(1)
課題番号： ０２０７
(2)
実施機関名： 京都大学防災研究所
(3)課題名： 断層の回復過程の研究 −野島断層および周辺活断層の深部構造の研究−
(4)本課題の5ヵ年計画の概要とその中での平成14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」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：
（１）ウ、 （２）イ・ウ・エ、 （４）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：
これまで２回の注水実験（1997年、2000年）およびボアホールでの多項目連続観測、アクロス連続観測等により、断層周辺岩盤の透水性低下が複数観測項目でとらえられ、主要な到達目標（断層回復過程の検出）に対する目途が得られている。今年度、第３回注水実験を行うことにより、透水性低下傾向に対する検証を行う。注水実験開始（1997年１月）以前における断層回復過程については、S波偏向異方性の解析から比較的速い回復過程が推定されている。1800mボアホール地震計により明瞭な断層トラップ波が検出され、破砕帯構造の時間変化検出にも望みが出てきている。注水に伴う誘発地震を利用して断層浅部における破砕帯構造、極微小地震の発生過程の特性が分かりつつある。
(5)平成14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」のどの項目を実施したのか：
主たる項目：「(4)-2. 断層面の破壊強度に対する地殻流体の役割」
関連項目：「(3)-1．個々の断層への応力蓄積過程の解明」
(5-2)平成14年度項目別実施計画のどの項目を実施したのか：
「2.(3) 断層周辺の微細構造と地殻流体の挙動の解明」
(5-3)平成14年度に実施された研究の概要：
平成9年度に孔井掘削が完了し、その後、500m、800m、1800m孔において多項目の地球物理学的観測が継続され、また得られたコアの地質学的研究が行われてきた。平成14年度は、第３回注水実験に総力をあげているが３月中旬からの実験実施であり、この成果報告には間に合わない。ここでは、主に1800mボアホール地震波形データの系統的解析（断層トラップ波、極微小地震の初期破壊過程、極微小地震のクラスター解析）、S波偏向異方性による注水実験開始以前の断層固着過程の推定、注水実験・歪変動データの再解析および断層周辺岩盤の破砕構造の推定、1800m孔内温度の連続計測、高周波電磁界伝搬路の検出実験等について、以下に取りまとめる。
１．第３回注水実験による断層回復過程の検証
第３回注水実験を2003年３月に実施する。過去２回の注水実験（1997年1-2月、2000年1-3月）で得られた断層周辺岩盤の透水性の減少傾向について、さらに進行しているかを検証する。これまで800m孔湧水量、800m孔歪、地表自然電位の連続観測、および誘発地震の発生時空間特性から透水性変化が検出されているが、今回は500m孔比抵抗観測からも透水性変化の推定を試みる。また、注水に伴う誘発地震については、1800mボアホール地震波形の高速サンプリング（1kHz）・連続収録を行い、定常活動との震源過程の違いを検出する。波形相関を用いたクラスター解析から、注水誘発地震と定常地震活動とで震源領域（クラスター）が異なる可能性が示唆されるので、従来より地震観測を充実して（13観測点：ボアホール２点＋地上11点、波形精度：全点200Hz以上サンプリング）、これについても検証する。その他、アクロス連続運転と地上アレイ観測により注水孔近傍での地震波散乱構造の変化をとらえ、注入水の挙動（拡散）を検出することを新たに試みる。
２．1800mボアホール地震波形データの系統的解析
２−１．断層トラップ波
1999年１月〜2000年５月の期間に、淡路島北部から神戸付近に発生した462個の地震について、1800mボアホール地震計で記録されたS波とその後続波部分の分散性、振動特性、振幅スペクトルの形状を系統的に解析し、love波型のトラップ波を示す地震31個を検出した。1800m深度におけるトラップ波の観測は、トラップ波の深部起源を支持する基本的に重要な結果である。この31例の中から、分散性が5-12Hz範囲において特に明瞭で典型的なトラップ波と考えられる６例を選択し、詳細な解析を行った。まず、分散曲線のモデリングにより破砕帯のS波速度（2.8-3.1km/s）と幅（190-360m）を推定した。１例のトラップ波には１次の高次モード波と解釈できる分散性波動が含まれ、これから破砕帯内部の減衰パラメータQ値を50以上と推定した。次に、二次元の破砕帯構造モデルによるトラップ波の理論波形をBen-Zion and Aki(1990)の方法を用いて計算し、観測波形とのフィッティングを行った（図１）。その結果、破砕帯の構造モデルとして、S波速度（2.6-3.0km/s）、幅（150-290m）、およびQ値（40-60）を得た。1800mボアホール記録から推定された野島断層の破砕帯構造は、これまでに平林、江崎での地上観測から推定された破砕帯幅（20-40m）と比べてかなり広い。これは、断層南端付近で分岐断層も存在する富島では破砕帯の幅が広い可能性を示唆する（富島付近の震源断層周辺は堆積層が厚く、地上でのトラップ波は観測されていない）。あるいは、1800m深度のボアホール観測により地上観測ではとらえられない（例えば、平林の防災科技研1800mボアホールで見られたような複数の破砕帯を含む）幅広い破砕構造を見いだした可能性もあり、さらに検討が必要である。
トラップ波を示す地震の分布から野島断層が約70°で南東方向に傾斜すること、および明石海峡付近に破砕帯（低速度層）の不連続が存在することが示された。これは従来の地上観測の結果とも調和的である。
２−２．10kHz高速サンプリグデータによる極微小地震の初期破壊過程
1800mボアホール地震波形の10kHzサンプリング・トリガー収録データを行い、極微小地震の初期破壊過程について解析を行った。2000年6月〜2002年8月までの約2年間にボアホール周辺に発生した地震300個以上のうち、P波初動部分が明瞭な地震25個を選んだ。これらの地震の震源距離は約2-12km、地震モーメントは1.0×1010-7.1×1011 Nmである。P波の振幅がノイズレベルを超えたところをP波の立ち上がりとして、P波初動半周期分の速度波形を解析に使用した。
震源モデルとして、破壊速度一定の Sato and Hirasawa (1973)（SHモデル）と破壊速度が加速する
Sato and Kanamori (1999)（SKモデル）による円形クラックモデルを用い、観測システム特性と伝播経路での減衰（Q値）の影響を含めて理論波形を計算した。観測波形に見られるゆるやかなP波の立ち上がりは伝播経路による可能性もある。従って、まずSHモデルを全ての波形に適用し、Q値を50〜250まで変化させて観測波形を再現できるか調べた。次に、SHモデルでは再現できない11個の波形にSKモデルを適用し、既存クラック（＝準備領域）と最終クラック（＝最終破壊域）の大きさを推定した（図２）。
SKモデルでのみ説明可能な11個の地震および Hiramatsu et al., (2002、PEPI)の結果から、準備領域の大きさ、最終破壊域の大きさ、および地震モーメントには、個々のデータのばらつきが大きいものの、次の関係が見られた。（1）地震モーメントは準備領域の大きさの３乗に概ね比例する、（2）地震モーメントは最終破壊域の大きさの3乗に比例する、（3）最終破壊域の大きさは準備領域の大きさに概ね比例する。本研究結果は過去の同様な研究結果と調和的であり、地震の準備領域の大きさと最終的な地震の大きさに因果関係があるとの考えを支持する。
２−３．波形相関による極微小地震のクラスター解析
注水に伴う誘発地震と定常的な極微小地震活動の発生特性の違いを推定するために、波形の相互相関係数に基づくクラスター構造を推定する。まず手始めとして、2000年注水実験(2000年1月22日〜3月11日)を含む1999年12月1日から2000年5月18日までに発生した地震570個を用い、1800mボアホール地震計で記録された上下動成分波形を解析した。相互相関係数が0.85以上で、３個以上の地震からなるグループを一つのクラスターと定義した。その結果、全期間を通して15個のクラスターを検出した（図３）。注水前に活動したクラスター(5個)と注水後に活動したクラスター(10個)とは、完全に異なっており、注水誘発地震と定常活動とは震源域が異なることが分かった。また1つのクラスターの活動期間は短く、数時間以内のものが全体の約7割を占めた。波形相関を用いてＰタイムの読み取り精度を相対的に高めた結果、個々のクラスターにおける震源分布は大幅に空間的に接近することも分かった。今後、1997年注水実験、2001年の定常地震活動、および2003年注水実験によるデータも合わせて系統的に解析し、定常的な地震活動と注水に伴う誘発地震活動の発生メカニズムの違いについて検討する。
３．S波偏向異方性の時間変化による断層固着の推定（1997年注水実験以前）
野島断層周辺（地上）における数回の臨時地震（余震）観測データを用いて、S波偏向異方性の時間変化に関するとりまとめを行った。今回用いたデータの期間は、1995年10月〜1996年1月（本震から9〜12ヵ月後）および1997年10月〜1998年9月（本震から33〜45ヵ月後）である。最初の観測期間では、野島断層直上の観測点において「速いＳ波」の振動方向は断層にほぼ平行であった。これは、本震直後の震源断層破砕体内には、本震時の断層運動によって形成された断層走向にほぼ平行なフラクチャ群が分布していることを示す。次の観測期間では、「速いＳ波」の振動方向が広域の最大水平圧縮圧力方向に変化していた（Tadokoro and Ando, 2002）（図４）。これは、本震後33ヵ月（約２年半）以内に本震破壊に伴うフラクチャが閉塞した、すなわち、断層の固着が大きく進行したことを示唆する。この観測結果は、注水実験を開始した1997年１月以前の断層固着に関する情報として重要である。
野島断層における大地震の再来周期が約2000年（粟田ほか、1996）であることを考慮すると、上記の断層固着は驚異的な速さで進行したと言える。これは、例えば、局所的な最大水平圧縮圧力が断層に垂直であったことや、フラクチャを開口させていた間隙水圧の低下等で説明できる。
４．注水実験・歪変動データの再解析および断層周辺の破砕構造の推定
２回の注水実験において、800m孔の歪３成分は数日の時定数をもつ指数関数的な時間変化（縮み）を示し、最大圧縮の方向は、ほぼN50°E-S50°Wであった。これまでの解析では、歪変化の測定方向毎に異なる比貯留係数を与えるなど、必ずしも現実的なモデルではなかったので、今回、一様な水理特性をもち注入水が面的に拡散する二次元浸透流モデルを用いて再解析を行った。その結果、観測された歪変化の方位依存性をよりよく説明できるとともに、注水孔の周辺岩盤における破砕構造に関する情報が得られた。
注入水は1800ｍ孔の540m深度から周辺岩盤に拡散した。解析では、二次元浸透流モデルを用いて、注水による間隙水圧の変化を求め、それに伴う歪変化を計算した。浸透面は注水地点（540ｍ深度）を通る平面であり、一様な水理特性を持つ。モデルパラメータは、岩盤の透水性を表す水理拡散係数、岩盤の保水能力を表す比貯留係数、浸透面の走向および傾斜角であり、これらは歪のモデル計算と観測との差が最小となるように決定された。得られた最適モデルによる歪変化は、３成分ともに観測データをよく説明する（図５）。いずれの注水実験においても、浸透面は北西-南東方向の走向をもち、ほぼ鉛直であると推定された。野島断層の周辺岩盤には断層に直交する破砕構造が発達しており、そこを伝わって注入水が拡散したと考えられる。
水理拡散係数については、1997年実験では1.1±0.1 m2/s、2000年実験では0.5±0.1 m2/sと推定された。これは、1997年〜2000年にかけて透水性が約50%低下したという他の観測結果（湧水量、自然電位）とも一致し、断層固着の進行を支持する。
５．1800m孔内温度の連続計測
1800m孔において、1997年7月より光ファイバをセンサとした孔内温度分布計測を続けてきた。2000年12月より一時的に計測を中断していたが、2002年11月30日より再開した。
2000年1-3月の第２回注水実験の後、特に顕著な温度異常が見られたのは深さ500-550m付近であった（図６−１）。これは、孔口から注入した水が540m付近で孔外に漏れ出し、周囲の地層を広範囲に冷却したために生じたものであると考えられる。この温度異常の振幅は減衰しつつあったものの、2000年12月の時点ではまだ認められていた。今回の測定では分解能（0.1 K）を超える温度異常は見られず（図６−１）、2000年注水実験以前の温度プロファイルとほぼ同じ状態に戻ったことが確認された。なお、1997年7月に温度計測を開始した時点でもほぼ同様の異常が観測されたが（図６−１）、1-2か月のうちに認められなくなった。これは、1997年1-3月の第1回注水実験においても、同じ深さで水が漏れ出していたことを示唆するものである。第2回注水実験で、温度異常の解消により長い時間を要したのは、注入した水の総量が多かったことを反映している可能性がある。
2003年1月7日から2月14日までの38日間、1800m孔口を開放する実験を行った。2000年10月-11月にも同じ実験を行っており、ガスを含んだ水の湧出が観察され、温度分布の変化から湧水が起きている深度は540m付近と推定された。今回も、ガスを含んだ水が湧出し、水が孔内を上昇することによる温度上昇が見られたのは540m以浅であった（図６−２）。従って、深度540mにおいては、注水実験に関係なく常に自然湧水があるものと考えられる。この深度は、注水した水が孔外に漏れ出した場所と一致している。
６．1800m孔の自然湧水に含まれるガス成分の分析
1800m孔口の開放に伴いガスを含む自然湧水が観測された（上記の孔内温度計測の項参照）。ガス成分については、2003年２月14日に採取され分析の結果、N2、CH4を主成分とすることが分かった。これは堆積地域（湖沼など）や堆積岩地帯に湧出するガスの特性を示すが、今後さらに解析・検討が必要である。（なお、この研究は当初計画にはなかったが、産業技術総合研究所の新井崇史氏のご提案により行われたものである。）
７．野島断層における高周波電磁界特異伝搬路の検出実験
地震に伴う電磁放射現象は多数報告されているが、その発生・伝搬機構はまだ明らかにされていない。この伝搬機構としては、直接電磁界伝搬モデル、地中で発生した電磁気的変動が断層に沿って電流的に伝搬するモデル、および間接発生モデルが提案されているが、明確な判別データは得られていない。そこで、野島断層500m孔を用いた伝搬検証実験を開始した。本報告では、2002年3月の実験により得られた結果について述べる。図７−１に示すように、500m孔内に設置された地下電極間に地上からケーブルを介して電力供給し、地中に電磁気的変動を発生させ地表面での電界強度分布を調べた。地下電極間に発生させた電磁気的変動が断層に沿って電流として伝わってゆくならば、断層の地表露出部付近では強度の増加が観測できるはずである。ケーブルおよび地下電極間インピーダンス構造の調査の結果、80kHz付近および200kHz以上の周波数で伝送効率が良いことが分かっていたため、今回の実験では周波数80kHz、送信電力40dBmを用いた。なお、実験に用いたケーブルは高周波伝送用でないためケーブルなどから漏れ出る電磁界により、背景値が形成される。このため、野島断層付近と離れた地点でも測定し比較した。図７−２に示すように、断層付近において背景値からの強度増加が見られた。背景値は断層が存在しない地点での強度分布より導出した。この結果から、電磁気変動が断層に沿って電流として伝わり、断層付近で強度増加として測定された可能性が高い。地震電磁放射伝搬路を直接検証する初めての実験結果で、地震電磁放射伝搬路を判別する上で重要な意義がある。
８．コア解析
本年度は、東京大学本郷構内にコア倉庫 (プレハブ 4 棟) の完成を受けて搬入されたコアの整理および管理を行った。それと並行して、1800m コアの再研磨、記録作業を行った。コアに関する問い合わせが継続的にあり（本年度は 3 件）、いずれにもコアを分配することで対応した。そのうちの一件は台湾の Chichi 地震グループからの問い合わせであり、破砕帯中軸部の観察および試料採取が行われた。
(5-4) 当初設定した平成14年度の到達目標に対する成果の概要：
第３回注水実験により、これまで２回の注水実験（1997年、2000年）で得られた透水性の低下傾向に対する検証を行うが、実験実施が３月中旬の予定であり、成果取りまとめは来年度に持ち越す。注水実験開始（1997年１月）以前における断層回復過程については、S波偏向異方性の解析から急速な回復過程が推定され、第３回注水実験の結果と合わせて、野島断層の回復過程に関する総合的なモデル構築に対する重要な情報が得られた。1800mボアホール地震計により明瞭な断層トラップ波が検出され、破砕帯構造の時間変化検出にも望みが出た。注水実験データ（歪変動）の再解析により、野島断層周辺における破砕構造に対する新しい知見が得られた。極微小地震の発生過程（初期破壊過程、誘発地震と定常活動との違い）についても解析が進んだ。
(5-5)共同研究の有無：
東京大学地震研究所、東京大学理学研究科、東北大学理学研究科、名古屋大学環境学研究科、信州大学理学部、金沢大学自然科学研究科、高知大学理学部、神戸大学理学部等、約15機関との共同研究。防災科学技術研究所、産業技術総合研究所の研究協力も得る。参加人員は約40名。
(5-6)平成14年度の成果に関連の深いもので、平成14年度に公表された成果：
Hiramatsu, Y., H. Yamanaka, K.
Tadokoro, K. Nishigami, and S. Ohmi,
Scaling law between corner frequency and seismic moment of microearthquakes:
Is the breakdown of the cube law a nature of earthquakes?, Geophys.
Res. Lett., 29 (8),
10.1029/2001GL013849, 2002.
Hiramatsu, Y., M. Furumoto,
K. Nishigami and S. Ohmi,
Initial rupture process of microearthquakes recorded
by high sampling borehole seismographs at the Nojima
fault, central Japan, Phys. Earth Planet. Int., 132/4,
269-279, 2002.
Kitagawa, Y., K. Fujimori, and N. Koizumi: Temporal change in permeability of
the rock estimated from repeated water injection experiments near the Nojima Fault in
Nishigami, K., Seismological investigation
of deep structure of active faults using scattered waves and trapped waves, Seismogenic Process Monitoring, Ed. by Ogasawara, H., T. Yanagidani, and M. Ando, Rotterdam, Balkema,
245-256, 2002 .
西上欽也・田所敬一・永井 悟・水野高志・加納靖之・平松良浩、注水に伴う誘発地震の発生特性—野島断層注水実験を中心として—、地学雑誌、Vol. 111, No.2, 268-276、2002．
西上欽也、地震発生域の不均質構造を探る—地震散乱波のトモグラフィー解析—、サイスモ（Monthly地震レポート）、第6巻、1号、6-8、2002．
西上欽也、野島断層における繰り返し注水実験、月刊地球、号外No.38、95-101、2002．
Tadokoro, K., and M.
Ando, Evidence for rapid fault healing derived from temporal changes in S wave
splitting, Geophys. Res. Lett.,
29, 10.1029/2001GL013644, 2002.
Tadokoro, K., and M.
Ando, Evidence for rapid fault healing at the Nojima fault,
Japan, in Seismogenic Process Monitoring, edited by
H. Ogasawara, T. Yanagidani, and M. Ando, pp.
201-220, Balkemia, Netherlands, 2002.
向井厚志・藤森邦夫、注水試験に伴うひずみ変化から推定される破砕帯の水理特性、地震（投稿中）．
（学会発表等）
福本貴臣・冨澤一郎・大志万直人: 野島断層近傍の高周波電磁界の特異伝搬検出実験結果, 平成14年度CA研究会, 京大防災研 2002年12月25-26日, 2002.
福本貴臣・冨澤一郎・大志万直人: 野島断層での地中電磁界伝搬実験における地表電界強度分布の断層付近での増加について, 第112回地球電磁気・地球惑星圏学会講演会講演予稿集, C41-P103, 2002.
福本貴臣・冨澤一郎・大志万直人: 野島断層ボーリング孔接続ケーブル起源の近傍電磁界, 地球惑星科学関連学会2002年合同大会, 2002年5月27-31日, E059-P003, 2002.
Hiramatsu, Y. and Furumoto,
M., Initial rupture process of microearthquakes
revealed by high-sampling waveform data, AGU Fall Meeting, Eos Trans.,USA, 2002.
平松良浩、古本宗充、微小地震における準備領域の大きさと最終的な地震の大きさの関係、日本地震学会2002年度秋季大会講演予稿集、2002．
Kitagawa, Y., K. Fujimori, and N. Koizumi: Temporal change in permeability of
an active fault zone after a large earthquake, Japan-Taiwan International
Workshop on Hydrological and Geochemical Research for Earthquake Prediction，Tukuba,
Mizuno T., and K. Nishigami, Deep Structure of Active Faults Estimated From Underground Observation of Fault-zone Trapped Waves
-the Nojima and the Mozumi-Sukenobu
Faults,
水野高志・西上欽也、断層トラップ波のボアホール観測による野島断層の深部構造、地球惑星科学関連学会2002年合同大会、J076-008、2002．
西上欽也、断層破砕帯の地震学的構造—レビューと展望—、地球惑星科学関連学会2002年合同大会、J076-007、2002．
Tadokoro, K., A. Shimokawa, T. Mizuno, and K. Nishigami,
Asperity Depicted by an S-wave Splitting Observation, AGU Fall Meeting, San
Francisco, California, 2002.
山野誠・後藤秀作，光ファイバ温度計測システムによる掘削孔内温度分布のモニタリング，地球惑星科学関連学会2002年合同大会，J050-002，2002．
(6)この課題の実施担当連絡者：
西上欽也、TEL 0774-38-4195、FAX 0774-38-4190、
nishigam@rcep.dpri.kyoto-u.ac.jp
大志万直人、TEL 0774-38-4202、FAX 0774-38-4190、
g53032@sakura.kudpc.kyoto-u.ac.jp
（図の説明）
図１ 1800mボアホール地震計で観測された断層トラップ波６例（断層平行成分）と最適な破砕帯構造モデル（波形の右側に表示）による理論波形（太線）。
図２ 上：P波部分の観測波形。下：P波初動部分の観測波形と波形インバージョンで得られた理論波形（青点線：SHモデル、赤破線：SKモデル）。SKモデルでは初動波形全体を説明できる。
図３ 富島付近に発生した極微小地震570個（1999年12月1日〜2000年5月18日）について、1800mボアホール地震波形（上下動）を用いて計算した相互相関係数。地震IDは発生順序を示す。この結果から相関係数0.85以上のクラスター15個が検出された。
図４ S波偏向異方性の解析による「速いS波」の振動方向。左：1995年10月〜1996年1月（本震から9〜12ヵ月後）、右：1997年10月〜1998年9月（本震から33〜45ヵ月後）。
図５ 1997年および2000年注水実験（３回に分けて注水）に伴って観測された800m孔における歪変動（黒線）、および二次元浸透流モデルによる最適解による歪変動（赤線）。
図６−１ 第２回注水実験（2000年1-3月）後の1800m孔内温度分布。深さ500-550m付近の温度異常が時間経過とともに減衰した。1997年7月に見られた異常も合わせて示した。各温度プロファイルを若干ずらせてプロットしていることに注意。
図６−２ 1800m孔口の開放、自然湧水に伴う孔内温度分布の変化。孔口の開放直前（2003年1月7日）と開放後１か月以上経過した時点（2月14日）の温度プロファイルを比較した。
図７−１ 野島断層での送受信実験の配置図。
図７−２ 推定背景値を基準にした強度増加量の推定結果。
