組成の地殻流体（H₂O+NaCl+CO₂）の中でも，高濃度NaClあるいは高濃度CO₂水溶液についての検討を行，H₂O‐NaCl系にCO₂を加えた3成分系地殻流体の誘電率を理論的に求め，誘電率の温度・圧・組成に関する依存性を定式化する．また，鉱物表面と地殻流体との相互作用に関連する検討として，化学反応と破壊現象の相乗作用を実験的に明らかにして，地殻流体と地殻の破壊との因果関係を示す．また，岩石の脱水実験を行い，脱水過程と岩石の溶解，沈積及び変質・変成過程について検討を行う．これらの実験にあわせて，地殻内部における優先流路の発達過程と固着域との関係するために，室内実験規模と実際の地殻現象との空間的，時間的スケールの差異を検討を行い，チャネリングフローのフラクタル的解析を通じてスケールアップの方法論を明らかにする．また，流体包有物と水‐岩石相互作用の自然観察から変成岩の破壊現象と流体との関わりについての野外観察を行う．さらに固体圧試験器を用いて，水が存在する環境下での長石の流動性についての検討を行う．
　平成24年度は，定式化されたH₂O‐NaCl‐CO₂系流体の状態方程式と誘電率を組み込んだ，流体  岩石相互作用シミュレーション用のコアとなるコードを開発する．また，鉱物表面と地殻流体との相互作用に関連して，化学反応と破壊現象の相乗作用を実験的に示し，地殻流体と地殻の破壊との因果関係を明確に示す．また，岩石の脱水実験を行い，脱水過程と岩石の溶解，沈積及び変質・変成過程について検討を行う．これに加えて，室内実験と実現象の時間的，空間的スケールの差異を考慮した地殻内部でのチャネリングフローのモデルを提案する．また，自然観察として，変成帯における流体包有物の解析から，流体の起源を明らかにするとともに，岩石の脱水による流体発生の実験結果と融合させ，沈み込み帯における地殻流体の発生と移動現象を解明する．さらに固体圧試験器を用いて，水が存在する環境下での長石の流動性についての検討を行う．
　平成25年度は，地震発生帯の条件に合わせた地殻流体状態方程式を確立させ，これをさらに発展させて，ヒーリング等に関わる問題に適用することを試みる．また，地殻流体  岩石シミュレーションのコアコードを発展させて，地震発生予知に要求される流体  岩石相互作用シミュレータを作成する．さらに，鉱物表面と地殻流体との相互作用として，化学反応と破壊現象の相乗作用を実験的に示し，地殻流体と地殻の破壊との因果関係を明らかにし，これに加えて岩石の脱水実験を行い，脱水過程と岩石の溶解，沈積及び変質・変成過程について検討を行う．チャネリングフローに関わる実験として，観測から推定されるアスペリティーの分布と，実験及び数値シミュレーションから推定される優先流路とアスペリティーのモデルとの比較を行う．また，流体包有物と水‐岩石相互作用の自然観察：付加帯，変成帯における流体の起源を明らかにするとともに，岩石の脱水による流体発生の実験結果と融合させ，沈み込み帯における地殻流体の発生と移動現象を解明する．さらに固体圧試験器を用いて，水が存在する環境下での長石の流動性についての検討を行う．

（8）実施機関の参加者氏名または部署等名：

東北大学大学院環境科学研究科　土屋範芳
東北大学大学院理学研究科　大槻憲四郎，武藤　潤

他機関との共同研究の有無：有
広島大学大学院理学研究科　星野健一

（9）公開時にホームページに掲載する問い合わせ先

部署等名：東北大学大学院環境科学研究科
電話：022‐795‐4851
e‐mail：tsuchiya[at]mail.kankyo.tohoku.ac.jp
URL：http://geo.kankyo.tohoku.ac.jp/gmel/