(1) 課題番号：0109
(2) 実施機関名：東京大学地震研究所
(3) 課題名：震源核に関する実験的研究
(4) 対応する新建議の項目
１．(3) 直前過程における地殻活動
(5)「3. 具体的な課題提案の背景」の項目：
(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
(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
(6) 関連する建議の他の項目
1．(3)ウ，(1．(2)エ，ウ，1．(3)ア，イ，1．(4)ア，3．(1)ア も関連する)
(7) 平成14年度の研究成果
震源核に関する実験的研究は，次の四つの小研究課題：
小課題 (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 」
小課題 (II)「アスペリティと非地震性領域の棲み分けー室内実験と数値実験ー」
小課題（III）「すべり破壊核形成過程のモニタリング手法の開発」
小課題（IV）「砂山くずしの実験的研究」
からなる．
小課題 (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 」
I.1 「陸上付加体の断層岩を用いたせん断破壊実験と透水率測定」
沈み込み帯で生じる地震の発生過程を記述するためには、沈み込み帯の断層を構成する岩石のせん断破損構成則や透水率の評価が必要不可欠である。特に、透水率構造は断層周辺の間隙水圧分布を見積もる上で重要である。過去の研究において、断層岩を用いた室内実験はほとんどおこなわれていない。、陸上付加体に存在する過去の断層岩を用いたせん断破壊実験・透水率測定をおこなうことで、より現実に近い断層物質のせん断破損特性や透水率構造の評価を目指す。物質科学的な視点を取り入れ、より現実に即した地震発生シミュレーションへ貢献できる。
過去の震源断層と考えられている興津（高知県）の断層帯（四万十帯中）から玄武岩を採取した。この玄武岩が過去に経験したと考えられる岩石圧(140 MPa)、間隙水圧( < 115 MPa)、温度( < 250oC)を室内で再現し、透水率測定・せん断破壊実験をおこなった。有効封圧35
MPa ・常温下で得られた透水率は10-16 ~ 10-19 m2であった。有効封圧の増加に対する透水率の変化は花崗岩に比べ大きい。透水率測定後、せん断破壊実験(有効封圧35
MPa)をおこない、最大せん断強度は120 ~ 170 MPa、破損応力降下量は50 ~ 100 MPa、臨界すべり量は約0.3 mmと求まった。花崗岩にくらべ、最大せん断強度・破損応力降下量は約20%、臨界すべり量は約50%、小さな値を示す。試料の不均一性のため各パラメータの値はばらつくものの、せん断破壊実験前の透水率と負の良い相関が観察された。つまり、透水率が大きいほど試料中のクラックなどの構造的弱面が多くなり、最大せん断強度が減少する。せん断破壊実験をおこなった後、差応力を加えずに温度250℃の条件下で保持をおこなった。その結果、透水率が50時間で2
~ 3桁近くも減少した。しかし、このような短時間では強度の回復はほとんど見られなかった。実験後のSEM観察により、破壊面上にある種の粘土鉱物が沈殿した結果、透水率が低下したものの強度はほとんど回復しなかったと考えられる。
I.2 「アプライトを用いたせん断破壊実験−黒雲母の花崗岩へ及ぼす影響」
これまで、試料として花崗岩を用いてすべり依存性構成則を規定するパラメータの温度・圧力について調べてきた(Kato et al., 2002)。各構成則パラメータ（最大せん断破壊強度など）は、温度300℃以上で温度依存性が強くなることが明らかとなった。Post-failure過程におけるせん断破損過程の安定性も、300℃を境界として増すことが示され、地殻内の微小地震活動の下限を説明するものと考えられる。実験後の破壊面の顕微鏡観察をもとに、黒雲母と石英の塑性変形が脆性変形に混合することで上記のような温度依存性が生じるものと解釈した。しかし、なぜこのような遷移が300℃付近で生じるのかについては未解明のままであった。そこで、黒雲母をほとんど含まないアプライトを用いて比較実験を行い、300℃付近で観察された強度低下・安定性の増加の原因を解明することを目指す。
有効封圧210MPaの条件下、様々な温度条件で実験をおこなった。最大せん断強度は100℃以下ではほぼ一定値をとるが、150℃以上において徐々に減少する。同時に、150℃以上においてせん断破損過程の安定性が徐々に増加する。このような変化は、花崗岩を用いた場合には300℃付近で観察されたのに対し、アプライトでは150℃付近で確認された。実験後の破壊面の顕微鏡観察により、温度100℃以下ではほぼ一つのせん断面で破壊が生じていたのに対し（せん断帯の厚さ約~0.3
mm）、150℃以上では微小クラックが多数発生し厚みをもつ破砕帯（厚さ約3 mm）を構成する(Cataclastic Flow)ことがわかった。実験結果より、その原因として、温度上昇にともなう熱クラックの発生が粒子破砕を引き起こしたと考えられる。黒雲母を含む花崗岩では熱クラックは発生するものの、粒子破砕が起こる圧力よりも低い圧力で黒雲母の塑性変形が生じてしまうため、アプライトで観察された150℃付近での変化が見られなかったと推定される。つまり、黒雲母の塑性変形により地震活動の下限がより深部へずれているものと考えられる。
小課題 (II)「アスペリティと非地震性領域の棲み分けー室内実験と数値実験ー」
既往大地震の破壊過程の研究により，アスペリティは場所に固有であること，アスペリティと非地震性すべり領域とが棲み分けているらしいことがわかってきた．また，東海地域
のプレート境界では2001年から非地震性すべりが国土地理院GPSにより検出されるとともに，過去にもそのような非地震性すべりが起こっていたことを示す地殻活動データが報告され，非地震性すべりが間欠的に発生していた可能性が示された．本課題では，室内実験と数値実験によりアスペリティと非地震性すべり領域との相互作用について明らかにすることを目指す．
大型剪断試験機を用い，長さ1mの花崗岩の模擬断層面に摩擦特性の異なる領域を分布させ，すべり実験を行った．模擬断層面のうち，半分の50cmの領域に薄いテフロンシートを挟みa-b>0となるようにし，残り半分の領域は花崗岩どうしを直接接触させa-b<0にした．断層に沿って多数の変位計と歪ゲージをセットし局所的な変位と剪断歪を測定した．
a-b<0の領域はアスペリティ的に振舞い，固着すべりを起こした．a-b>0の領域では，アスペリティでの動的すべりにより応力が急激に上がり，それを緩和しながら顕著な余効すべりが起こった．この非地震性すべり領域でも，アスペリティでの動的すべりに連動し地震時すべりを起こすが，地震時すべり量はアスペリティから離れるほど小さくなっている．この実験では，アスペリティの内部で前兆的すべりが起こり，動的すべりが開始した．非地震性すべり領域では，自らすべりを加速するポテンシャルはないが，アスペリティでは蓄えた応力を凖静的・凖動的に解放することにより徐々に加速する前兆的すべりを起こし得る．
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使った数値実験を行った．a-b<0のブロックとa-b>0のブロックを仮定し，適当な摩擦パラメータを仮定すると，室内実験でみられたアスペリティと非地震性すべり領域の相互作用による余効すべりを定量的に再現できた．
次にふたつのブロックのa-bは負に設定し，(b-a)/Lで与えられる臨界ばね定数が系のスティッフネスより一方は大きい値（不安定になる），他方は小さい値（安定になる)に仮定した．ただしLは臨界すべり変位である．後者のブロックのパラメータが安定・不安定境界に近いとき，間欠的な非地震性すべりを起こすことを示した．
小課題（III）「すべり破壊核形成過程のモニタリング手法の開発」：
これまで行ってきた、模擬断層面に弾性波を照射して断層面の接触状態変化を追跡する手法を、ガウジを挟んだ断層面に適用するための実験装置を設計した．装置は小型のせん断装置であり、二枚のプレートの間にガウジを挟み、上盤にせん断力を加えながら、これに弾性波を照射し、この変化を観測する．垂直加重は最大100N、上盤の変位速度は0.05ミクロン／sから2mm/s、とした．上盤の動きを正確に観測するため、垂直方向３箇所、水平方向２箇所に変位計を設置する．これにより、載荷によって変化すると考えられる上盤の３次元的な挙動を捉えることができる．またこの変化から、ガウジ層内の接触状態の変化を推定することができる．透過波動の変化とあわせ、最終的な破断（スティックスリップ、地震）に至る過程での変化を詳細に捉えることができると思われる．
小課題（IV）「砂山くずしの実験的研究」：
実験で得られた、砂山のサイズによるナダレの挙動のドラスティックな変化、すなわち、べき乗則に従うサイズ分布から、固有地震的な、大きなナダレの周期的発生に至る変化の原因を調べるために、セルラーオートマトンモデルによる数値実験をおこなった．システムのサイズ、すなわちセルの数を変化させることによって実験で観測された上記変化が再現されることが期待されたが、セルの数が増えるにしたがって最大ナダレの大きさはセルの数のべき乗に比例して大きくなることは分かったが、変化は連続で自己アフィン的であり、実験でみられたドラスティックな変化は再現できなかった．このことは、固有地震的な振る舞いへの変化の背後にある物理は、セルラーオートマトンモデルによる単純なメカニズムではなく、未だ十分理解されていない複雑な物理が潜んでいると思われる．
(8) 平成15年度の実施計画概要
小課題 (I) 「観測可能量と構成則パラメータの関係」
次期予知計画では「地震発生の素過程」という項目をたて，観測可能なVp，Vs，比抵抗などから，どのような物質がどのような状態にあり，どのような摩擦・破壊特性であるか推定できるようになることを目指した，実験的研究を推進することが予定されている．そのことを視野に入れ，平成14年度より弾性波速度を高温高圧で測定できるよう実験装置の改造を開始した．平成15年度からは改造した装置を使い，地震発生域と同様の条件下で，構成則パラメータと弾性波速度の同時測定を開始する．また，比抵抗も測定できるように装置を改造する．
小課題 (II)「アスペリティと非地震性領域の棲み分けー室内実験と数値実験ー」
前年度の室内実験・数値実験を引き続き行うとともに，両者間でフィードバックを繰り返しながら研究を進めていく．数値実験では予測できなかった結果が，室内実験に現れる可能性があるが，それは数値実験で考慮に入れなかった要因によるだろう．そのような現象が得られたら，そのような要因を入れられるように計算プログラムを改良し，より現実的なシミュレーションを行う．これまでの結果によると，異なる摩擦構成則を仮定すると全く異なるパターンになることがある．本研究では，古典的な最大静摩擦・動摩擦則の他，いくつかのヴァージョンの速度および状態依存構成則を仮定して数値実験を行う．室内実験の結果と比較することにより，どの摩擦法則が実際の挙動をよく説明できるか検討し，それぞれの摩擦法則の適用限界などを明らかにする．
小課題（III）「すべり破壊核形成過程のモニタリング手法の開発」
平成１５年度には上記装置による実験を開始し、ガウジの粒系、材質などをさまざまに変えて観測を実施する．
小課題（IV）「砂山くずしの実験的研究」
平成１５年度には、さまざまな角度からこの問題を追及し、固有地震的挙動にいたるメカニズムの解明をめざす．
(I)の大型高圧高温岩石破壊装置の維持経費など主たる経費は特殊装置維持費による．(III)，(IV)は横浜市立大学との共同研究．
(9) 5ヶ年の到達目標に対する平成15年度の計画の位置づけ
摩擦構成則パラメータの温度，圧力，間隙圧依存性は５年の研究でほぼ明らかになり，到達目標を達成する予定である．平成15年度は次期５カ年計画に向け，弾性波速度などの観測可能量と摩擦構成則パラメータの同時測定を開始する．アスペリティと非地震性領域の棲み分けに関する研究は，プレート境界域のアスペリティの理解の深化に伴い５カ年計画の途中から追加した小課題である．プレート境界域における多様なすべりモードを統一的に理解できるようになることを目指す．すべり破壊核形成過程のモニタリング手法の開発については，基礎的な研究をほぼ完了させる．砂山くずしモデルの再検討も５カ年計画の途中から開始した課題であるが，固有地震的挙動の背後の物理を理解するうえで極めて重要なため継続して進める．
(10) この計画の実施担当連絡者
氏名：吉田真吾
電話：03-5841-5814
FAX ：03-5689-7234
e-mail:shingo@eri.u-tokyo.ac.jp