地殻活動データに基づく断層の力学的特性・状態の推定

平成20年度年次報告

課題番号：1205

（1）実施機関名：

　東北大学大学院理学研究科

（2）研究課題（または観測項目）名：

　地殻活動データに基づく断層の力学的特性・状態の推定

（3）最も関連の深い建議の項目：

　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

（4）その他関連する建議の項目：

　1．（3）ア．断層面の不均質性
　1．（4）ア．摩擦・破壊現象の物理・化学的素過程

（5）本課題の平成16年度からの5ヵ年の到達目標と、それに対する平成20年度実施計画の位置付け：

　本課題の目標は、地震活動や地殻変動といった観測可能な情報から、断層やプレート境界における摩擦パラメータや破砕度を推定することである。試験機の制約などにより限られた条件のもとでしか実験が行われていないが、これまでに行った室内摩擦すべり実験で、断層の摩擦特性とAE活動との間に密接な関係があることが明らかになっている。平成16年からの5ヶ年においては、AE活動と断層面の摩擦特性の間に成り立つ、より一般的な関係を解明するべく、実現可能な実験条件の範囲を広げるために試験機の改良を行ってきた。また、室内実験の結果を天然の地質構造に適用することの妥当性を検証するために南ア金鉱山においてAE観測網の展開を行っている。平成20年度は、これまでに開発した大変位すべり装置を用いた実験を継続する。また、南ア金鉱山で観測したAEと歪の解析を行い、室内実験の結果を天然の地質構造に適用することの妥当性を検証する。

（6）平成20年度実施計画の概要：

　室内すべり実験により、AE活動や相似イベントの活動と摩擦特性や載荷条件の関係を明らかにする。また、南ア金鉱山の観測でえられたデータの解析を行う。これにより、5ヶ年計画の当初目標の達成をめざす。

（7）平成20年度成果の概要：

　南ア金鉱山のひとつであるムポネン金鉱山に展開したAE観測網の直近で2007年12月27日に発生したM2.1の地震では、前駆的AE活動が観測された。前駆的AEは少なくとも本震の約3ヶ月前から発生しており、その震源は、余震分布から推定された断層面上に分布していた（図1）。観測されたAEのマグニチュードの下限は "4 0 "5と推定される。本震直前にAE活動が急速に活発化する現象は見られなかった。
　室内実験では、摩擦すべりに伴って発生するAEの波形から、震源サイズと応力降下量を推定した。震源サイズは、断面の特徴的不均質のひとつである岩石試料の鉱物粒径と同程度であった。応力降下量は、巨視的な剪断応力と同程度であった。累積すべりの増加に伴い、応力降下量は減少するが、震源サイズはほとんど変化しなかった。すべりの前後での断層面形状の比較から、波長が鉱物粒径程度の断層面形状はすべりによって摩耗しないが、それよりも短波長の形状はすべりに伴って著しく摩耗することがわかった。このことから、AEの応力降下量は、断層面上の短波長のかみ合いによって規定されていることが推定される。

図1．南ア金鉱山で発生したM2.1の地震の余震分布。青破線は、ダイクと母岩の境界。観測網を展開した坑道（深さ約3.5km）を灰色の帯で表している。おおよその余震活動域を黒四角で囲んでいる。

（8）平成20年度の成果に関連の深いもので、平成20年度に公表された主な成果物（論文・報告書等）：

　Yabe, Y., Evolution of source characteristics of AE events during frictional sliding, 2008, EPS, 60, e5‐e8.

（9）本課題の5ヵ年の成果の概要：

　室内すべり実験によって、摩擦すべりに伴うAEの発生頻度や規模分布が、断層のすべり量とすべ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。えられた摩擦特性分布は、過去に発生した大地震のすべり域（アスペリティ）の分布と矛盾しないものであった（図2）。
　室内実験と自然地震の間には、時空間的に数桁のスケールギャップがある。このギャップを埋めるために、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、1万個を超える余震AEを観測した。また、本震断層上では、3ヶ月程度前からAEが発生していた。解析は現在進行中であるが、これは、100m規模の断層の形成過程を明らかにする上で貴重なデータである。

図2．プレート境界の地震活動とすべり速度の関係に室内実験結果を適用して推定した摩擦特性分布。オレンジ色はすべり速度境界域を青はすべり速度弱化域を表す。コンターは、Yamanaka and Kikuchi (2004)により推定されたアスペリティ。

（10）実施機関の参加者氏名または部署等名：

　矢部康男
　他機関との共同研究の有無：有
　東京大学地震研究所　中谷正生
　立命館大学　小笠原宏、川方裕則
　ドイツ地球物理学研究所（GFZ）　G. Dresen

（11）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：東北大学大学院理学研究科　地震・噴火予知研究観測センター
　電話：022‐225‐1950
　e‐mail：zisin‐yoti@aob.geophys.tohoku.ac.jp
　URL：http://www.aob.geophys.tohoku.ac.jp/