(1) 課題番号：0109

 

(2) 実施機関名： 東京大学地震研究所地震予知研究推進センター

 

(3) 実施課題名：震源核に関する実験的研究

 

(4) 本課題の5ヵ年計画の概要（以下の4-1、4-2、4-3について答える）

(4-1) ｢地震予知のための新たな観測研究計画の推進について」（以下、建議）の項目（数字の項目まで、最も関連の深い項目を記入する）：

１．(3) 直前過程における地殻活動

 

(4-2) 関連する「建議」の項目 (建議のカタカナの項目まで、複数可)：

1．(3)ウ，1．(2)エ，ウ，1．(3)ア，イ，1．(4)ア，3．(1)ア

 

(4-3) 「5ヵ年計画全体としてのこの研究課題の概要と到達目標」に対する到達した成果：

（「12年度計画で述べた「期待される成果と地震発生予測におけるその意味」に対する成果を明示する」)

震源核に関する実験的研究は，次の四つの小研究課題

(I)「せん断破壊過程を支配する構成法則の地震発生場環境要因依存性と歪速度依存性の定量的評価」

(II)「間隙水流動と破壊核の相互作用に着目した，破壊に伴う電磁気シグナル発生のメカニズムの解明」

(III)「すべり破壊核形成過程のモニタリング手法の開発」

(IV)「大型剪断試験機によるアスペリティの相互作用の研究」

に大別される．このうち(IV)は平成12年度から新たに追加された課題である．

小課題(I)：

破壊現象という本来的にスケール依存性を示す現象を記述する物理法則が存在するなら，その物理法則は，スケール依存性を内包し，破壊現象固有のスケール依存性物理量を自ずと統一的に説明するはずのものであり，またそうでなければ破壊現象を記述する物理法則(構成法則)と呼ぶに相応しくない.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必要がある．摩擦すべり破損と破壊の室内実験データから，このような定式化が可能であることを実証し，しかも構成法則を拘束するスケーリング関係式を得た(図１および２)．また，構成法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ことを明らかにした．以上の結果と理論的考察から，破壊現象固有のスケール依存性物理量のスケール則を導出すると共に，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が定量的かつ統一的に説明されることを示した．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を考慮することにより，そのスケール依存性が定量的に説明されるだけでなく，摩擦すべり破損とせん断破壊エネルギーも統一的に取り扱うことが可能となる(図３および４)．震源核がサイズスケール依存性を示すことも全く同様にして実証された．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ュミ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.

小課題(II)：

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メカニズムを実験を通じて明らかにし，測定された電磁気信号から破壊の準備過程がどこまで進行しているかについて拘束条件を与えられるような定量的モデルを構築することを目指す．これまでの研究により，基本的なメカニズムを明らかにした．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件しかなく，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．本研究ではゼータ電位が温度とともに増大することを示す明瞭なデータが得られた．

小課題(III)：

模擬断層面に弾性波を照射し，透過波動を観測することにより，最終的な動的破壊に至る過程で，前兆的なすべりに伴う透過波動の変化が検出されることが分った．この変化は振幅のみならず，位相の変化としても現れ，長波長の波動により顕著に見られることが見出された(Iwasa and Yoshioka, 2000)．また，前兆的なすべりの大きさは，断層面上に存在するアスぺりティの接触半径に依存することが明らかとなった(Iwasa and Yoshioka, 2001)．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).

小課題(IV)：

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．本課題では，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, 2001)．図5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．

 

(5)　平成12年度成果の概要（以下の質問に答える）

(5-1) 「平成12年度全体計画骨子の補足説明　３．具体的な課題提案の背景」のどの項目を実施するのか（複数の項目に関係している場合は、主たる項目と、関連した項目に分けて記入する）：

(4) 地震発生に対する地殻流体の役割

(4)-2. 断層面の破壊強度に対する地殻流体の役割

及び

(5) 断層面上の強度と応力の時空間分布

(5)-1. すべり発生の条件

(5)-2. 不均一な強度場での破壊核成長過程

(5)-3. すべり分布の再現性の検証

(5)-4. 応力・強度分布推定法の開発

 

(5-2) 平成12年度項目別実施計画のどの項目を実施するのか（複数の項目に関係して

いる場合は、主たる項目と、関連した項目に分けて記入する）：

３．「直前過程における地殻活動」研究計画

[I]地殻流体の関与する過程の解明

(Ia)　室内実験　

[II]破壊核成長の過程の解明

(IIa)室内実験　

 

(5-3) 平成12年度に実施された研究の概要：

小課題(I)：

高圧高温岩石破壊装置により構成法則の地震発生場環境要因(温度,圧力,間隙水,歪速度,破損面形状不均一など)依存性の定量的評価のための実験を継続した.実験室内摩擦すべり破損およびせん断破壊データ,地震破壊データを用い,室内実験および理論的に予測されたスケーリング関係式の検証を実施した.

小課題(II)：

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メカニズムを明らかにするための室内実験を中高温下で行い，流動電流係数が温度とともに増大するという結果を得た．

小課題(III)：

破壊核成長過程をモニターするための実験的研究を継続し，地震波を放出する前段階のプロセスにおける人工的透過波動の変化を解析した．また，断層の接触状態（アスペリティ接触の大きさと分布など）に対する，透過波動の周波数依存性に着目した解析を行った．

小課題(IV)：

ひとつのアスペリティが破壊するイベントと複数のアスペリティが破壊するイベントを模擬断層上に発生させ，どのような条件によって破壊サイズが決まるか調べる実験を実施した．

 

(5-4) 「平成12年度の到達目標」に対する成果の概要：

小課題(I)：

摩擦すべり破損と破壊の室内実験データから，両者の破損過程を統合する定式化が可能であることを実証し，しかも構成法則を拘束するスケーリング関係式を見出した(図１および２)．構成法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ことを明らかにした．以上の結果と理論的考察から，破壊現象固有のスケール依存性物理量のスケール則を導出すると共に，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が定量的かつ統一的に説明されること示した．

小課題(II)：

昨年度までは室温実験のみ行ってきたが，平成12年度は中高温実験をするためにヒータや温度制御装置なとを整備し，流動電流係数の温度依存性を求めた．ただし100度C以上での高温実験の目処はたっていない．

小課題(III)：断層近傍における応力やすべり変位をモニターする以外の方法で破壊核を検出する手法の開発してきたが，かなり見込みがあることがわかってきた．ので，平成12年度においても一層追及し，この手法の可能性を見極める．

小課題(IV)：

不均質な法線応力場での破壊核の成長，動的破壊への移行，破壊の伝播と停止を大型岩石試料の断層面上で観察し，アスペリティの相互作用を明らかにすることを目指している．大型装置では破壊を断層面の途中で停止させることが可能であるという特徴を生かした実験を行い，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見られるという結果を得た．この結果がどの程度一般化できるか調べることが今後の課題である．

 

(5-5) 共同研究の有無（機関・グループとの共同研究の場合は、その旨明記し、さらに観測の場合には、実施予定時期と場所、参加人数概数も明記する）：

小課題(II)は理化学研究所（地震国際フロンティア研究プログラム）との共同研究，小課題(III)は横浜市立大学との共同研究．

 

(5-6) 平成１２年度の成果に関連の深いもので、平成１２年度に公表された成果（出版された論文、学会大会等での発表、会議報告等を科研費の申請書に倣って書く「著者名、論文名、学協会誌名、巻(号)、最初と最後のページ、発表年(西暦)、著者名が多数にわたる場合は、主な著者を数名記入し以下を省略」）

小課題(I)：

1) Ohnaka, M., A physical scaling relation between the size of an earthquake and its nucleation zone size, Pure and Appl. Geophys., Special Volume, 157, 2259-2282, 2000.

2) 加藤愛太郎・大中康譽, 岩石破壊過程の安定・不安定性に及ぼす水の役割, 地学雑誌, 109(4), 554-563, 2000.

3) Ohnaka, M., A unified comprehension for small-scale fracture and frictional slip failure in the laboratory, and large-scale earthquake rupture in the Earth, an invited paper presented at the International School of Geophysics Meeting held in Erice, Sicily, Italy, June 2000.

4) Ohnaka, M., A physical scaling law for the unified comprehension of laboratory data on fracture and friction, and seismological data on earthquake rupture, an invited paper presented at the 2000 Western Pacific Geophysics Meeting held in Tokyo, June 2000.

5) Ohnaka, M., A constitutive scaling law that unifies the shear rupture from small scale in the laboratory to large scale in the Earth as an earthquake source, a paper presented at the 2^nd ACES Workshop held in Tokyo and Hakone, October 2000.

6) Ohnaka, M., A constitutive scaling law and a unified comprehension for frictional slip failure, shear fracture of intact rock, and earthquake rupture, a paper submitted for publication in J. Geophys. Res., 2000.

7) Odedra, A., M. Ohnaka, H. Mochizuki, and P. Sammonds, Temperature and pore pressure effects on the shear strength of granite in the brittle-plastic transition regime, a paper submitted to Geophys. Res. Lett., 2000.

8) Kato, A., M. Ohnaka, and H. Mochizuki, Constitutive properties for the shear failure of intact granite in seismogenic environments, a paper submitted for publication in Geophys. Res. Lett., 2000.

小課題(II)：

1) Yoshida, S., Convection current generated prior to rupture in saturated rocks, J. Geophys. Res., 106, B2, 2103-2120, 2001.

小課題(III)：

1) Iwasa, K. and N. Yoshioka, Monitoring the contact state of a fault by transmission waves --- Results of an observatory experiment, 2000 Western Pacific Geophysics Meeting, AGU, held at Tokyo, June 27-30, 2000.

2) Iwasa, K. and N. Yoshioka, A laboratory experiment to monitor the contact state of a fault, in preparation, 2001.

3) Funahashi, F. and N. Yoshioka, Effects of contact geometry of faults on transmission waves, Pure Appl. Geophys., in press, 2001.

小課題(IV)：

1) Yoshida, S., and A. Kato, Single and double asperity failures in a large-scale biaxial experiment, Geophys. Res. Lett., 28, 3, 451-454, 2001.

2) Yoshida, S. and A. Kato, Rupture sequence with single and double events in a laboratory experiment, 2nd ACES workshop, October 15-20, Tokyo & Hakone, Japan, 204-208, 2000.

 

(6) この課題の実施担当連絡者

氏名：吉田真吾

電話：03-5841-5814

FAX：03-5689-7234

E-mail：shingo@eri.u-tokyo.ac.jp