(1) 課題番号：0502.4
(2) 実施機関名：東北大学大学院理学研究科
(3) 課題名：地殻応力測定による断層と応力場の関連の解明
(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：
1．(2) 準備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)：
1．(2) イ・ウ，(3) ウ，３．(2) 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：
断層構造の解明に資することが本研究の目的である．本研究の最大の成果は野島断層において，断層中心部で剪断応力が小さいことを発見したことである．この結果は，断層面に直交した最大主応力の方向はその必然的帰結であることを示している．また，破壊による破砕帯内岩石の破壊強度の低下がこの小さな剪断応力の原因であると考えることにより，破砕帯の地震波速度から応力や断層の剪断強度が推定できる可能性を示した．これらは目標が予定していなかった知見である．
(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：
(5) の１部分 （断層面近傍の応力分布）
(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：
２．(3) の１部（断層面直近の力学的微細構造）
(5-3) 平成13年度に実施された研究の概要：
１．地殻応力測定による断層と応力場の関連の解明．
阿寺断層上野コアの変形率変化法（ＤＲＡ）による応力測定を開始した．
２．野島断層以外の断層に関する岩石試料の調査．
阿寺断層沿いの畑尻，福岡，萩原の試料の提供を，防災科技研よりいただいた．
３．断層強度に関する暫定模型の提案：模型の提案をし，検証を開始した．
４．測定法の改善：DRA の解析手法の自動化と，測定ノイズの低減をはかる努力を継続中である．
(5-4) 「平成13年度の到達目標」に対する成果の概要：
断層の剪断強度
前年度までに，野島断層沿いでは (1) 最大水平圧縮応力がほぼ垂直な断層の走向に直交していること，(2) 断層の中心部約100m 以内で，最大剪断応力の法線応力に対する比（r）が 0.15 から 0.21 程度で，周囲と比べて小さいという測定結果を得た． この結果から，(1) が (2) の必然的帰結と考えてもよいことが分かった．このことはまた，主応力の部分的な直交性だけから断層が weak であると結論づけるには不十分であることを示している．
適当なモデルをたてると，断層が weak である条件として，破砕帯が断層面に働く応力の法線成分に対して大きなヤング率を，剪断成分に対して小さな剛性率を持てばよいことがわかる．一方，岩石破壊実験から得られた破壊過程の理論と巨視的弾性定数に関する理論（これらはともに地震予知計画の中で開発されたものである）を用いて，応力と弾性係数の関係を導出することができる．野島断層の極近傍で得られた応力から求められたrの値が，深さによらないものと仮定して，剛性率のヤング率に対する比を計算し，これが母体のそれに対してどの程度小さくなるかを示したのが図１である．図から，この比が深さ 15 km 以浅で 1/4 以下になることがわかるが，これは，断層のほぼ全面が破砕帯によって占められる場合，断層の摩擦係数が 0.15 以下になる可能性を示している．
この考えが，適切であるか否かを知るためには，観測値との比較が必要である．異方性を考慮して地震波速度を調べた例は少ない．観測との比較のために，伝播方向，振動方向について平均された速度，すなわち，等方媒質を仮定して求められた破砕帯のＰ波，Ｓ波速度を母体のそれとの比として図２に示した．破砕帯を伝わる地震波の速さは，深さ 15 km で，Ｐ波で母体のそれの約 80 %，Ｓ波で約 60 % である．フィールドデータとの比較は今後行う．
(5-5) 共同研究の有無：
ＡＩＳＴ，ＮＩＥＤの協力を得て行っている東北大学による単独の研究．共同研究の形態をとっていない．
(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
[発表]
Yamamoto, K. and Y. Yabe, Stresses at sites close to the Nojima Fault measured from core samples, The Island Arc, 10, 266 – 281, 2001.
Yamamoto, K. N. Sato and Y. Yabe, Strength of fault as inferred from the stresses measured in the vicinity of the Nojima fault (Extended abstract), Tohoku Geophys. Journ. (Sci. Rep. Tohoku Univ. Ser. 5), 36, 272-290, 2001.
Yamamoto, K. N. Sato and Y. Yabe, Elastic property of damaged zone inferred from in-situ stress near fault, Proc. Int. Symp. on Slip and Flow Process in and below the Seismogenic Region, Nov. 5 – 8, Sendai, 77-1 – 77-8, 2001.
佐藤凡子・矢部康男・山本清彦・長谷川昭，変形率変化法による地殻応力測定 -阿寺断層上野掘削井-，日本地震学会講演予稿集，2001年度秋季大会，C52，2001．
山本清彦・佐藤凡子・矢部康男，応力と速度に関する一つのモデル：地震発生に伴う破砕帯の応力変化と速度変化，日本地震学会講演予稿集，2001年度秋季大会，A27，2001．
山本清彦・佐藤凡子・矢部康男，断層近傍の応力から推定される破砕帯の弾性定数：深さ依存性，地球惑星科学連合学会，2001 年合同大会，Sn-015，2001．
(6) この課題の実施担当連絡者
氏名：山本 清彦
電話：022-225-1950
FAX：022-264-3292
E-mail：yama@aob.geophys.tohoku.ac.jp
図の説明
図1． 破砕帯が持つ剛性率とヤング率の比 (g' )-1．それぞれ断層面働く法線応力と剪断応力に対するもの．母岩における比で規格化されている．割れ目密度は有効封圧によってきまる．実線は空隙圧が静水圧の場合，小さな矢印は空隙圧が静水圧よりも大きい場合の比がとる領域．緩慢な変形に対して，割れ目は相互に連結しているように振る舞うと仮定した．深さ15 kmでも，アスペリティーへの剪断応力の集中が最大法線応力の４倍程度になることが予測できる．
図 2．Ｐ波速度（左）とＳ波速度（右）の深さ分布．速度は母体の速度で規格化してある．剪断応力の大きさの指標 r ごとに示されている．r = 0.2 (PF) は破砕帯内を表す．(PF) は Post-failure であることを表す．G は破砕度である．空隙圧は静水圧，割れ目は水で飽和し，地震波の入射に対して，相互に孤立していると仮定されている．深さ 15 km でも，破砕帯のＰ波速度は母体のそれの約 80 %，Ｓ波は約 60% である．通常の地殻では，r は 0.4 かそれ以下である．したがって，応力による速度低下は殆ど測定にかからない可能性がある．