課題番号:2906

平成22年度年次報告

(1)実施機関名

公募研究

(2)研究課題(または観測項目)名

地震発生先行過程に伴うラドン放出と地設変形

(3)最も関連の深い建議の項目

    • 2. 地震・火山現象解明のための観測研究の推進
      • (3) 地震発生先行・破壊過程と火山噴火過程
        • (3-1) 地震発生先行過程
          • ア. 観測データによる先行現象の評価

(4)その他関連する建議の項目

  • 1. 地震・火山現象予測のための観測研究の推進
    • (2) 地震・火山現象に関する予測システムの構築
      • (2-1) 地震発生予測システム
        • ウ. 地震活動評価に基づく地震発生予測
  • 2. 地震・火山現象解明のための観測研究の推進
    • (1) 日本列島及び周辺域の長期・広域の地震・火山現象
      • イ. 上部マントルとマグマの発生場
      • ウ. 広域の地殻構造と地殻流体の分布
    • (3) 地震発生先行・破壊過程と火山噴火過程
      • (3-1) 地震発生先行過程
        • イ. 先行現象の発生機構の解明

(5)本課題の5か年の到達目標

(本課題は平成22年度公募研究である)

(6)本課題の5か年計画の概要

(平成22年度公募研究計画)
 地震発生直前に地表の微小な歪みが観測されることなく、大気中ラドン濃度が上昇することが最近の放射化学的観測から明らかにされており、経験的な地震の短期予測手法として意義がある。大気中へのラドンガス放出の素過程は未解明であるものの、地震と関連した現象であるため、地殻の変形活動と関係があると考えられる。一方、(内陸)地震発生に関して、地殻深部での歪集中や応力緩和が大きな影響を与えることが測地学や地震学的観測技術の向上で明らかになってきた。一方、岩石力学的手法から地殻岩石の変形実験が行われているが、地殻深部(特に下部地殻)構成岩石の温度圧力状態での変形実験はほとんど行われておらず、下部地殻のレオロジーを十分理解しているとは言い難い。そこで、本研究では、東北大所有の岩石変形試験機を用いて、地殻変形とラドンガス放出の関連を明らかにすることを目的とする。

(7)平成22年度成果の概要

1)地震に先行する電磁気現象に関する実験的研究
 1995年の兵庫県南部地震に先立って大気中ラドン濃度異常が観測された(Yasuoka and Shinogi, 1997)ことをきっかけとして、地質の不均一性の影響を比較的受けにくい大気中ラドン濃度が、地震の発生過程を知るための観測項目の1つとなりうることが指摘されている。これに加え、従来から、様々な周波数帯に及ぶ電磁気学的現象も地震活動に先行することが知られている(たとえば、Park et al., 1997)。これらの機構解明を目指して、多くの岩石変形実験が行われてきてが、未だ先行現象の機構は不明な点が多い。実際の地震は既存の断層系の再活動によって引き起こされるが、これら断層はガウジを伴っており、その内部には断層のすべり挙動に起因する様々な内部構造が存在する。これらの内部構造の発達は、断層帯中の空隙率特性を変化させる(Zhang and Tullis, 1998)ことで、地震に先行する地表へのラドン散逸に影響を及ぼす可能性がある。しかし、これまでの摩擦滑りに関する研究からは、ガウジのすべり挙動や内部構造の発達が、電磁気特性やラドン輸送特性にどのような影響を及ぼすかについては全く明らかになっていない。そこで、本研究では、平成21年度の研究成果を精査し、模擬ガウジの摩擦滑り実験にともなう破壊核形成過程から高速破壊伝播過程への遷移時の内部構造発達過程と電磁気挙動を明らかにし、その成果をOnuma et al.(2010 accepted)に掲載した。掲載内容を以下簡単に紹介する。
 東北大学所有のガス圧三軸圧縮試験機を用いて、封圧165 MPa, 歪速度10-3/sにて室温下で摩擦試験を行った。試料には細粒ハンレイ岩の円柱状コアを、模擬ガウジは、同様のハンレイ岩を粉砕し用いた。断層面はハンレイ岩コアを長軸方向に対して50度に切断し、表面を鏡面仕上げした。試料の側面に歪みゲージを接着し、断層面上での局所的な変位(歪)や軸応力などを測定し、すべりの発達過程を調べた。また、摩擦すべり時の電磁気挙動を捉えるために、断層面に3対の銅電極を、誘導磁場を測定するために断層面に平行・直交する方向のコイルを設置した。力学・電磁気シグナルは、2MHzで同時収録した。
 実験は、試料を圧力容器内に設置し封圧165 MPa まで増圧した後、まず軸差応力が250MPaになるまで載荷し、コンパクションさせた。その後に,引き続き軸荷重を増加させ、固着すべりを発生させた.斑レイ岩試料は、コンパクション後に軸圧約500MPa、 変位0.19 mmで降伏した。降伏後、試料は歪軟化し、すべり速度約0.6 mm/sで約20 μmすべった後、約500MPaの応力降下を伴う固着すべりを起こした。ピーク強度後の歪軟化の際に、断層面上に配置した銅電極の一つに明瞭な電位変化が観察された。電極間電位の変化は、固着すべりの0.3秒前に始まり、歪軟化に伴い、単調に増加し、固着すべり直前には、変化量は約15 mVに達する。固着すべりの際には、断層面上に配置した3つの電極で、100 mVを超える著しい電位変化が観測された。また断層周囲に配置したトロイダルコイルにも誘導磁場が観測された。
 試料の微細組織観察から、ガウジ中には、剪断帯境界に約20度で斜交するR1 シアーおよび剪断帯境界に平行なboundary Y シアーが観察された。R1シアーは剪断帯内部に最も頻繁に観察され、その間隔は均一であった。また剪断帯境界には、母岩に平行に発達したboundary Y シアーが観察された。Yシアーに沿って、厚さ約数ミクロンからなるメルト層が観察された。
 これまで摩擦実験から、断層ガウジ中の様々な内部構造はすべり挙動を反映していることが知られている(例えば、Logan et al., 1992)。R1シアーは、ピーク強度を超えた直後の安定すべりの際に形成され、Yシアーはその後の歪集中過程で形成されると考えられている。これは、本実験でもR1シアーが均等な幅で、断層帯全域で観察されたことや、Yシアーに沿ってメルト層が観察されたことと調和的である。以上から、R1シアーからYシアーへの断層帯内部構造の発達は、断層ガウジがピーク強度を超えた後、歪軟化し、固着すべりにいたるすべり挙動の変化を表していると考えられる。R1シアーの発達の際に、断層ガウジは破断し、剪断面上で摩擦帯電する。摩擦帯電量(および電位変化量)は、すべり速度および接触面積(すべり面積)に依存することから、R1シアーでのゆっくりすべりの際に電位変化が徐々に増え、Yシアーの発達する高速すべりの際に大きな電位変化に至ったと考えられる。
 今回の実験で見られた安定すべりから不安定すべりへの摩擦挙動の遷移の際に、電磁気的な変動を伴う事が明らかになった。また断層ガウジの内部には、摩擦すべりに起因するRiedel剪断構造が観察され、これらはすべりの不安定性を示していると考えられる。断層運動に起因するR1およびY shearは、開口性の歪集中帯であり、断層帯の透水率を大きく変化させることが知られている(Zhang and Tullis, 1989)。固着すべりに先行するR1シアーの発達により、地震活動に先行して、断層ガウジの透水率及び空隙分布が変化し、地殻中の流体の輸送特性が変化することが考えられる。このような地震動に先行するゆっくりとしたすべりとそれに伴う断層内部での微小構造発達が、地表へのラドンの散逸量に大きな影響を及ぼす可能性がある。
 また地殻内での電磁波透過距離と地殻内物質のフラクタル構造との関係をTakahara et al.(2010)で報告し、岩石摩擦にともなう発光放電現象についての石英板pin-on-disk実験の研究結果から、震源が浅所ならば、10-1-10-8 Hzの電磁波が地表に到達可能であることを武藤ほか(2010)で報告した。

2)地震に先行する大気ラドン濃度の変化に関する観測
2-1)兵庫県南部地震で観測された先行現象間の比較
 1995年の兵庫県南部地震に先立って大気中ラドン濃度の異常が観測された(Yasuoka and Shionogi, 1997)。ラドン濃度は地震発生までの時間のべき乗則・対数周期振動モデルに従って増加しており(Yasuoka et al., 2006)、これは、地殻岩石のダメージ発展に伴うクラック・透水係数の増大による地殻内流体の流量増加を示唆している(Kawada et al., 2007)。しかし、ラドン濃度の異常上昇やその中に含まれている周期性をもたらした要因は明らかにされていない。同地震では大気中のラドン濃度の他にも地震に先立った異常が、地球物理学・地球化学の観測から報告されている。そこで本研究では、複数の異常例を比較することにより大気中ラドン濃度異常の要因を明らかにするとともに、地震発生先行過程の解明における大気中ラドン濃度観測の有用性の検討を行ったこれまでの研究成果(石川ほか, 2008; Yasuoka et al., 2009)を、単行本collected paperとしてYasuoka, Y., Nagahama, H. and Ishikawa, T. (2011) Anomalous Radon Concentration Prior to an Earthquake: A Case Study on the 1995 Kobe Earthquake, Japan. Collected Papers. LAP Lambert Academic Publishing, ISBN 978-3-8433-8451-3, paperback, 148pp.を出版した。兵庫県南部地震の先行現象として観測されたラドン濃度上昇をその他の地殻変動との関係は、以下のようにまとめられる。
 大気中ラドン濃度データを、京都大学六甲高雄観測室にて得られた地殻歪と地下水湧水量のデータ (藤森ほか, 1995)、西宮市で観測された地下水中ラドン濃度のデータ(Igarashi et al., 1995)と比較した。大気中ラドン濃度に対する大気構造の日・季節変動の影響を低減するために、ラドン濃度日最低値の残差値(日最低値と平年変動との差)を比較に用いた。大気中ラドン濃度変動に関して、数回顕著なピークが認められた。これらは、地殻歪変動・地下水中ラドン濃度変動・地下水湧水量変動のピークとほぼ一致している。特に大気中ラドン濃度は、10-6-10-8の地殻歪変化に連動している。さらに、地殻歪変動に最も対応している前駆現象は大気中ラドン濃度変動である。これは、地下水中ラドン濃度・地下水湧水量と比較して、大気中ラドン濃度変動は地質の不均一構造に影響を受けにくく、より広範囲の地殻歪変動を反映しているためと考えられる。また、大気中ラドン濃度変動の変曲点のいくつかは、遠方地震(北海道東方沖地震・三陸はるか沖地震)の地震動によって誘起された地下水湧水量のピークとほぼ一致している。これは、対数周期振動パターンには断層帯内部の歪による影響のほかにも、外部由来(例えば遠方地震)の応力による影響も含む可能性があることを示している。
 兵庫県南部地震前にとらえられた前駆変動現象の中で、大気中ラドン濃度変動が地殻歪変動に最も呼応していた。さらに、大気中ラドン濃度変動は地殻の破壊に関連するモデルで数理的に表現することができる。したがって、大気中ラドン濃度の観測が地震前兆の検出として有用であるといえる。
 また兵庫県南部地震を発生させた六甲断層系周辺の地表変位分布と大気中ラドン散逸率との関係を、Yasuoka et al.(2011 submitted) Source of anomalous radon gas and broad crustal deformation: a case study of the 1995 Kobe earthquake. Applied Geochemistry.に投稿した。

2-2)宮城県牡鹿半島における大気中ラドン濃度の観測
 地質の不均一構造の影響を比較的受けにくい大気中ラドン濃度が、地震の発生過程を知るための観測項目の1つとなりうると指摘されている(石川ほか, 2008)。他方、ラドン濃度は大気の動態に大きく依存するため(Porstendoerfer, 1994)、ラドン濃度変動は地殻の情報(例えば、ラドン散逸率の変動)のほかに気象の情報も含んでいると考えられる。したがって、通常の(つまり、地震に関連しない)変動が何に起因しているのかを明らかにする必要がある。我々は現在、宮城県牡鹿半島で観測されている大気中ラドン濃度データに、地震に関連した変動が含まれていないか検討をおこない、牡鹿半島におけるラドン濃度が特徴的な季節変動を示すことを報告した(Omori et al., 2009)。
 大気中ラドン濃度(計測期間:2005年7月~2007年10月)および気象要素(気温・風速・放射収支量・雨量;計測期間:2005年4月~2007年10月)の解析から、毎年1月から12月の各月の平均ラドン濃度日変動は、日中に低く夜間に高くなる傾向を示した。日中において風速は強く放射収支量は正の値となり、また夜間においては日中とは反対に、風速は弱く放射収支量は負の値となった。このことは、大気安定性が大気混合層・安定成層の形成・消失に伴い変動していることを示している。したがって、ラドン濃度の日変動は、大気構造の変化に伴う大気安定性の変動に起因していると考えられる。
 一方で季節変動は、日最大値に関して夏季と冬季に高い濃度となり春季と秋季に低い濃度となるバイモーダルな変動を示した。日本に到達する気団は冬季が大陸性気団で夏季が海洋性気団で異なるため、この夏季と冬季のラドン濃度の特徴は異なる要因が関係していると考えられる。さらに、風速と放射収支量から大気安定度階を求め、各月の夜間における大気安定度の頻度を調べたところ、夏季に顕著に強い安定性は認められなかった。夜間の大気中ラドン濃度変動が大気安定度と地面からのラドン散逸率に依存(Sesana et al., 2003)することを考慮に入れると、バイモーダルな季節変動には地面からのラドン散逸率変動が要因として考えられる。大気中ラドン濃度変動は、気象由来成分及び地殻由来成分に大別される。ラドン濃度変動と気温変動を関連付けることにより気象由来成分を評価し、地殻由来成分を導出するモデルを構築した。このモデルは、気温及び顕熱を観測することにより、地殻からのラドン散逸量を求めることを可能とする。地殻からのラドン散逸量は、地殻内流体の流量に依存することに基づき、地殻応力の変化に起因する地殻内流体の間隙圧変化を計算し、流量の変化を求めることが可能となった。このことにより、地殻応力とラドン散逸量の量的関係が明らかになった。これらの研究成果をOmori, Y., Nagahama, H., Ishikawa, Y., Kimura, A., Nagayama, M. and Sekine, T. (2010) Linear relations among atmospheric radon concentration, air temperature, and net radiation in nighttime, and their implications, The 19th Symposium on Boundary Layers and Turbulence, August 2-8, 2010, Keystone, USA, P3.2, Session: 3 Stable Boundary Layers. で発表し、現在国際学術雑誌に投稿準備中である。

3) 地殻のレオロジー特性
 今年度は一般的な非整数階微分粘弾性構成則を熱力学的エネルギー保存則と非整数階微分幾何学から導出し、Yajima and Nagahama (2010)で公表した。この構成則より、今後地殻のレオロジー特性を論じることが必要となった。

(8)平成22年度の成果に関連の深いもので、平成22年度に公表された主な成果物(論文・報告書等)

  • Takahara, K., Muto, J. and Nagahama, H. (2010) Skin depth of electromagnetic wave through fractal crustal rocks. IEEJ Trans. FM (Elect. Eng. Jpn.), 130, No.3, 258-264.
  • Yajima, T. and Nagahama, H. (2010) Differential geometry of viscoelastic models with fractional-order derivatives. Jour. Phys. A: Math. Theor. 43, 385207 (9pp) doi:10.1088/1751-8113/43/38/385207
      (http://iopscience.iop.org/1751-8121/43/38/385207)
  • 武藤 潤、長濱裕幸、三浦崇、荒川一郎 (2010)岩石のすべり摩擦による放電発光と地震前兆電磁気現象について、月刊地球, 通巻371, vol.32, No.8, 484-490.
  • Yasuoka, Y., Nagahama, H. and Ishikawa, T. (2011) Anomalous Radon Concentration Prior to an Earthquake: A Case Study on the 1995 Kobe Earthquake, Japan. Collected Papers. LAP Lambert Academic Publishing, ISBN 978-3-8433-8451-3, paperback, 148pp.
  • Teisseyre, R., Nagahama, H. and Majewski, E. (2010) Physics of Asymmetric Continuum: Extreme and Fracture Processes: Earthquake Rotation and Soliton Waves (Paperback, 14 Oct 2010), Springer-Verlag, 293pp. The 1st Edition. Edition (14 Oct 2010), ISBN-10: 3642087957, ISBN-13: 978-3642087950.
  • Onuma, K., Muto、J., Nagahama, H. and Otsuki, K. (2010 accepted) Electric potential changes associated with nucleation of stick-slip of simulated gouges. Tectonophysics.

(9)平成23年度実施計画の概要

 地震学・測地学的観測からは、地殻深部での歪集中が地震発生に大きな影響を与えること(例えば断層深部すべりなど)が指摘されている。一方で、微小な歪みが観測されることなく、大気中のラドン濃度が上昇しており、大気中ラドン濃度の観測が地震短期予測法として有用であることを我々は指摘した(Phys. Chem. Earth, Vol.34, 431-434, 435-440)。地震に先行するラドン濃度増加も、極微小な地殻歪の放出に起因すると考えられているが、その機構は未だよくわかっていない。これまでの本予知公募研究では、模擬断層ガウジの摩擦試験を行ない,ガウジ中でのRiedel 剪断面形成が、固着すべりに先行するゆっくりすべりを引き起こし、それに伴うダイラタンシーが大気中へのラドン散逸率増加や電磁放射を派生させる可能性を指摘した(H21年度「地震及び火山噴火予知のための観測研究計画」成果報告シンポジウムで報告、Tectonophysicsで受理)。しかし、地震学や測地学などから推定される地殻深部でのすべり(もしくは流動)機構に関して、また十分理解しているとは言い難い。そこで、本研究では、平成22年度に引き続き、東北大学所有の岩石変形試験機を用いて、地殻変形とラドンガス放出・電磁放射の関連を明らかにすることを目的とする。
 ラドン散逸・電磁放射に影響を及ぼす地表歪の原因は地殻深部での変形を反映するため、地殻全域の岩石変形特性を理解する必要がある。本研究では地殻全域にわたる温度・圧力領域をカバーする東北大学所有のガス圧・Griggs型試験機とラドンガス検出器・電磁センサーにより、地震発生先行過程に伴うラドン放出や電磁放射と地殻変形との関連を解明する。今年度の研究継続として、平成23年度研究「地震発生先行過程に伴うラドン放出・電磁放射と地殻変形」では、ガス圧試験機を用いた高精度の変形実験から、経験的に明らかとなった地震発生先行現象としてのラドンガス放出・電磁放射現象と岩石微小歪みとの関連を定量的に解明し、「地震準備過程、地震発生先行過程」としての関係を構築する。また、Griggs型試験機を用いた中部~下部地殻に相当する温度圧力条件下での変形試験から、地震発生に直結する地殻深部のレオロジー特性(たとえば水・粒径の影響)を解明し、ラドンガス放出・電磁放射の研究を組み合わせることで上部地殻から下部地殻に渡る「地震・火山現象に関する予測システムの構築」に貢献する。

(10)実施機関の参加者氏名または部署等名

東北大学大学院理学研究科 長濱 裕幸、武藤 潤、中村 教博、大槻 憲四郎

他機関との共同研究の有無

(11)問い合わせ先

  • 部署名等
  • 電話
  • e-mail
  • URL