(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) 本課題の5ヵ年計画の概要とその成果
(4-1)建議の項目：１（３）直前過程における地殻活動
(4-2) 関連する「建議」の項目：１．（２）エ，（３）ア，ウ，（４）ア，３．（１）ア
(4-3) 5ヵ年計画全体の目標：地震発生の直前予知のためには，地震発生準備過程の最終段階において活性化すると思われる物理・化学過程をモデル化し，その妥当性を検証することが必要である．そのために，前駆現象の発現機構を解明するための実験的・理論的研究を進める．(a) 震源核の定量的モデリング：高圧高温岩石破壊装置を用いた実験により，構成法則の地震発生場環境要因（温度，圧力，間隙水，歪速度，破損面幾何学的不均一度）依存性の定量的評価を継続する．(b) 前駆的電磁気現象の解明：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，室内実験を行う．(c) 震源核検出の手法の開発：能動的に高周波数弾性波を照射する大型試料のすべり実験により，巨視的すべりに至る過程における微視的接触状態の変化を検出する手法を開発する．
(4-4）5ヶ年計画の実施状況の概要と主要な成果：
本研究課題は以下の6つの小課題からなる．
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」H11-15
小課題 (II)「震源環境下における摩擦強度回復の物理機構」H15
小課題 (III)「アスペリティと非地震性領域の棲み分けと相互作用」H12-15
小課題 (IV)「破壊に伴う電磁気シグナル発生のメカニズムの解明」H11-13
小課題 (V)「すべり破壊核形成過程のモニタリング手法の開発」H11-15
小課題 (VI)「砂山くずしの実験的研究」H13-14
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」
●花崗岩のせん断破損構成則の環境要因依存性
温度・圧力・流体圧・歪み速度などの環境条件がせん断破壊構成則に与える影響を定量的に評価した．花崗岩を用いた場合，深さ10km（温度300℃以下）以浅の温度・圧力条件下では，せん断破壊強度は線形に増加し，破壊過程の安定性はほぼ一定であった．一方，深さ10km以深ではせん断強度は減少し，破壊過程の安定性が深さ（主に温度）とともに増加した(図1)．実験後の試料観察により黒雲母と石英の塑性流動が，脆性破壊と徐々に混在化することで上記の変化が生じたことを示した．地殻内の微小地震活動や大地震の破壊領域の下限が300℃の等温線にほぼ一致するのは，温度の増加により破壊過程の安定性が増すことが主な原因であると考察した[Kato et al., 2003a，加藤・大中, 2000]．さらに，構成則パラメータを温度・圧力の経験的関数として導出することに成功した[Kato et al., 2004b]．また，歪み速度の減少に対し，せん断強度が減少し，破壊過程の安定性が増すことを明らかにした．破壊過程の歪み速度依存性は摩擦のそれと類似しており，両者を律速する物理現象は共通していると考えられる．乾燥試料と湿潤試料を用いた比較実験により，湿潤状態の方が化学的効果により破壊強度，破壊過程の安定性，歪み速度依存性に顕著な変化をもたらされることを明示した[Kato et al., 2003b]．
●過去の震源断層周辺の水理特性とせん断破壊過程の性質
陸上付加体に存在する過去の断層帯周辺の岩石を用いて，震源域に相当する温度・圧力条件下でせん断破壊実験・透水率測定をおこなった[Kato et al., 2003c, 2004a]．断層帯中のせん断集中部は透水率が高いが，せん断集中帯を覆うコヒーレント（整然層）な砂岩は逆の性質を有することを示した．これらの結果をふまえ，透水率の低いコヒーレントな砂岩がキャップロックとなり，沈み込む堆積物から脱水する水がトラップされることで深部反射面（DSR）が形成されるというモデルを提唱した[Kato et al., 2004a]．さらに破壊実験により，せん断集中部とメランジュ中の泥岩は周囲の岩石よりもせん断破壊強度が弱く，且つ脆性領域の花崗岩にくらべ破壊過程の安定性が大きいことを示した．せん断集中部やメランジュは硬いコヒーレントな砂岩と海洋地殻に挟まれたまま，低応力下で安定的に歪みを解放する可能性を指摘した．
●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
黒雲母をほとんど含まないアプライトを用いて花崗岩との比較実験を行なった．破壊強度は150℃以下ではほぼ一定であるが，150℃以上では温度の増加にともない徐々に減少する．同時に，せん断破損過程の安定性が150℃以上では増加する．顕微鏡観察により、低温では主に一つのせん断面で破壊が生じているのに対し，高温では微小クラックが多数発生し厚みのある破砕帯を構成することがわかった．温度上昇により粒子破砕が発達しCataclastic Flowを引き起こしたと考えられる．花崗岩では粒子破砕が発生する圧力よりも低い圧力で黒雲母の塑性変形が生じ、破壊面の局在化を引き起こすと推定される[Kato et al., 2004c]．
小課題(II)「震源環境下における摩擦強度回復の物理機構」
既存断層で地震が繰り返すには，破壊した断層の摩擦強度が回復しなければならない．また，強度の時間的回復は，断層運動が非地震性クリープ滑りになるか地震—固着を繰り返すかを決める強度の速度依存性の原因でもある．断層挙動のモデリングは，室温で短時間に立ち上がるタイプのメカニズムによる強度回復の観察を用いていたが，大地震のおこる150-300度程度の熱水環境では異なる化学過程による強度回復が励起されうる．本研究では，実験室で200度程度の熱水に溶け出した鉱物が間隙水中を移動，再沈殿することによる新たな強度回復過程を発見した[Nakatani and Scholz, 2004a]．この過程は飽和した溶液中でも局所的な溶解度不均質を利用して進行することがわかったので自然環境下においても幅広い条件で有効であると期待される．溶解輸送型強度回復が大きく現れ始める臨界時間は，室温型のメカニズムより数桁長い（図２）．従来このような現象はもっと高い温度に限られると思われていたが，それは，単に実験時間が十分でなかったためと思われる．
さらに，臨界時間の温度依存性や強度回復の大きさを，素過程である溶解輸送過程から定量的にモデリングし，実験室での観察と整合的であることが確かめられた[Nakatani and Scholz, 2004b]．強度回復の素過程は化学的なものであるから，様々な鉱物種が関与し，また実験時間よりずっと長い100-1000年のサイクルで活動する地震断層への適用のためには，このような実験事実の物理的理解が欠かせない．
小課題 (III)「アスペリティと非地震性領域の棲み分けと相互作用」
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，GPSデータなどから東海地域のプレート境界では，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．本課題は，室内実験と数値実験によりアスペリティ間の相互作用，および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して，H12年度より開始した．
大型剪断試験機を用い，長さ1mの花崗岩の模擬断層面にふたつのアスペリティを生成させて固着すべり実験を行い，アスペリティの強度比によって，ふ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を示した[Yoshida and Kato, 2001]．また，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速度・状態依存摩擦構成則パラメータのa-bが負となるようにし，残り半分の領域は花崗岩どうしを直接接触させa-bが正となるようにして実験を行った．a-b<0の領域はアスペリティ的に振舞い，固着すべりを起こすが，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．
状態・速度依存摩擦構成則を仮定し，二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い，プレート境界で見られる多様なすべりモードの棲み分けが摩擦パラメータによって規定されており，パラメータ空間上で図3のように４つのregimeに分類できることを示した[Yoshida and Kato, 2003; Yoshida
et al., 2004]．kはシステムのばね定数，kcは摩擦パラメータで決まる臨界ばね定数である．regime1：k>kcでありアスペリティとして振る舞う．自ら動的破壊に移行するポテンシャルを有しており，動的破壊の前にプレスリップが生ずる．regime 2：k<kcであるが，安定・不安定境界に近い．隣りのブロックが動的破壊を起こすとトリガーされて応力降下を伴う動的すべりを起こす（図4）．その後固着しているが，応力があるレベルまで蓄積すると，定常値の周りですべり速度や応力が振動を始め，やがて定常状態へ収束していく．このような間欠的な非地震性すべりが，東海地域で検出されている準静的すべりに対応しているかもしれない．regime 3：regime 2と本質的には同様の振舞いをするが，振動することなく定常状態にスムーズに収束する．regime
4：a-b>0であり，固着ステージがない．隣りのブロックの動的すべりにより急激に応力荷重がなされ，その応力を緩和しながら余効すべりを起こす．相互作用が強い場合，隣りのブロックがすべるとつられて動的すべりを起こすこともある．
また，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余効すべりを定量的に再現できることも示した．
ふたつのブロックモデルにおいて古典的は最大静摩擦と動摩擦を仮定し，相互作用によってカオス的に振る舞うことがあることが報告されているが，その検討を行った．その結果，報告されているカオスの状態では，実は強い規則性が見られ，特に大イベントについては高い確率で予測可能であることを示した．また，瞬間的に強度回復するという非現実的な仮定を取り除くと，多くのカオス解が周期解に変わることを明らかにした．
小課題 (IV)「破壊に伴う電磁気シグナル発生のメカニズムの解明」
間隙水存在下で岩石破壊実験を行い，変形に伴って発生する電流が，破壊前のダイラタンシーの成長，およびそれにより引き起こされる間隙水の移動と非常に強い相関をもつことを示し，界面動電効果によって破壊前に電流が発生することを実証した[Yoshida, 2001]．また，シグナルの強さを規定する流動電流係数の透水率依存性，周波数依存性，温度依存性を調べた．
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，圧電効果で分極しても瞬時に緩和されるので，湿潤状態では乾燥状態に比べ一般的にはEMEは出にくいと考えられていた．しかし，AEに伴って発生するEMEは，応力変化の速度が非常に速く電気的緩和の時定数より短周期成分をもち，乾燥状態のときとそれほど違わない頻度で検出できることを確かめた．
小課題（Ⅴ）「すべり破壊核形成過程のモニタリング手法の開発」
室内実験において，断層が最終破断に至る応力増加のすべての段階において，断層を透過する波動の変化を観測することにより，断層の状態変化の把握とすべり予測を行う試みを続けてきた．せん断応力載荷の初期の段階から，透過波動の振幅に著しい増加がみられたが，これはD.Taborの提唱するjunction
growth のメカニズムで定量的にも説明されることが分かった．また，動的すべりの直前過程では，この振幅の増加率は減少することも明らかとなった．
これらの成果の上にたち，同様の手法を，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・構築した(図5(a))．装置は小型のせん断装置であり，二枚のプレート(UB，LB)の間にガウジを挟み，上盤(UB)にリニアモーター(LM)を駆動源とする板バネ(LS)を介してせん断力を加えながら，これに弾性波を照射し，この変化を観測した．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，である．上盤の動きを正確に観測するため，垂直方向３箇所(VD1, 2, 3)，水平方向２箇所(HD2,３)に変位計を設置した．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．図5(b)に断層の水平変位と，断層を垂直に横断した波動の振幅変化を示す．せん断応力の載荷の初期の段階から振幅に増加が見られ，動的破壊の直前にこれが減少するという傾向は同様である．今後，ガウジの種類，粒径，載荷速度，などのパラメータを変え，さらに詳しい実験を行う必要がある．
小課題（Ⅵ）「砂山くずしの実験的研究」
地震は予知が出来ないとする論拠の一つに，地震はGutenberg-Richter則にしたがう自己組織化臨界現象（Self-organized criticality,
SOC）であるからである，というものがある．確かにSOCであれば地震はランダムに生起し，予測は不可能であろう．しかしながら，SOC的な振る舞いは巨大地震を含むすべての地震にあてはまるかどうかは疑問である．事実，海溝沿いの巨大地震などは，ある程度の周期をもって，同じ規模の地震が同じ場所で繰り返し起きてきた（固有地震）ように見える場合が少なくない．小さな地震と，大きな地震の間には，その起こり方（規模別頻度分布，周期性など）に不連続性があるように思われる．
実際の砂を使った砂山崩しの実験にはこれに酷似した不連続性が認められる．まずこれを実験によって確かめた．砂山崩しの実験では，この不連続性は砂の粒径と砂を受けるディスクの径の比のみによって決まる（図6）．さらにセルラーオートマトンモデルによる数値実験を行い，砂を使った実験で見られた不連続性は再現されないことを確認した．このことは，固有地震的な振る舞いへの変化には，砂山内部の応力鎖などにおける複雑なメカニズムが潜んでいることを示唆するものである．このメカニズムを解明することは，固有地震の発生メカニズムの理解への一助となり，地震予知への手がかりが与えられることが期待されるだけでなく，断層の成熟度に関する理解が深まることとなろう．今後の課題である．
(4-5）5ヶ年で得られた成果の地震予知研究における位置づけ：
小課題(I, II)の研究成果は，地震発生場における温度・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，とくに熱水環境条件下での断層構成法則や透水率を定量的に評価したことが新たな知見をもたらした．試料としても，実際の断層帯に存在する物質と類似したものを使用している．また，断層周辺での透水率構造を明らかにしたことで，震源域近傍での流体分布の推定が可能となる．このように，本成果は現実の地震発生予測モデルの構築をおこなう上で，重要な役割を担うものである．
課題(III)により，プレート境界における様々なすべりモードに関する理解が深まった．課題(IV)においては，電磁気シグナルから地殻活動に関する情報を抽出できるようになることを目指している．三宅島の傾斜計ステップに伴う自然電位変化の解釈に貢献しているが，大地震に適用できる段階には達してしない．
課題（Ｖ）では，断層が動的な最終破断に至る準備過程において，断層の接触状態の変化は断層を透過する波動によって検出の可能性があることが明らかとなった．課題（VI）では，単純な砂山崩しの実験から，ナダレの挙動は，地震発生の挙動と酷似していることが明らかとなった．すなわち，ＳＯＣ的な挙動と固有地震的な挙動が混在したものである．しかしながら，観察者に“混在”と見えるのはわれわれの知識が不足しているためであって，固有地震的な地震は十分に成長した固有の断層でしか発生しないのではないか，ということも実験結果から示唆された．地震を統計的に観察する場合，このような観点も重要ではないか，と思われる．
(4-6）当初目標に対する到達度と今後の展望：
構成則の環境要因依存性という点に関しては，地震発生場における温度，封圧力，間隙水圧力の構成則へ与える影響を定量的に評価することに成功した．また，歪み速度依存性も明らかにしており，時間的スケーリングの解明に向けて前進できた．今後は，様々な断層物質を用いた実験を積み重ね天然の断層帯の変形様式をより詳細に捉えたい．
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室内実験により明らかにした．流動電流係数などのパラメータが震源域でどのような値をとるか調べることが今後の課題である．
能動的に高周波数弾性波を照射する試料のすべり実験により，巨視的すべりに至る過程における微視的接触状態の変化を検出する手法を開発した．当初は，ガウジを含んだ断層についても，同様の手法を適用した実験を行う予定であったが，これについては実験装置を構築するに留まった．この課題については，次期計画で引き続き実施する予定である．
(4-7) 共同研究の有無：JAMSTEC, 理研，宇宙研等と共同実験を実施した．
(5) この研究によって得られた成果を公表した文献のリスト
(5-1）過去5年間に発表された主要論文
Kato, A., M. Ohnaka, and H. Mochizuki, Constitutive
properties for the shear failure of intact granite in seismogenic environments,
J. Geophys. Res., 108(B1), 2060, doi:10.1029/2001JB000791, 2003a.
Kato, A., M. Ohnaka,
Yoshida, S., and N. Kato, Episodic aseismic slip in a two-degree-of-freedom
block model, Geophys. Res. Lett., 30, 1681, doi:10.1029/2003GL017439, 2003.
Yoshida, S., Convection current generated prior to
rupture in saturated rocks, J. Geophys. Res., 106, B2, 2103-2120, 2001.
Yoshioka,N., A sandpile experiment and its implications
for self-organized criticality and characteristic earthquake, Earth Planets
Space, 55, 283-289, 2003.
(5-2）平成15年度に公表された論文・報告
Kato, A., A. Sakaguchi,
Kato, A., S. Yoshida, M. Ohnaka, and H. Mochizuki, The
dependence of constitutive properties on temperature and effective normal
stress in seismogenic environments, Pure Appl. Geophys., vol. 161, N.9/10,
2004b.
Kato, A., A. Sakaguchi, S. Yoshida, and Y. Kaneda,
Permeability and strength structure around an ancient exhumed subduction-zone
fault, Eos Trans. AGU, 84(46), Fall Meet. Suppl., Abstract T52C-0277, 2003.
Nakatani, M. and Scholz, C. H., Frictional healing of
quartz gouge under hydrothermal conditions 1: Experimental evidence for
solution-transfer healing mechanism, J. Geophys. Res. in press, 2004a.
Nakatani, M. and Scholz, C.H., Frictional healing of
quartz gouge under hydrothermal conditions 2: Quantitative interpretation with
a physical model, J. Geophys. Res. in press, 2004b.
Yoshida, S., A. Kato, N.Kato, M.Nakatani, Interpretation
of various slip modes on a plate boundary based on laboratory and numerical
experiments, submitted to Earth and Planetary Science, 2003.
Yoshioka, N., A trial to detect nucleation processes by
transmission waves across a fault that contains fault gouge, SS02/04A/D-060,
IUGG2003,
(6) この課題の実施担当連絡者：氏名：吉田真吾，電話：03-5841-5814，FAX：03-5689-7234，E-mail：shingo@eri.u-tokyo.ac.jp
図の説明
図1. 破壊過程の安定・不安定性を表すslip-weakening
rateの深さ(温度)分布．
図2. 溶解輸送過程による強度回復の時間依存性．石英粉粒を用い法線応力100MPaで実験を行った．
図3.摩擦パラメータによって決まる多様なすべりモード．
図4. ふたつのブロックモデルによる数値実験．ブロック２が安定・不安定遷移領域にあるとき間欠的な非地震性すべりが起こる．
図5.(a)装置図．(b)実験結果.
図6. 砂山崩しの実験結果．
