次世代プレート境界地震発生モデル構築のための実験的・理論的研究

課題番号1507

（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：

次世代プレート境界地震発生モデル構築のための実験的・理論的研究

（3）関連の深い建議の項目：

1．（4）イ．断層滑りと破壊の物理モデルの構築

（4）その他関連する建議の項目：

1．（3）ア．プレート境界地震
1．（3）イ．海洋プレート内部の地震
1．（3）ウ．内陸地震と火山噴火
1．（4）ア．構造共通モデルの構築
2．（2）ア．プレート境界滑りの時空間発展

（5）優先度の高い地震・火山噴火との関連：

（6）平成25年度までの関連する研究成果（または観測実績）の概要：

　「地殻・上部マントル岩石変形の物理過程の解明」の、粉体摩擦における粒子衝突散逸メカニズム(理論・実験)、速度・状態型摩擦則の高度化、プレート境界地震後の摩擦強度回復の検討、載荷履歴擾乱による繰り返し地震の規模・頻度変化モデル。「可観測物性の状態・環境への依存性」の、断層固着度その場監視と摩擦則の改良。「大地震サイクルと地震活動の関連を説明する物理メカニズムの提案」の、新型摩擦則の地震サイクル及び震源核形成への影響、階層的アスペリティでの震源核サイズ。「沈み込み帯のマグマ発生と地殻変動のダイナミクス」の、高封圧・高間隙圧下での含水マントル物質の摩擦挙動、東北沖地震の震源域全体のレオロジーモデル。「予測シミュレーションモデル高度化のための手法開発」の、摩擦熱と断層帯破砕による間隙圧変動に支配される地震発生モデル、媒質の不均質性を考慮した地震発生モデル、高速摩擦実験データに基づく東北沖地震と余効すべりの三次元サイクルモデル。「プレート境界地震のための地殻活動予測シミュレーション・データ同化システムの構築」の、水理物性不均一で間隙圧の深さ分布を作り、東北沖でM7級とM9の地震サイクル及び固着度を説明するモデル。

（7）本課題の5か年の到達目標：

  2011年の東北地方太平洋沖M9地震は、アスペリティと認定されていなかった領域で大きな地震性滑りが生じたものであり、地震発生予測シミュレーションにおいて有望とされてきた、摩擦特性の固定的な空間分布によってプレート境界断層が固着域（アスペリティ）と準定常的クリープ域に棲み分けられているという単純なアスペリティモデルが巨大地震には適用できないことが明白となった。実際、2011年M9の破壊域内部でのスロースリップが観測されている。また、スロースリップは、南海トラフ巨大地震の破壊域と予想されている部分の深部と浅部でもみつかっている。このような事実は、プレート境界の摩擦において時間・空間スケールによって異なった物理プロセスが働くことを示唆している。プレート境界での物理的条件や、物性に関してさまざまな仮定をおいてこのような観察を説明する仮説は既に提出されているが、仮定の妥当性を観測データだけから判断することは困難である。本課題では、室内実験・物理理論・数値シミュレーションの3つのアプローチを組みあわせて、複雑で多様なプレート境界の滑り現象に関する観測と矛盾しないと同時に、プレート境界の条件での物理化学素過程として妥当なプレート境界の断層モデルを構築することを目標とする。その成果は次世代の予測シミュレーションにおいて設定されるべき物理モデルの指針となるであろう。

（8）本課題の5か年計画の概要：

  室内実験、理論研究、数値シミュレーションは、連携を保ちつつ独立に進める。
A. 室内実験。
A1：プレート境界では、陸側プレートと海側プレートの岩盤が、未固結堆積物の層を介して接触していると考えられる。室内実験において、粉体層内に形成される剪断集中帯より十分厚い粉体層がある場合に、高速滑りによる動的な弱化によらなくても非常に長い距離にわたる滑り弱化がおこるケースが報告されている。これは、巨大地震の発生に必要な、大きなネルギーの長期にわたる蓄積を可能にするメカニズムであり、非常に長い滑り距離のとれる回転式剪断試験機を用いて、このような現象がおこる条件を探る。
A2：プレート境界の熱水条件下では、未固結堆積物は徐々に固結し、それにともなって、力学・水理特性も変化してゆくと考えられる。この様子を解明するために熱水条件下で粉体の固結実験を行う。
A3：スロースリップは、プレート境界の剪断のメカニズムが、温度・圧力・変形速度によって、脆性的なものから延性的なものに遷移することと関係している可能性がある。本課題ではアナログ物質を用いた脆性-延性の遷移の実験等を参考に物理的に妥当な形の構成則を開発する。また、より高温高圧の実験を達成することで、実際の岩石における脆性-延性遷移のデータを取得する。
A4：間隙圧の強度に対する影響は、脆性域では、「有効圧＝拘束圧−間隙圧」なる有効圧力の法則としてよく確立されている。しかし、プレート境界深部に存在すると考えられる蛇紋岩等では、延性変形の効果によって大きなずれが生じることが考えられるため、高温高圧実験による拘束をめざす。
B. 理論的研究においては、微視的素過程から摩擦構成則を構築し、実験室データを断層に適用するめに必要となるスケーリング則を調べる。そのために、断層スケールでの地質学的不均一性及び断層面の不規則形状をモデル化し、モデルの最小スケールにおいて摩擦則を与えて、より大きなスケールでの平均的な挙動を調べる。また、温度計を設置した自然断層において地震の発生を待ち、滑り域が10-100m程度のサイズの地震時の摩擦発熱量から地震時動摩擦の絶対値を推定する観測を継続する。計画の後半では、最小スケールで与える構成則に時間依存性をもたせて、理論の拡張をおこなう。
C. 断層滑りシミュレーションでは、複数の変形メカニズムを滑りモデルにとりこむために摩擦構成則の拡張を行ない、階層性を含めた構成則パラメータの不均質分布が地震発生パターンに与える影響や、滑り速度や温度等で卓越する変形メカニズムが交替することの影響を明らかにする。素過程としては、高速滑りによる動的弱化等、本課題での実験以外から知られているものも含めて、様々な素過程の競合・共存を検討する。滑りによる発熱や断層周辺岩石の破砕と間隙流体の非線形相互作用に関しては、ゆっくりとした流体移動から高速な断層滑りまでの一見多様に見える動的地震破壊を体系的に理解することをめざす。また、不均質媒質中の地震破壊伝播計算手法の開発を行い、断層周辺の不均質構造と地震断層破壊との力学的相互作用を取り入れた定量的モデルを構築する。

（9）実施機関の参加者氏名または部署等名：

東京大学地震研究所 中谷正生・亀伸樹・波多野恭弘・吉田真吾

他機関との共同研究の有無：有
東京大学大学院理学系研究科 清水以知子
青山学院大学   鈴木岳人
海洋研究開発機構  桑野修・野田博之
東邦大学   上原真一

（10）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：東京大学地震研究所
電話：03-5841-5712
e-mail：yotikikaku@eri.u-tokyo.ac.jp
URL：

（11）この研究課題（または観測項目）の連絡担当者

氏名：中谷正生
所属：東京大学地震研究所