震源核形成過程のモデル化−地震直前予測モデルの確立を目指して

　地震予知研究の究極の目標は直前予知の実現である。基礎研究に責任を負う大学付置研究所に身を置く研究者として、地震発生に至る過程を物理科学的視点から解明し、その物理モデルの構築を通じて、科学的基盤に立脚した直前予測手法の確立を目指している。最近の研究の一端を紹介しよう。
　地震は、不意討ち的に突然起こるように見えても、実はそのための準備過程（破壊核形成過程）が局所的に前もって秘かに進行し、破壊核が加速成長して臨界サイズＬcに達して以後地震発生（高速破壊伝播）に至る。しかも、臨界サイズの大きい破壊核ほど一般に大地震に発達し、破壊の核形成から本震発生に至るまでの時間ｔcが長いこともわかってきた。では、Ｌcやｔcはどのような物理量によって決まるのだろうか。
　このような基本的な問題を実証的に解明するには、実験的アプローチとその結果に基づく理論的考察が欠かせない。Ｌcは、破壊法則を記述するパラメタである臨界すべり変位量Ｄcと破損応力降下量Δτbにより与えられることが理論的に示される。ただし、このＤcやΔτbは環境条件に依存する。特に、Δτbは破壊面の幾何学的不均一度にほどんど依存しないのに対し、Ｄcは大きく依存するので、Ｌcは、Ｄcによって実質的に決められ、断層の不均一度に応じて大幅に変化する。
　力学的に不均一な物質が破壊すると、その破壊面は平面でなく三次元的にきわめてぎくしゃくした破壊面となる。地震の原因となるせん断破壊過程では、この破壊面の幾何学的凹凸が破壊過程そのものに重要な役割を果たす（例えば、粗い破壊面では破壊エネルギーが大きいので、破壊は高速で伝播しにくくなる）。破壊面の凹凸（不均一さ）は、ある限界波長λc以下では自己相似（フラクタル）的性質を持つが、λcを越えるとフラクタル的性質が消えるか、フラクタル的性質は維持されるにしても、その性質が異なる（異なるフラクタル次元をもつ）ようになる。このような場合、その境界波長λcはフラクタル的不均一性を有する破壊面の特性的長さになっており、このλcで不均一破壊面（断層面）の特性的長さを代表させることができる。
　こうして定義されるλcは極めて重要な意味をもつ。なぜなら、Ｄc、Ｌc、ｔcのいずれもλcに直接比例することが岩石破壊実験と理論的考察から示されるからである。言い換えると、λcが大きい程、大きな破壊核が形成され、地震発生に至るまでの時間が長い。このことは、Ｄc、Ｌc、ｔcのいずれもλcでスケーリングされることを意味する。現実の断層はある厚みをもった断層帯を形成している。フラクタル的性質をもつ断層帯では、λcと断層帯の厚みとは正の相関を有することが室内実験で示されている。したがって、断層帯の厚みからλcを推定することも可能となるかもしれない。
　実験室規模の破壊では、λc＝10−10μm（1μmは百万分の１m）、Ｌc＝5cm−1m程度であるが、現実のM7クラス地震では、λc＝50cm−2m、Ｌc＝5km−10km程度と推定されている。今かりにλc＝1mとすると、震源核における破壊成長速度が数mm/sに達して以後本震に至るまでの時間ｔcは十数時間と求まる。以上の結果は、M7以上の地震を直前に予測することは十分な可能性があることを理論的に示唆している。

（大中　康譽　地震予知研究推進センター）