地震断層における熱圧化履歴の地球化学的・岩石学的評価

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 24340127
• 研究機関: 独立行政法人海洋研究開発機構
• 研究代表者: 石川 剛志 独立行政法人海洋研究開発機構, 高知コア研究所, グループリーダー (30270979)
• 研究期間 (年度): 2012-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 地震断層 / 地球化学 / 微量元素 / 同位体 / 熱圧化 / 流体 / 断層滑り

研究概要

１．地球深部探査船「ちきゅう」による東北地方太平洋沖地震調査掘削（IODP Exp.343，略称JFAST）で採取した間隙水試料の主成分・微量元素分析（昨年度実施）に基づき，プレート境界断層に沿った流体移動およびそれが温度分布に与える影響を評価した。これに基づき，JFAST掘削孔の温度計測においてプレート境界断層で検出された約0.3℃の正の温度異常は地震時の摩擦熱によるものと断定し，地震時の断層の動的摩擦係数が非常に小さかった（約0.08）ことを明らかにした。地震時の熱圧化を示唆し，巨大津波発生機構の理解につながるこの成果は，サイエンス誌に掲載された。
２．JFASTコア試料の微量元素・同位体分析により，プレート境界断層の岩石は希土類元素等に富む特徴的な組成を持つことが分かった。また，太平洋プレート上の掘削孔DSDP Site 436の掘削コア試料との比較から，断層岩の原岩は始新世～中新世のスメクタイトに富む堆積物であることが判明した。この成果については国際学会であるAGU Fall Meeting（サンフランシスコ）で発表を行った。
３．地震時の滑りによる断層物質の破壊がメカノケミカル効果により断層の滑り特性に与える影響を評価した論文が国際誌に掲載された。また，長野大鹿村の中央構造線の断層の分析により地震滑りに伴う最高250℃に達する流体岩石相互作用の痕跡を検出したほか，南海トラフの巨大分岐断層掘削（IODP Exp.316）で得られたコア試料の分析データの解析から地震時の断層温度が150～250℃程度であったことを明らかにした。これらの成果をとりまとめ論文として投稿した。
４．断層における流体岩石相互作用を評価する新しいツールとなり得る岩石のホウ素同位体比をマルチコレクターICP質量分析計で測定する手法について基礎技術を確立した。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

長野大鹿村の中央構造線および南海トラフの巨大分岐断層における地震時の流体岩石相互作用を地球化学的・岩石学的に評価した成果を取りまとめて論文として投稿できたほか，研究開始時には予定していなかった東北地方太平洋沖地震断層掘削孔の温度計測および掘削コア試料・間隙水試料の化学分析で，地震時の断層の熱圧化を示唆する非常に小さな動的摩擦係数を明らかにする画期的な成果が得られた（論文がサイエンス誌掲載）。このように研究は計画以上の進展を見せている。

今後の研究の推進方策

東北地方太平洋沖地震の断層帯の研究は当初計画していなかったものであるが，その科学的・社会的重要性に鑑み今後さらに重点的に取り組みたい。今後はJFAST掘削コア試料等の分析により，東北地方太平洋沖地震の断層帯最浅部の地球化学的特徴および流体特性を明らかにするとともに，断層岩に記録された地震時の流体岩石相互作用を評価する研究を展開する。また，台湾チェルンプ断層，房総付加体中の化石断層等に関する地球化学的・岩石学的解析も予定通り行う。

次年度の研究費の使用計画

東北地方太平洋沖地震調査掘削の研究を予定よりも優先して行うことになったために，当初予定していた断層調査・試料採集および微量元素分析・同位体分析の一部が次年度実施となった。
断層調査・成果発表等のための旅費，および断層試料の元素分析・同位体分析を実施するために必要な実験消耗品の購入費として使用する。

研究成果

• [雑誌論文] Low coseismic friction on the Tohoku-oki fault determined from temperature measurements (2013)
  • 著者名/発表者名: Fulton, P. M., Brodsky, E. E., Kano, Y., Mori, J., Chester, F., Ishikawa, T., Harris, R.N., Lin, W., Eguchi, N., Toczko, S. and the Exp. 343/343T and KR13-08 Scientists
  • 雑誌名: Science 巻: 342 ページ: 1214-1217
  • DOI: 10.1126/science.1243641
  • 査読あり
• [雑誌論文] Importance of mechanochemical effects on fault slip behavior during earthquakes (2013)
  • 著者名/発表者名: Hirono, T., Tanikawa, W., Honda, G., Kameda, J., Fukuda, J. and Ishikawa, T.
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 40 ページ: 2988-2992
  • DOI: 10.1002/grl.50609
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structure and composition of the plate-boundary slip zone for the 2011 Tohoku-oki earthquake (2013)
  • 著者名/発表者名: Chester, F. M., Rowe, C., Ujiie, K., Kirkpatrick, J., Regalla, C., Remitti, F., Moore, J. C., Toy, V., Wolfson-Schwehr, M., Bose, S., Kameda, J., Mori, J. J., Brodsky, E. E., Eguchi, E., Toczko, S. and Expedition 343 and 343T Scientists ( including Ishikawa, T.)
  • 雑誌名: Science 巻: 342 ページ: 1208-1211
  • DOI: 10.1126/science.1243719
  • 査読あり
• [雑誌論文] Low coseismic shear stress on the Tohoku-oki megathrust determined from laboratory experiments (2013)
  • 著者名/発表者名: Ujiie, K., Tanaka, H., Saito, T., Tsutsumi, A., Mori, J. J., Kameda, J., Brodsky, E. E., Chester, F. M., Eguchi, N., Toczko, S. and Expedition 343 and 343T Scientists (including Ishikawa, T.)
  • 雑誌名: Science 巻: 342 ページ: 1211-1214
  • DOI: 10.1126/science.1243485
  • 査読あり
• [学会発表] Geochemical characteristics of core samples from IODP Expedition 343, Japan Trench Fast Drilling Project (JFAST)
  • 著者名/発表者名: Ishikawa, T., Matsuoka, J., Mori, J., Chester, F., Eguchi, N., Toczko, S., and Expedition 343 Scientists
  • 学会等名: AGU 2013 Fall Meeting
  • 発表場所: Moscone Center, San Francesco, USA
• [学会発表] Boron and strontium isotope constraint on the origin of interstitial water from IODP Expedition 343, JFAST
  • 著者名/発表者名: Ishikawa, T., Sample, J., Takai, K., Chester, F., Mori, J., Eguchi, N., Toczko, S. and Expedition 343 Scientists
  • 学会等名: JpGU 2012 Meeting
  • 発表場所: Makuhari Messe, Chiba
• [学会発表] 微量元素・同位体分析が明らかにする地震断層のすべりメカニズム
  • 著者名/発表者名: 石川剛志
  • 学会等名: プラズマ分光分析研究会第88回講演会
  • 発表場所: 徳島大学, 徳島県
  • 招待講演
• [学会発表] IODP 東北地方太平洋沖地震調査掘削（JFAST）で得られたコア試料の微量元素分析
  • 著者名/発表者名: 石川剛志・松岡淳・James Mori・Frederick Chester・江口暢・Sean Toczko・Expedition 343乗船研究者一同
  • 学会等名: 2013年度日本地球化学会第59回年会
  • 発表場所: 筑波大学, 茨城県
• [学会発表] JFAST掘削コア試料の微量元素組成
  • 著者名/発表者名: 石川剛志・松岡淳・James Mori・ Frederick Chester・江口暢久・Sean Toczko・Expedition 343 乗船研究者一同
  • 学会等名: 日本地質学会第120年学術大会
  • 発表場所: 東北大学, 宮城県
• [学会発表] Low coseismic friction on the Tohoku fault determined from subseafloor temperature measurements
  • 著者名/発表者名: Fulton, P. M., Brodsky, E. E., Kano, Y., Mori, J. J., Chester, F. M., Ishikawa, T., Harris, R. N., Lin, W., Eguchi, N., Toczko, S., and Expedition 343/343T Scientists
  • 学会等名: AGU 2013 Fall Meeting
  • 発表場所: Moscone Center, San Francesco, USA
• [備考] プレスリリース：東北地方太平洋沖地震における巨大地震・津波発生メカニズムの解明
  • URL: http://www.jamstec.go.jp/j/about/press_release/20131206/