(1) 課題番号：1501
(2) 実施機関名：大阪大学大学院理学研究科
(3) 課題名：地殻流体の実体の解明
(4) 本課題の5ヵ年計画の概要とその中での平成13年度までの成果
(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：
(2).準備過程における地殻活動
エ.構造の不均質および地殻流体に関する調査研究
(4-2)
関連する「建議」の項目(建議のカタカナの項目まで)：1.(1) ウ，(2) イ・ウ
(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：
島弧の変形過程や大地震の発生機構を理解するためには，日本列島とその周辺の地殻・最上部マントルにおける地殻流体の実体と，その空間分布および時間変化を捉え，これらの現象に対する地殻流体の役割を解明することが不可欠である．周知の通り，熱水や火成活動に伴う地震活動および地殻変動が認められている．例えば，伊豆半島の群発地震や，兵庫県南部地震の前に活発であった猪名川町の群発地震，また鳥取県西部地震の発生等において，熱水の関与が指摘されている．有珠火山や三宅島の火成活動に伴う地震活動については，言及するまでもない．
近年，地震観測においては，地震波速度構造，特にS波速度構造の解明が進み，上記の解明のための基礎となるデータがそろい始めた．観測・実験・理論等を総合して，地殻流体の実体を解明することが，本研究の目標である．より具体的には，実験室の物性データから地殻・上部マントルの流体分布を調べ，地震活動，地震波反射面，速度境界面等との時間空間的な対応関係を詳細に検討し，地殻変動の原因と，上部マントルから地表への流体の上昇経路を探り，地震発生に及ぼす流体の挙動を明らかにしたい．断層をすべらすであろう流体の移動をとらえることは，地震発生のメカニズムを理解する上で不可欠である．低速度層，高減衰層（低Ｑ値層），反射面の位置・形状，及びそれらの時空間変化に着目した観測結果を，実験室のデータから解釈し，蓄積されたデータに認められる法則性・規則性を探り，将来の地殻変動・地震活動の予測を試みる．
(5) 平成13年度成果の概要
(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：
(4) 地震発生に対する地殻流体の役割
(4)-1. 地殻流体の実体の解明
(4)-2. 断層面の破壊強度に対する地殻流体の役割
(4)-3. 島弧の変形に対する地殻流体の役割
(5-2)
「平成12年度項目別実施計画」のどの項目を実施したのか
準備過程における地殻活動
(3) 断層およびその周辺の微細構造と地殻流体の挙動の解明
(5-3)
平成13年度に実施された研究の概要
平成13年度は，高温高圧下で密閉された蛇紋岩が，脱水反応完結後（1GPa，900℃），カンラン石-輝石-H2O系となることを確認し，H2O流体の分布形態について検討を行った．X線解析により，出発物質の蛇紋岩（愛媛県東赤石山産）は蛇紋石，ブルース石，カンラン石より成り，1GPa，900℃で脱水反応完結後の固相は，カンラン石と輝石より成ることを確認した．1GPaで実測した蛇紋岩のP波速度（Vp）およびS波速度（Vs）は，脱水反応に対応する温度で著しく減少する．測定結果から，流体を含む系の物性変化が，Vs-Vp/Vsダイヤグラムにより明確に表現できることを示した(図１)．また，蛇紋石とブルース石の高温高圧相平衡関係と速度データとの対比から，Vs-Vp/Vsダイヤグラムにより試料の脱水過程と平衡状態が議論可能なことを示した．さらに，脱水完結後の蛇紋岩の弾性波速度は，カンラン石-輝石-H2O系の示す弾性波速度と整合的であった(図2)．興味深いことに，低含水量では楕円状のH2O分布により，高含水量ではチューブ状のH2O分布により実験室の測定データが再現された．この結果は高温高圧平衡実験により認められている上部マントル岩石中の流体分布と調和する．本結果は，流体を含む地球内部構成物質の物性が，構成鉱物とH2Oの物性から見積もれることを示しており，その意義は大きい．すなわち，上部地殻，下部地殻，上部マントルのそれぞれの物性が，例えば，石英-長石-H2O系，輝石-角閃石-H2O系，カンラン石-輝石-H2O系の物性から見積もれることを，今回の結果は示している．
地殻・上部マントルについては，地震波トモグラフィーの手法により，かなり詳細なVp，Vs構造が求められるようになった．低速度の原因としてH2O流体の他に，部分溶融（メルト）の存在も考えられる．しかしながらメルトの体積弾性率はH2Oのそれに比べほぼ一桁高いため，今回の鉱物-流体系の観点から，鉱物-メルト系のVp/Vs値は高くなり，鉱物-H2O系のVp/Vs値は低くなる．東北日本弧では，東北大学のグループが詳細な3次元速度構造を決定している．それらの構造は，一般に，上部マントル低速度層でVp/Vs値は高く，上部地殻低速度層でVp/Vs値は低いことを示している．今回の結果から，上部マントル低速度層はメルトの存在により，一方，上部地殻の低速度層はほぼH2O流体により引き起こされていると考えられる．
上記の議論をさらに確実なものとするため，現在，より高温高圧でのVp，Vsの同時測定ならびに減衰係数の測定を計画している．大容量のシリンダーを導入し，透過波と反射波の同時測定の可能な新たな精密測定法を発展させた．大容量のシリンダーは高温高圧での精密物性測定のみならず，天然にない純度の高い大型試料の合成にも利用できる．例えば，下部地殻の主要構成鉱物である輝石などで，化学組成がコントロールされた試料を得るには，高温高圧での合成が必要である．これによって，地殻・上部マントルの物性データを温度，圧力，化学組成，含水量の関数として決定し，地球内部の速度構造・減衰構造と照らし合わせ，流体分布について詳細に検討することが可能となる．
(5-4)
「平成13年度の到達目標」に対する成果の概要：
地殻・上部マントル構成物質の物性については，十分とはいえないが，比較的単純な系の岩石や鉱物の弾性波速度が報告されている．そこで，当初予定の室内実験を遂行する前に，まずこれまでの物性データを整理し，今後の実験計画について検討を行った．共同研究者の伊東氏(南大阪大学)による，蛇紋岩の脱水に伴う速度変化の測定を除けば，高温高圧下で流体を含む岩石のVp，Vs測定はほとんど行われていない．今後，地殻・上部マントルの主要な岩石(鉱物)-流体系について実測する必要がある．流体を含まない花崗岩や蛇紋岩のVpとVsについては，いくつか報告例があるものの，その質および量，カバーする温度圧力範囲は十分とはいえない．下部地殻を構成するはんれい岩や角閃岩については，データが限られており，今後の測定がまたれる．脱水前後の速度と脱水に伴う速度変化はもとより，定量的に流体を含ませた岩石試料に関する測定を行う必要がある．また，諸外国で行われている物性測定では，高圧下での静水圧性や流体の密封に不完全なものがあり，信頼性の高いデータを提供していく必要がある．
(5-5)
共同研究の有無：伊東和彦（南大阪大学）
(5-6)
平成13年度の成果に関連の深いもので、平成13年度に公表された成果
論文
Sato, H. and
K. Ito, H2O fluid distribution in mantle rock at 1 GPa: constraints from
Vs-Vp/Vs diagram, Bull. Earthq. Res. Inst., Univ. Tokyo, 76, 305-310, 2001.
Sato, H. and K.
Ito, Olivine-pyroxene-H2O system as a practical analogue for estimating the
elastic properties of fluid-bearing mantle rocks at high pressures and
temperatures, Geophys. Res. Lett., in print, 2002.
佐藤博樹, 高温高圧岩石物性，地球環境調査事典-調査･計測･測定･分析-，竹内 均 監修，及川武久・喜田大三・須藤隆一・竹内睦雄・中杉修身・永塚鎭男・成瀬簾二・長谷川洋作・鷲田伸明 編集，フジ･テクノシステム，東京，印刷中,
2002.
発表リスト
佐藤博樹・伊東和彦, 高温高圧下における蛇紋岩の脱水とVs-Vp/Vsダイヤグラムによる流体分布の解析, 地球惑星科学関連学会2001年合同大会予稿集，A9-010, 2001.
坪川昌平・佐藤博樹・伊東和彦，岩石の脱水と弾性波速度の変化，地球惑星科学関連学会2001年合同大会予稿集，A9-P012, 2001.
佐藤博樹・長谷川昭・中島淳一，岩石-流体系の弾性波速度と地球内部の温度・流体分布の検討，地球惑星科学関連学会2001年合同大会予稿集，Sx-001, 2001.
佐藤博樹・坪川昌平・長谷川昭・中島淳一，昇温・脱水過程における岩石の速度変化と地球内部流体層，地球惑星科学関連学会2001年合同大会予稿集，Sx-P001, 2001.
(6) この計画の実施担当連絡者
氏名：佐藤博樹
TEL：06-6850-5496
ＦＡＸ：06-6850-5480
e-mail：roki@ess.sci.osaka-u.ac.jp
図の説明
図1．
1 GPaで常温から900℃まで測定された蛇紋岩（試料891a，b）の縦波（Vp)・横波（Vs）速度のVs-Vp/Vsダイヤグラム．R1，R2，R3はそれぞれ，蛇紋石，滑石，ブルース石の脱水を示す．昇温・脱水に伴うVs-Vp/Vsダイヤグラム上での顕著な変化に注目していただきたい．点線と白抜きのシンボルは非平衡状態に，実線と黒塗りのシンボルは平衡状態に対応したデータを示す．脱水反応完結後の含水量は891aで9.6％，891bで6.6％である．高含水量に対応して，891aでVsは低く，Vp/Vsは高い．
図2．1 GPaにおける蛇紋岩の測定値（Measured，図1参照）と，カンラン石-輝石-H2O系のVs-Vp/Vsダイヤグラム．脱水後，蛇紋岩試料（891a，b）の固相はカンラン石と輝石より成り，その速度は大きな灰色の丸印で示されている．興味深いことに，脱水完結後（1 GPa，〜900℃），891a，bの速度はそれぞれチューブ状（k=2），楕円状のH2O流体分布に関する理論計算によって再現された(矢印)．この結果は，上部マントル岩石について報告されている流体分布と調和している．
