Stress evaluation of earthquake fault and slow slip fault in subduction zone

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K04019
• Research Institution: Yamaguchi University
• Principal Investigator: 坂口 有人 山口大学, 大学院創成科学研究科, 教授 (80304666)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 震源断層 / スロー地震 / 応力 / 沈み込み帯

Outline of Annual Research Achievements

沈み込み帯スロー地震の震源断層の化石を陸上付加体で特定し，その地質的特性を明らかにすることが本研究の目的である．地表の露頭に断層は無数にあるが，その断層がどれくらい速度で変位したのか，ということを知るのは容易ではない．例えば地震性の高速すべりであれば，摩擦熱が急増するため，断層中心部の局所的な高熱の痕跡が高速すべりの証拠とされてきた．しかしスロー地震のように，ゆっくりとしたすべりと停止を繰り返す場合は，地表露頭の断層のどのようなデータからスロー地震の断層だと証明できるのか，学界でもコンセンサスは無かった．
申請者はこれを区別する方法として断層が活動する寸前の応力集中現象に注目した．弾性体が歪みを蓄積し，破壊核から亀裂成長が始まる．この時に亀裂の先端に応力が集中する．応力集中のレベルは弾性体と弾塑性体では大きく異なる．例えばガラスは高い応力集中を起こしながら，亀裂は急速に進展して脆性破壊する．これに対して金属は亀裂先端が塑性変形するために，応力は集中しにくく，亀裂はゆっくりとしか進展せず，塑性破壊に至る．断層なら前者が通常の地震であり，後者がスロー地震に相当すると考えられる．そのため断層周辺の古応力分布を明らかにして，応力集中の度合いから通常の地震の震源断層と，スロー地震の断層かが識別可能であろうと期待される．
断層の古応力状態を知る手法として，カルサイトの双晶密度を用いる．カルサイトは外部から力を受けると結晶内部に微小な変形組織を残す性質がある．これを使って，通常の地震の震源断層とスロー地震の断層の識別方法を検討する．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度は模擬岩石を用いて，弾性率の高い材料と低い材料にカルサイトを混入し，それを力学試験して材料特性と双晶密度の基本的性質を調べた．模擬岩石としては高強度セメントによるモルタル試料を用いた．モルタルは多くの結晶粒子の集合体であり，力学的性質が岩石と似ている．またモルタル試料は制作するときの，セメントと水の比率によって，ヤング率や破壊強度が大きく変化する．この特性を利用して，ヤング率の異なる様々な模擬岩石を作成し，そこにカルサイト粒子を混ぜ入れて力学試験を行った．その結果，材料のヤング率および弾性変形領域と塑性変形領域によって応力とカルサイト双晶密度の増加率に違いがあることがわかった．

Strategy for Future Research Activity

様々な力学特性の材料におけるカルサイト双晶密度の振る舞いが確認できたので，通常の地震の震源域の深度の断層から，深部のスロー地震の領域における断層まで，様々な深度で形成された断層周辺のカルサイト双晶密度を測定し，断層周辺の応力集中度合いを調査する．
これによって応力集中の度合いから，断層周辺の岩石が，弾性体として振る舞ったのか，塑性的に振る舞ったのかを判別できると期待される．普通の地震の震源断層であれば，断層周辺で高い応力集中を示すであろう．一方で，深部のスロー地震の断層であれば，高温でやや塑性的に振る舞ったと考えられるので，断層周辺では緩やかな応力集中になることが期待される．
四国および九州の太平洋側に露出する四万十帯は，過去のプレート沈み込み帯が地表に露出した地質体であるため，そこに発達する主要な断層の周辺の応力集中の度合いを明らかにする．そしてスロー地震の断層を特定し，地質学的な特徴を記載する．