第４章　「直前過程における地殻活動」研究計画

 

 

１．はじめに

 

地震発生の直前予知のためには，地震発生準備過程の最終段階において活性化する物理・化学過程をモデル化し，その妥当性を検証することが必要である．そのために，前駆的現象の発現機構に関する観測研究，前駆的現象検出のための技術開発，前駆的現象の発現メカニズムを解明するための実験的・理論的研究を進めている．

地震発生準備過程のどの段階からを最終段階，すなわち「直前過程」，とみなすかはどのような視点から見るかに依存するだけでなく，多くの現象が連続的に最終段階に移行するため，「準備過程」と「直前過程」の境界ははっきりしない．また観測研究については，準備過程における地殻活動を把握するための観測項目，手法と本質的な差はない．そのこともあり，「直前過程における地殻活動」に関連するいくつかの問題が「準備過程における地殻活動」など他の計画推進部会に登録された研究課題で扱われており，平成12年度までに「直前過程における地殻活動」に登録された研究課題が，「直前過程における地殻活動」に関連した重要な問題を全てカバーしているわけではない．よって，「準備過程における地殻活動」研究など他のグループの研究と有機的に連携させながら進めていく必要があるが，本章では「直前過程における地殻活動」に登録された研究課題の成果について述べる．

 

2． 主な研究課題の成果

 

(1) 震源核の実験的研究

 

破壊現象は本来的にスケール依存性を示す現象である．したがって，破壊現象固有のスケール依存性物理量を統一的に説明できるような，破壊の物理法則(構成法則)を確立することが重要である．また地震破壊は，所謂摩擦すべり破損と岩体の破壊がミックスした不均質断層の破壊過程であるから，地震破壊過程を支配する物理法則は岩体の破壊と摩擦すべり破損の両者を統一的に説明するよう定式化するのが望ましい．11年度までの研究により，破断面形状のパワースペクトルのコーナー波長や構成則における臨界すべり量がスケーリングの鍵となるパラメターであることを明らかにしてきた（加藤・大中, 2000）．12年度は室内実験データから，このふたつのパラメター（コーナー波長と臨界すべり量）と，応力降下量や最大応力との間に成り立つ関係が，摩擦すべりと破壊とで同一の関係式で示されることを見いだした（東京大学地震研究所［課題番号：0109］）(図１)(Ohnaka, 2000a-d)．すなわち，岩体の破壊と摩擦すべり破損の両者を統一的に説明するような定式化がなされた．この関係式は構成法則を拘束するスケール依存性を表わしている．上の実験式には破断面形状のコーナー波長がパラメターとして含まれていることから，構成則のスケール依存性は，不均質物体破断面形状が平面でなく不均一構造を有することに由来すると考えられる．以上の結果と理論的考察から，実験室規模の摩擦すべり破損とせん断破壊のデータおよび大地震データを，定量的かつ統一的に説明することを試みた．例えば，破壊エネルギーを単に物質定数と認識する限り，何故せん断破壊エネルギーがスケール依存性を示すのかは理解不能である．しかし，せん断破断面の形状不均一の効果を含む上述の関係式(図１の中に記載)を用いることにより，破壊エネルギーも，摩擦すべりとせん断破壊の両者についてスケール依存性を有する式で書き表される(図１)．このようにして定式化された構成法則が，地震発生場における温度，封圧力，間隙水圧力などの環境要因の影響をどのように受けるのかを実験的に詳しく調べ，その依存性を定量的に明らかにした．以上の研究成果は，大地震の発生予測モデルの構築やシミュレーションを実行する上で，課すべき物理的拘束条件を提示するものである．

従来の二軸破壊実験では断層面をそれほど大きくとれなかったため，ほとんどの場合一度のstick-slip eventにより断層面全体ですべり破壊が生ずる．そのため，室内実験により最終破壊サイズに関する問題を直接扱うのは困難であった．12年度には，大型剪断試験機を用い，長さ1mの断層面上に不均一な法線応力場を作り出して，途中で破壊が止まるイヴェントを発生させ，大きさの異なるイヴェントを発生させることに成功した．断層面両側の法線応力を中央部より大きくすることにより，中央部のカップリングを弱め両側にアスペリティA, Bを生成させ，局所的な剪断歪を測定しながら固着すべり実験を行った (Yoshida and Kato, 2000, 2001)．図２に剪断ひずみの時間変化を示すが，ふたつのアスペリティが同時に破壊するイヴェント（すなわち断層面全体が破壊, double event）と，アスペリティBのみが破壊しアスペリティAがバリアとなって破壊を停止させているイヴェント(single event)とが交互に繰り返し起こっているのが見てとれる．また，前駆的な準静的な応力降下量はdouble eventの前の方がわずかではあるが大きいことが見いだされた．このことは，弱い部分で起こる破壊核の成長は隣接する強いアスペリティの応力状態の影響も受けており，結果として破壊核の臨界サイズと最終的な破壊サイズとの間に相関が生じることを示唆する．

 

(2) 地殻流体の地震発生への関与の解明

 

「地震予知のための新たな観測研究計画」では，地殻流体の地震発生への関与に関する研究が「直前過程における地殻活動」の重要課題のひとつと位置づけられている．2000年6月以降に伊豆諸島海域で生じた激しい群発地震活動に，地殻流体がどのようにかかわっているのかを調べるために地殻変動・重力の観測を行なった．また，1980年代以降，群発地震が頻発してきた伊豆半島において，全磁力連続観測，長基線自然電位連続観測，比抵抗構造探査を継続した．群発地震の続く三重県飯高町でTDEM法による比抵抗構造探査を実施した．また，破壊核と流体との相互作用に付随して生ずる電磁気現象発生メカニズムを解明するために始めた実験は，平成11年度の常温下での基礎実験を経て，12年度は100℃程度までの中高温下でも行なえるようになった．

 

 (2．1 )伊豆諸島における測地学的観測研究

 

　2000年7月-8月の伊豆諸島の群発地震活動と三宅島火山活動との関連を調査するために，新島・神津島を中心とする地域においてGPSの稠密アレイを実施し，この地域の地殻変動を検出するのに成功した(東京大学地震研究所［課題番号：0130］)．同時に，期間を区切ったインバージョンを行って，開口クラックの進展状況を時間を追って追跡する事に成功した．この結果，開口クラックの大きい領域と群発活動の領域によい一致が見られるなど，三宅島—神津島間で発生した群発地震活動のメカニズム解明が進んだ．

　三宅島・神津島において，ハイブリッド重力観測（絶対重力測定と相対重力測定の統合観測）を2000年7月以降，毎月1〜3回という高頻度で繰返した(東京大学地震研究所［課題番号：0109］)．最大の成果は，群発地震時に流体移動と亀裂生成との間に，正のフィードバックがはたらいていることを強く示唆する観測結果を得たことである（大久保，2001；古屋ほか，2001)．三宅島山頂カルデラが陥没している以上，三宅島のマグマはどこかに流出していなければならない．その流出先の水平距離・深度は，重力変化データによって，強く拘束され，三宅島から概ね水平距離15km以遠の領域にほぼ絞られることが判明した（図３）．ちょうど，神津島周辺の群発地震域と重なるので，そこへマグマが吸い出されていったと考えるときわめて自然である．これは，クラックの生成によって，その先端に生じた真空域が吸引源となっていることを強く示唆する．マグマが水平方向に吸引されると，クラック先端では実効封圧が下がり，ますますクラックが成長し，真空領域も増殖する．このような正のフィードバックがはたらいて群発地震がおきるというシナリオが提示できた．

 

 (2．2) 伊豆半島などにおける電磁気学的観測研究

 

伊豆半島の群発地震発生には地殻内流体（熱水，地下水，ガス，マグマ）が関与していると考えられており， 地震発生に関与する流体の存在を捕らえるための比抵抗構造探査と，流体の移動を捕らえるための地磁気・電位差観測が行われている（東京大学地震研究所，東工大，京大防災研，気象庁地磁気観測所，東海大学の共同研究）(笹井ほか，2001）．平成11年度までの観測により，伊東市北部の御石ケ沢(OIS)観測点で，他の伊豆の観測点には見られないような，異常な全磁力減少（5年間で−30nT）が見つかっている（図４, 東京工業大学［課題番号：0803］）．2年間を通して見ると，地域全体として全磁力がゆっくり減少している．群発地震発生域の真上に近い手石島(TIS)の全磁力も観測を継続したが，この2年間には顕著な変化がほとんど無かった．

　伊豆半島のTDEM観測のデータは３次元性を強く示す(東京大学地震研究所［課題番号：0110］)．近似的な1次元インバージョン法を適用すると，電流電極の南北で顕著な比抵抗構造の差が認められた．北側地域にあたる伊東市付近の表層数kmは非常に抵抗が低く，湯ヶ島層の分布を見ていると思われる．南側は全体として高い比抵抗値を示した（高橋ほか，2000; Takahashi, 2001)．

 同時に地殻変動の時空間変動をとらえるために，稠密アレイのGPS観測を実施した(東京大学地震研究所［課題番号：0130］)．伊東市周辺に設置された10観測点から構成される稠密アレイのGPS連続観測を11年度以降継続し，来るべき群発活動に備えている．また，2000年6月には「大学連合」による約50観測点での稠密アレイ観測を実施した．

群発地震の続く三重県飯高町でTDEM法による比抵抗構造探査を実施した．この付近の比抵抗がかなり高いため，現在の観測機器のサンプリング率(128Hz)では，比抵抗構造がうまく求められず，今後一層の技術開発が必要であることが判明した．

 

(2.3) 室内実験による電磁気現象発生メカニズム解明の研究

 

地震発生過程の研究の重要な項目のひとつに，破壊そのものと他の物理現象（流体移動，電磁気現象）や化学現象との相互作用を明らかにすることがある．このような相互作用は，地震破壊過程そのものだけでなく，地震破壊の前兆発現に大きな役割を果たしている可能性がある．平成11年度までの研究により，破壊核と地殻流体との相互作用，およびその相互作用に付随して生ずる電磁気現象発生の基本的メカニズムを実験を通じて明らかにしてきた（東京大学地震研究所［課題番号：0109］）(Yoshida, 2001)．平成12年度は，中高温実験により流動電流係数及びゼータ電位の温度依存性を調べた．震源域での値を推定するうえでゼータ電位の温度依存性を調べることは重要であるが，今まで温度依存性を調べた研究は２例しかなく，しかも温度依存性がないという結果と，温度ともに増大するという異なる結果が示されていた．本研究では稲田花崗岩について調べ，そのゼータ電位は温度とともに増大することがわかった（図６）．

 

(3) 震源核検出の手法の開発

 

断層近傍における歪や前駆的すべりの検出を狙った受動的観測手法とは異なる，能動的手法による破壊核検出の可能性を追求する研究が行われた．吉岡ほか(2000)は，能動的に高周波数弾性波を照射する大型試料のすべり実験により，破壊核を検出する手法を開発している(東京大学地震研究所［課題番号：0109］)．模擬断層面に波動を透過しつつ，負荷剪断応力を一定速度で増大し，最終的に不安定動的破壊が発生するまでの全過程で，透過波動の変化を観察した． 11年度には，透過波動のエネルギーが剪断応力の増加とともに著しく増大するが，動的破壊直前の準静的すべり（破壊核の成長）にともない，波動エネルギーの増加率が減少することを見出した．局所的な応力増加率が減少し始める時と，波動エネルギーの増加率が減少し始める時とが一致している．このことは，断層面を透過する波動が変化する様子を観察することにより，破壊核の形成過程がモニタ−できる可能性を示唆する．実際，12年度に行なった実験では，前兆的なすべりに伴って，透過波の振幅のみならず位相も変化することがわかった(Iwasa and Yoshioka, 2000)．さらに基礎的な実験として，規則的な接触面に波動を透過する実験を行い，接触面の幾何学的形状（アスペリティのサイズと空間分布の距離）が，透過波動に及ぼす影響をしらべた．波長がアスペリティサイズの４倍以下では透過波動はアスペリティの幾何学的形状によって著しい影響を受ける．それ以上の長さの波長の透過率は，これまでに得られているモデルによってうまく説明されることが明らかとなった(Funahashi and Yoshioka, 2001).

 

(4) 南アフリカ金鉱山における地震予知の半制御実験

 

応力がどの程度蓄積しているか知ることができるようになれば，地震予知研究は飛躍的に進展するであろう．前述した弾性波照射による手法開発もそのことを目的としている．微小地震活動は応力状態を何らかの形で反映していると考えられてはいるが，微小地震活動から応力状態に関する情報を定量的に抽出する手法は確立しているわけではない．京大，立命館大などを中心とする研究グループは(京都大学防災研究所［課題番号：0209］)，南アフリカ金鉱山で，地震・歪の観測を継続した(Ogasawara et al.,2001)．鉱山地震の研究は，自然地震研究のための大規模実験と性格づけられ，その最も優れた点は，“至近距離”から地震の発生に至る歪み蓄積過程，初期破壊形成過程，破壊過程などの諸過程の全過程が観測できることである．その利点を最大限に生かすために，Ｍ３級の地震発生がほぼ確実な断層から数ｍ以内の場所に石井式歪計を11年度に設置し，25Hz，24bitA/D連続サンプリングによる観測を継続した．

11年度までに，Ｓ波のスプリッティングおよびｂ値の時空間分布が応力状態の時空間分布とよく対応することが百〜千ｍのフィールドスケールで確認されるとともに(永井・他, 1999, 西井・他, 1999)，Ｍ２の地震の前に発生した地震群および余震群の震源距離100mにおける加速度波形から，Ｍ２の地震の発生の２日前からの応力低下の兆候が検出された(Sato et al., 1999)．この加速度波形から応力を推定する手法を1989年伊豆東方沖群発地震中のM5.5の地震に適用し，そこでも同様に本震発生に２日先立つ応力低下の兆候を検出した．11年度までの研究により，記録された地震波形に初期フェイズが確認されていた．この波形に対し，12年度は，Sato and Kanamori(1999)の手法を適用し，初期破壊過程の解析を行った．その結果，初期破壊時に破壊が徐々に加速したことが明らかになった．地震波形から算出される応力パラメターとしては，応力降下量，見かけ応力がよく知られているが，応力降下量は微小変化をモニターするには適さず，見かけ応力は小地震に対して規模依存性を示す．これに対し，地震エネルギーと，モーメントから期待される予測エネルギーとの比 Energy Index（EI）は安定して求められ，応力状態の変化について情報を与えることが分かった．

 

3． まとめ

 

破壊核成長モデルに基づいて考えると，地震発生準備過程の最終段階とは，テクトニックなローディングがこれ以上進行しなくとも，応力の再配分を伴って破壊核が不安定に成長を開始し，大地震の発生に至るまでの段階と考えることができる．この段階における破壊核の成長を記述するためには，高速すべりでも破綻しない構成則を確立する必要がある．大中らのグループは11年度までに，すべり変位依存性構成則を規定するパラメターを温度，封圧，間隙圧の函数として実験的に求めた．この知見を実際の震源域に適用するためには，震源域の温度，間隙圧を知る必要があるが，特に間隙圧の分布は観測によって明らかにされているわけではない．間隙圧を推定する手法の開発が重要である．間隙圧の絶対値がわからなくても，間隙圧の変化量を観測から求められるようになれば，この実験結果から破壊強度の変化を定量的に推定できる．

伊豆半島で，地震発生に関与する流体の存在を捕らえるための比抵抗構造探査と，流体の移動を定量的に捕捉することを狙う地磁気・電位差観測が伊豆半島電磁気グループにより継続されている．これまで急激に減少してきた全磁力が，最近では減少傾向が鈍ってきている．このことは，明確に最近の群発地震活動静穏化と関連している．今後全磁力がどのように変化するかをモニターすることは，今後の群発活動の推移を検討する際，非常に重要である．今後も地道に観測を継続することが望まれる．伊東市周辺は人工ノイズが大きく，従来の手法では比抵抗の詳細な構造は得ることが困難であったので，人工的ノイズに強いTDEM(時間領域電磁探査法)観測が実施され，ノウハウが蓄積されつつある．

観測された電位差などから地殻中の流体移動を定量的に推定するためには，岩石の流動電流係数などを実験により明らかにする必要がある．更に強度変化に直接影響する間隙圧変化を推定するには，地殻中の流れを規定する透水係数がどのような物理因子によりどのように決まるのか明らかにする必要がある．室内実験により，岩石破壊に至る過程で水の流動によって発生する電流が実測されるとともに，流動電流係数と透水係数との定量的関係などが求められた．これらの研究は11年度以来，着実に進展してきたのであり，今後は１００℃を超える，より高温下での実験を行ない，実際の震源域の条件下での挙動を明らかすることが重要である．将来的には，電気信号の観測から破壊核の成長に関する情報を読み取ることが期待される．

電磁気観測に加えて，地殻変動観測とハイブリッド重力観測によっても，流体移動の検出が可能であることを実証したのも１２年度の研究成果である．流体移動と亀裂生成との間に，正のフィードバックがはたらいて群発地震がおきるという作業仮説が生まれたのであるから，今後は実例を通じて検証を進めるべきであろう．

破壊核の検出には受動的観測だけでなく，能動的観測も有効であると考えられる．吉岡・他(2000)により人工震源から弾性波を放射し断層を透過する波動から破壊核を検出する手法が開発された．また，南アフリカ金鉱山の研究グループによりＳ波のスプリッティングおよびｂ値の時空間分布から応力状態の時空間分布を求めることが試みられた．

以上のように，個々の課題については平成11年度の成果を受けて12年度にかなりの進展があったと思われる．今後は，それらの成果を総合化し，有機的に結びつけていく努力が一層重要になるだろう．例えば，室内実験で得られた流動特性，流動電気特性をあらわす定数や，観測で求められた比抵抗構造などを入力して，伊豆半島の電磁気・地殻変動についての統一的な数値モデルを構築する研究を推進すべきであろう．伊豆で群発地震と関連づけて観測されている電磁気変動がその数値モデルで再現できるか，地球化学データと整合するか，などの視点から評価し更に高精度なものへ修正していく必要があるだろう．また，室内実験から推定されたスケーリング則などを，南アフリカ金鉱山での破壊現象に適用できるか，といった視点からの研究も推進すべきであろう．

 

 

文献

 

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西井聡・小笠原宏・南アフリカ金鉱山における半制御地震発生実験国際共同グループ 住友則彦，地震発生の制御実験−南アフリカ金鉱山における−（19）　震源とｂ値の決定，地球惑星科学関連学会合同大会予稿集，Sf-P005, 1999．

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大久保修平，ハイブリッド重力観測で追う，地震・火山活動−2000年三宅島火山活動と伊豆諸島群発地震活動，地震ジャーナル, 31号, 2001 (印刷中)．

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図の説明

 

図1　摩擦すべり破損とせん断破壊について共通に成立する関係式． ■：せん断破壊実験，△：摩擦すべり実験（＝100mm)，▼：摩擦すべり実験（＝200mm).（上）室内実験によって得られた，破壊構成則．Dtb：応力降下量，tp：最大応力，DC：臨界すべり量，lc：波断面形状スペクトルのコーナー波長．（下）破壊エネルギーGcのスケール依存性．

 

図2　断層面両側にアスペリティA, Bを生成させ，局所的な剪断歪を測定しながら行なった固着すべり実験 (Yoshida and Kato, 2001)．二つのアスペリティが同時に破壊するイヴェント（すなわち断層面全体が破壊, double event）と，アスペリティBのみが破壊しアスペリティAがバリアとなって破壊を停止させているイヴェント(single event)とが交互に繰り返し起こっている．

 

図3　三宅島山頂火口の陥没をひきおこしたマグマの流出域に関して，重力変化から与えられる拘束条件．(a)島北部における絶対重力観測によれば，重力変化は山頂地形変化（火口陥没）と，観測点の上下変動だけで説明できる．マグマが流出先から及ぼす重力は，２マイクロガル以内の微小量である．(b)５億立米（１０億トン）のマグマが三宅島山頂から，水平距離R，深さDに移動したときに，そこから及ぼす重力効果．(a)の結果から重力効果が２マイクロガル以内の領域でないと，観測と矛盾する．(c)２０００年７−8月の伊豆諸島群発地震震源分布．(b)の結果から予想される，R＞15kmの領域で群発地震が発生している．亀裂生成，開口断層生成などによって，この領域にマグマが吸い出されたと考えられる．亀裂生成と地殻流体の相互作用を強く示唆する．

 

図4．　伊豆半島における地磁気・地電位観測．御石ケ沢（ＯＩＳ）の異常な全磁力変化が目に付く．

 

図5　TDEM法によって得られた，伊豆半島北東部の比抵抗構造．北側には表層1−2kmに30-50[Ohm m]の低比抵抗層があり，その下には300 [Ohm m]の高比抵抗層がある.

 

図６　流動電流係数Ccの測定値（左軸）と，その測定値から粘性率と誘電率の温度依存性などを補正して得られたゼータ電位（右軸）．間隙圧の変動周波数を0.01Hzから1Hzまで変化させて調べた．