第４章 「直前課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，地震発生準備課程の最終段階において活性化する物理・化学課程をモデル化し，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．
地震発生準備課程のどの段階からを最終段階，すなわち「直前課程」，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はなく，多くの現象が連続的に最終段階に移行するため，「準備課程」と「直前課程」の境界ははっきりしない．また観測研究については，準備課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，「直前課程における地殻活動」に関連するいくつかの問題が「準備課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１３年度までに「直前課程における地殻活動」に登録された研究課題が，「直前課程における地殻活動」に関連した重要な問題をすべてカバーしているわけではない．よって，「準備課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「直前課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）震源核の定量的モデリング
地震は断層面上で起こる剪断破壊現象であるり，既存の弱面上での摩擦すべり破損と既存の弱面を含まない岩石の破壊の両者がミックスした不均質断層面上での破壊過程である．地震の発生課程を定量的に記述し，時間軸に沿ってどのように直前課程が進行して行くかを予測できるようなモデルを構築するためには，破壊課程を支配している剪断破壊構成則を確立することが必要不可欠である．しかしながら，これまで地震発生場における温度・圧力で，間隙水存在下での岩石の破壊過程に関する研究はほとんど行なわれていない．そこで，岩石の破壊過程を記述するすべり変位量依存性構成法則が，地震発生層に相当する環境条件下で，どのように温度・有効法線応力・すべり速度に影響を受けるのかを室内実験により定量的に明らかにしようとする研究が進められてきた（東京大学地震研究所〔課題番号：0109〕; Kato 2002, Kato et al., 2002）．本年度における成果として，温度300℃以下では温度の効果はほとんど現れず，最大剪断強度tp（図1a）は有効法線応力sneffの線形関数として記述でき，破損応力降下量Dtb（図1b）と臨界すべり変位量Dc（図1c）がほぼ一定値になることが明らかにされた．一方，温度300℃以上では，各構成則パラメータは温度とsneffの両者の関数として記述できた．最大剪断強度tpは，温度300℃以下におけるsneffとの線形関係から期待される値に比べ減少し，sneffが大きい程その減少量は大きい．破損応力降下量Dtbは温度の増加にともなって減少し，sneffの増加にともないより減少する．臨界すべり変位量Dcは主に温度の増加にともなって増加し，sneffが大きいとより増加する傾向にある．データから求めた，各構成則パラメータと温度・有効法線応力の関係式を各図の実線でプロットしてある．また，破壊実験後の破損面近傍の顕微鏡観察により，温度300℃以上では黒雲母が顕著に塑性流動しており，同時に石英が若干塑性流動していることを確認した．破損面近傍のほとんどの粒子がクラックにより破砕されており，脆性破壊に若干の塑性流動が混合した結果，上記の様な温度300℃以上における構成則パラメータの変化が生じたと考えられる．次に，歪み速度を10-5/s〜10-7/sの範囲内で変化させた実験により，すべり速度が構成則パラメータにどのような影響を及ぼすのかを定量的に評価する研究が行われた．すべり速度の減少にともなって，最大剪断強度tpはすべり速度の対数関数に従いながら減少する（図1d）．破損応力降下量Dtbと臨界すべり変位量Dcも，すべり速度の減少にともない減少する．しかしながら，本研究の温度・有効法線応力条件下においては，すべり速度依存性は顕著ではなく，また，その依存性は温度・有効法線応力にほとんど依存しないことが明らかにされた．以上の研究成果は，実際に地震が発生する場における温度・圧力・間隙水圧条件下で行なわれた実験で得られたものであり，とくに間隙水圧とすべり速度（〜歪み速度）が構成法則に及ぼす影響を定量的に評価している．したがって，本成果は現実の大地震発生予測モデルの構築をおこなう上で，重要な物理的拘束条件を提示するものと思われる．
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じていた．そのため，室内実験で最終破壊サイズに関する問題やアスペリティの相互作用の問題を取り扱うことは困難であった．前年度，大型剪断試験機を用を用い，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．その結果，模擬断層面にふたつのアスペリティを生成させて行った固着実験により，アスペリティの強度比によって，ひとつのアスペリティのみが破壊しもう一方のアスペリティが破壊を停止させるシングルイベントと，両方が連動して破壊するダブルイベントとが交互に繰り返し起こることが示された(Yoshida and Kato, 2001)．その現象を説明するため，今年度は，ふたつのブロックをバネで連結しドライバーをゆっくり動かしていくモデルを考え，ブロックのすべりの連動性についてその基本的な性質が調べられた．古典的な最大静摩擦と動摩擦を仮定し，ブロック2の最大静摩擦はブロック1のb倍であるとする．図2(a)はbを変化させてシミュレーションを行い， 101回目から200回目の破壊が起こる間に，ふたつのブロックをつなぐバネの長さがどのような値をとったかプロットしたものである． b=3周辺ではシングルイベントとダブルイベントとが交互に繰り返される周期解になっている．既にHuang and Turcotte(1990)によって示されていることであるが，異なるタイプの周期解にはさまれてカオスの窓が生じている．完全には元の状態に戻ることがないという意味でカオスになっている b=2.5のときについて少し詳しく見てみる．図3にブロック底面の剪断応力の時系列が示されているが，カオスであっても強い規則性があるの様子が読み取れる．多数回のイベントの解析から，ダブルイベントの70%は，シングルイベント（再来間隔が異なるが大きさはいつも同じ）が起こったあとちょうどt=100後に発生していることが明らかにされた．ダブルイベントの大きさはイベント毎に異なる値をとるが，大きさについても規則性があり，ある幅で予測可能であるという結果も得られた．この数値実験ではすべりが止まった瞬間に最大静摩擦まで回復すると仮定していたが，瞬間的な強度回復は起こらず，ひとつのイベント中に一方のブロックが一時的に停止しても動摩擦を超える力が働けばすべりだすと仮定すると，図2(a)でみられたカオスの窓のいくつかは消滅し周期解になる（図2(b))．現実的な摩擦則では，瞬間的強度回復は起こりにくいと考えられるのでカオスになりにくいと推定される．また，断層の強度回復過程はローディングとの関係から地震サイクルを考えるときに重要視されてきたが，ここで得られた結果は，瞬間的な強度回復が起こるかどうかが，地震直後の応力場，つまり次のサイクルの初期条件を決めるうえで重要な役割を果たしていることを意味する．
（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「直前課程における地殻活動」の重要課題のひとつと位置付けられている．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は，地震破壊課程そのものだけではなく，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．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が継続されているが，今年度においては新たに人工電流を用いた比抵抗連続観測を行うための準備がなされた．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えるようになった．本年度はこの成果をもとに，電磁気現象発生に対する含水依存性が調べられた．
（２．１）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，流体の移動を探知する手法を開発することを主要目的に置いて地磁気・電位差観測が行われている（東京大学地震研究所〔課題番号：０１１０〕，東工大〔課題番号：０８０３〕，京大防災研，気象庁地磁気観測所，東海大学，理化学研究所による共同研究）．平成１２年度までに得られた知見として，伊豆半島全体として群発地震活動や隆起が鈍化するにつれ全磁力変動も小さくなっていること（Oshiman et al., 2001, 地震予知研究推進センターほか, 2001），活動時の電磁場変化よりこの地域の活動に熱水の上昇が関与していたらしいことが明らかとなっていた（笹井ほか, 2001）．また，時間領域電磁（ＴＤＥＭ）比抵抗探査を行った結果，１次元解析の結果ではあるが北側地域にあたる伊東市付近の表層数kmは非常に比抵抗が低いこと，南側は全体として高い比抵抗値を示すことが明らかとなっていた（Takahashi, 2001）．本年度においても，伊豆半島東部地域・東海・首都圏地域の全磁力，伊豆半島の長基線自然電位連続観測が継続された．平成10年までに顕著な全磁力減少（-30nT/5年間）を示していた伊東市北部，御石ヶ沢（ＯＩＳ）観測点では一旦平成10年後半から変化が停滞し，平成11年7月頃からゆるやかに全磁力が減少した．多数の磁力計をもちいた高密度多点観測を行うことにより（ＯＩ２，ＯＩ３，ＯＳＳなどの観測点），この変化の地域的拡がりが明らかにされた（図４）．しかし，通常この種の変化の原因とされる熱消磁では，北側正／南側負の対をなした変化となるが，北側での正変化が認められず，依然としてその変化の原因は不明である．また，多くの観測点で共通して認められた冬に極大となる年周変化（例えば図４の網代（ＡＪＲ），石川ほか, 2001）の原因を探るため，各観測点近傍で10m四方のメッシュ観測が実施された．その結果，リファレンス点として用いている河津（ＫＷＺ）観測点周辺の磁気異常が全磁力差の年周変化を規定していることが示唆された．１年以内の変動を議論する時には，留意すべき点である．また，長らく観測が中断していた，伊東市中部奥野観測点周辺域での直流法を用いた比抵抗連続観測が再開された．その結果，１９９４年当時とほぼ同じかやや高比抵抗を示す結果が得られ（図５），測定値の長期安定性が確認された．東海地域での観測については，全磁力差永年変動のトレンドに2000年後半から変化が認められたため（特に図６俵峰（ＴＡＷ）観測点，八ヶ岳地球電磁気観測所ほか, 2001），新たに山梨県富沢町，静岡県藤枝市において全磁力連続観測が開始された．紀伊半島・四国・山陰においてはNetwork−MT観測のデータ解析が実施され，比抵抗構造モデルの作成が行われている．
北大を中心として，道東，道北，日高衝突帯の地下構造を調べるため，ＭＴ探査やNetwork-MT観測が行われ，比抵抗モデルの作成が行われている（北海道大学〔課題番号：０３１２〕， Satoh et al., 2001）．また，札幌市内に微小地震が線上配列をするような”活断層”がないかどうか調べ，そこでの地震活動の変化をモニターすることを目的として，北大構内の地震観測井を用いた札幌市域の高感度地震観測が開始された．
（２．２）室内実験による電磁気現象発生メカニズム解明の研究
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えるようになった（Yoshida, 2001）．本年度は，水が電磁放射に及ぼす影響を明らかにするための研究が行われた（東京大学地震研究所〔課題番号：０１０９〕，理化学研究所による共同研究）．石英を含む岩石内で破壊などにより応力変化が生ずると，圧電効果により電磁放射(EME)が起こる．湿潤状態では抵抗率が非常に小さいため，電気的緩和の時定数が短く，圧電効果で分極しても瞬間的に緩和される．したがって，湿潤状態の場合は乾燥状態に比べ一般的にはEMEは出にくいと考えられる．しかし，AEのように応力変化の速度が非常に速い場合に，時定数に対応した高周波数領域で測定すればEMEを検出できる可能性があるので，円柱形の花崗岩試料を用いた3軸圧縮破壊実験が行われ，湿潤状態と乾燥状態との比較が行われた．湿潤状態でも乾燥状態でも高周波数成分をもつEMEイベントは，測定されたもの全てがAEによって引き起こされていた．乾燥状態の方が多くのEMEイベントが発生し，振幅も大きい．従って，湿潤状態の方がEMEが発生しにくいのは事実であるが，イベント数は1/3程度，振幅は同じ大きさのAEに対してほぼ10dB減少する程度の差であり，時定数が数桁異なることを考えると，EMEの発生数や強度の違いは僅かであった．
（３）震源核検出の手法の開発
断層近傍によ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り，能動的手法によって破壊核検出の可能性を追及する研究が行われている（東京大学地震研究所〔課題番号：０１０９〕，横浜市立大学による共同研究）．Iwasa(2001)は，能動的に高周波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た．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するというものである．この実験において模擬断層面に弾性波を能動的に照射したときに観測された，せん断応力の増加に伴う透過波動の振幅の増加は，いわゆるjunction growthのメカニズムによって説明し得ることが明らかとなった． junction growthとは，アスペリティ接触において，せん断応力がわずかでも加わったときに必然的に引き起こされる極めて小さな変位による，接触面積の増加のメカニズムである．そしていわゆる観測によって捕らえうる前兆的なすべりは，このjunction growthが個々の接触において徐々に終焉を向かえたあとに生じるすべりである．したがって，junction growth，前兆的すべり，動的破壊は，小さなせん断応力が加わり始めた初期の段階から最終破壊に至る過程で，連続した破壊過程として捕らえるべきものである，ということが明らかとなった．また，地震サイクルにおけるこのような面の状態の変化を透過波動で原理的に検出可能であることが示された．
ガウジを挟んだ断層への波動透過に関する準備実験はあまり進捗していないが１〜100ミクロン程度の粒径をもつガウジ層への波動透過実験が実施された．波動透過率は，粒径，水の存在の有無にかかわらず１〜２割程度となること，また波動到達時間はガウジの層の厚さから推定される遅れより有意に遅くなること，が観察された．また，当初の課題とは別に，人工的に作成した，さまざまな大きさの接触点をもつ断層面に波動を透過する実験を行った．透過波動の波長が接触点の大きさの４倍以下まで短くなると，透過率は著しく影響を受け小さくなることが，実験からもまた透過理論からも確認された(Funahashi and Yoshioka, 2001, 吉岡・舟橋, 2001)．
（４）その他の地震予知に関する研究
地震予知不可能論者は，地震はカオスやＳＯＣに従う現象であるために，本質的に地震予知は不可能であるという議論を展開している．この議論の検証を行うため，同じくＳＯＣに従う現象としてしばしば引用される砂山崩しの実験が行なわれた（東京大学地震研究所〔課題番号：０１０９〕，横浜市立大学による共同研究）．砂山の受け皿として，４ ，５ ，８ｃｍ のディスクを用いた．砂をディスクの上にゆっくりと落とし，砂山を形成し，ナダレを発生させる．ナダレの発生のしかたに与える要因は，たとえば砂の流量，砂の落下速度，最終出口の径などがあるが，最も大きな要因はディスクの径である．小さいディスクでは図７(a)に示すように小さなナダレがランダムに起き，ナダレの大きさ分布はグーテンベルグ・リヒター則に従い冪分布となる（ＳＯＣ ）．これに対して大きいディスクの場合は，図７(b)のようにかなり大きな規模のナダレが周期的に発生し（固有地震的），その分布は冪分布にはならない．このメカニズムを解明することは，ＳＯＣ と固有地震の違いを考える上で示唆的であると思われる．また，ここで得られた成果や２．（１）で述べたアスペリティ相互作用のモデリングで得られた知見は，単純にカオスやSOCを根拠に地震予知が不可能であるとはいえないことを示唆している．
３．まとめ
破壊核成長モデルに基づいて考えると，地震発生準備課程の最終段階とは，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出来る．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．また，実際に地震が発生している場における温度・圧力条件下で，構成則の間隙圧依存性，すべり速度依存性などを明らかにしていく必要がある．この点に関しては，本年度までの研究によって現実的な条件下での構成則−状態依存性が定量的に評価されるに至った．今後，現実の大地震発生予測モデルの構築を行う上で，重要な物理的拘束条件を提示できた重要な成果である．また，大試料を用いて複数のアスペリティの相互作用を実験的に確かめ，その理論的考察を行った．その結果，アスペリティ間の相互作用がカオス的となるか周期的となるかが，大地震発生後の強度回復速度（瞬間的であるか否か）によって規定されている場合のあることが示唆された．現実には，瞬間的な強度回復は起こらないと考えられるので，地震の予測可能性が示唆されたことになる．
伊豆半島で，地震発生に関与する流体の存在を捉えるための比抵抗構造探査と，流体の移動を定量的に補足することを狙う地磁気・電位差・比抵抗連続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と思われる．今後，電磁場がどのように変化するかをモニターすることは，今後の群発地震活動の推移を検討するうえで，重要な役割を果たすであろう．地道な観測の継続と電磁場時系列に現れた変動のメカニズムを探ることが望まれる．
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，現実の条件下における岩石の流動電位係数を実験により明らかにする必要がある．さらに，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定されるのか，明らかにしていく必要がある．室内実験により，岩石破壊に至る課程で水の流動によって発生する電流や電磁放射が実測されるとともに，流動電位係数と透水係数との定量的関係が求められてきた．湿潤条件下においても電磁放射が実測されたことは，一つの成果である．今後は，100℃をこえるより高温化での実験を行い，実際の震源域条件下での挙動を明らかに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知見が得られるようになることを期待する．
破壊核の検出には受動的な観測だけではなく，能動的観測も重要であると考えられる．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，その理論的根拠の考察も行われた．また，今年度に課題登録はされていないが，南アフリカ金鉱山の研究グループによって，室内実験と現実の大地震をつなぐスケールの実験的観測研究は継続されている．平成12年度までに，Ｓ波のスプリッティングやｂ値の時空間分布から応力状態の時空間分布を推定することが試みられていて，今後の進展が期待される．
地震は本質的に予測可能か，という大問題に対しても，研究が行われた．先に述べた，アスペリティの相互作用から得られた知見の他，砂山崩しの実験から，大スケールではＳＯＣよりも固有地震的に周期性を示すことが示された．現実の大地震においては，周期性を持った物理課程に従う可能性があり，地震予測を目指すものにとって明るい研究成果である．さらに，パラメータ空間の中でどのような物理課程が支配的になるかの知見を深めていく必要があろう．
以上のように，個々の課題について，平成11,12年度の成果を基礎として，13年度にさらに研究に進展があったと評価できる．今後は，それらの成果を総合化し，有機的に結び付け，現実の地震発生課程予測に適用していく努力が一層重要になるだろう．平成12年度において，地殻変動観測やハイブリッド重力観測によっても，流体移動が検出できることが示された．例えば，伊豆半島において室内岩石破壊実験・数値実験・電磁気・測地学・地球化学の知識を総合し，相互に矛盾のないモデル構築を目指していく必要がある．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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