課題0207

図1・ 図2・ 図3・ 図4・ 図5・ 図6・ 図7・ 図8・ 図9・ 図10・ 図11・ 図12・ 図13

平成12年度成果アンケート

(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12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：
　繰り返し注水実験データの解析により、断層周辺岩盤における固着過程の進行が複数の観測項目から推定され、主要な到達目標（断層回復過程）の達成に対して目途が得られた。注水時のボアホール地殻変動観測から、断層破砕帯の発達方向が示唆された。比抵抗観測により、断層周辺の応力変化を定量的に議論する目途が得られた。注水実験に伴う誘発地震の解析から、断層近傍における極微小地震の発生過程の特性が分かりつつある。ボアホール地震波形の解析により、断層トラップ波が検出され、波形の時間変化の検出可能性が示された。シュードタキライト掘削が行われ、各種解析が進行中である。アクロス連続観測によりボアホール歪み、水圧と連動した変動（地震余効変動）を捉えることができた。

(5)平成12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」のどの項目を実施するのか：
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12年度項目別実施計画のどの項目を実施するのか：
「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12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いる。平成12年度は、11年度に実施された第２回注水試験の各観測項目のデータが解析され、野島断層の回復過程について総合的に検討された。さらに、シュードタキライト掘削、アクロスの長期間連続運転、ボアホール地殻活動データの解析、断層トラップ波の解析も行われた。

１．繰り返し注水実験による回復過程の検出
　断層の回復過程、および誘発地震の発生メカニズムの解明等を目的として、2000年１-３月にかけて、第２回目の注水実験が実施された。第１回注水実験（1997年1-2月）の結果と合わせて解析が行われた。主な結果を以下に示す。

(1) 注水孔（1800m孔）内温度分布の連続計測によると、注水後、深度600m以深に有意な温度変化が認められず（図1）、2000年実験では、注入水の大部分は深さ540m付近から孔外に漏れ出たと推定される。1997年実験中の温度計測データはないが、注水終了4-5ヶ月後の計測において、480-550m付近に同様の温度異常パターンが認められた（図2）。従って、２回の実験とも540m付近からの注水として解析を行い、結果の比較が可能と考えられる。なお、注水実験の影響がほぼ解消した2000年10-11月に25日間孔口を開放し、孔口からの湧水とガス湧出を確認した。この湧水による温度上昇は540m付近よりも上部で観測され、湧水の発生場所は、注水時に水が漏れ出た場所と同じであることが分かった。

(2) 1997年、2000年実験ともに、注水孔から水平距離約50mの800m孔において時定数が数日の歪み変化（３成分縮み）が観測された（図3）。この歪変化の大部分は、注入水の拡散に伴う間隙水圧の上昇が引き起こす岩盤の収縮によって、ほぼ定量的に説明される。得られたk/S値 (透水係数/比貯留係数)は大きく、また方向により異なることから、岩盤の透水性が高く、かつ北東−南西（野島断層の走向）方向に破砕が発達していることが推定される。2000年の注水試験から求められたk/S値は，1997年の値と比べて同程度もしくは低下した。これは、破砕帯における固着の進行を示唆する。1997年の注水試験で歪および傾斜変化における潮汐振幅の増大が観測され、2000年の注水試験でも不規則的に現れる日周変化の増大が見られた。これは，岩盤中の間隙水圧が高まることによって、潮汐（特にO1分潮）応答が変化することを示すものかもしれない。

(3) 1997年、2000年実験ともに、800m孔での湧水量変化が観測された（図3、4）。２次元水拡散モデルによる数値計算では、岩盤の透水係数（＝水頭拡散係数D×比貯留係数Ss）を1997年：5.6x10-6〜6.3x10-6m/s，2000年：2.3x10-6〜3.0x10-6m/sとした場合に観測結果をよく説明した（図5）。すなわち、この３年間に透水性が半分程度に低下したことが推定された。

(4) 1997年、2000年実験ともに、自然電位の変化が観測され、その特徴は地下水流動により発生する界面動電現象の一種（流動電位）により説明できる。同程度の注水圧・注水速度に対する自然電位の変化を1997年と2000年で比較すると、明らかに2000年の方が変化が大きい（図6）。従って、電気的なパラメータ（誘電率、ゼータ電位）に変化がないと仮定すると、透水率が1997年から2000年にかけて40-60%程度に低下したことが推定される。

(5) 注水に伴う比抵抗のステップ状変化が観測された。これは、注水による岩盤応力の増加を表すと考えられる。

(6) アクロス連続観測による800m、1800m孔底地震計でのP、S波走時変化（0.02%分解能）、および500m孔水位については、注水に関係した変動は検出されなかった。

(7) 2000年実験では注水開始6-7日後から、注水孔周辺（距離約2-4km以内）の極微小地震活動が活発化した（図7、8）。これらの活動はクラスター構造を持つ。また、時系列以外にも、クラスター内（数十mスケール）での震源移動、クラスター間での震源域移動、注水前の地震と比べてb値が小さい、および震源が浅い、等の特徴を持ち、誘発地震である可能性が高い。1997年実験では注水開始4-5日後（約2日間早く）、ほぼ同じ領域に誘発地震が発生した。従って、注水孔から地震発生域（深さ2-4km）までの断層破砕帯に沿った領域の透水性が低下したことが示唆される。

(8) 1800mボアホール地震波形において、誘発活動と考えられる地震の多くは断層トラップ波を示さないが、一部の地震（図7のグループＢ）についてはトラップ波と考えられる波群を持つ。野島断層の傾斜と震源分布を考えると、誘発地震は断層破砕帯から下盤側にかけて発生したと推定される。

(9) 1800mボアホール地震計の10kHzサンプリングデータについて、注水実験中に発生した地震のP波を解析した結果、地震モーメントがコーナー周波数の-3乗に比例することが分かった。なお、同時に収録した100Hzサンプリングデータでは、-4乗に比例するという誤った結果が導かれる。また、初期破壊過程の解析から、観測されたP波初動部分のゆるやかな立ち上がりは伝播経路の影響ではなく、震源過程を反映し、その準備領域の大きさは最終的な地震の大きさと関連することが分かった。

以上のように、注水実験に伴う800m孔歪み・湧水量、および自然電位の変化、および誘発地震の発生時系列は、1997年から2000年にかけて野島断層において回復過程が進行しつつあることを示唆する。

２．シュードタキライト掘削
　兵庫県南部地震の際に活動した野島断層は、野島平林（北淡町）付近で最大の変位を示した。そこで発見された断層岩はシュードタキライトと固結した細粒ガウジの薄互層からなり、過去の地震性摩擦すべりの物理過程が詳細に記録されていることが既に分かっていた（Otsuki,2000）。2000 年8 月上旬、同地点のシュードタキライトの露頭掘削が行われ、長さ20m、幅3mの範囲にシュードタキライトを含む断層面を露出させた。図9に露頭の一例を示す。幅約11cm の部分が明灰色層と黒色薄層との互層になっていて、明灰色層が粘土化の進んだ花崗岩カタクラサイトである。最も厚い黒色層の厚さは約1cm だが、互層部写真上部1/4 （幅2.2cm ）には厚さ1-2mm の8枚ほどの黒色薄層が挟まれている。写真では区別できないが、これらの黒色層がシュードタキライトと固結細粒の薄互層をなしている。現在、取得したサンプルに対して、微細構造、電磁気特性、フィッショントラック年代測定、透水係数計測、ESR分析等の解析が行われている。

３．アクロス連続観測
　第２回注水実験から引き続き、14ヶ月にわたる連続運転を行った。図10に2000年1月5日から2001年2月8日までのアクロス震源と800m、1700mのボアホール地震計間でとらえられたＰおよびＳ波の走時変動を示す。800mおよび1700m地震計での変動パターンが年間を通じてほぼ同じであり、これは変動源が800mよりも浅部にあることを示す。7月頃の少雨期にＰ、Ｓともに走時が早まり、9月11日の豪雨によって元に戻っている。これは、夏の高温小雨による地表付近の弾性常数の変動による影響と考えられる。10月6日の鳥取県西部地震に伴う地震時変動と余効変動が見られる。特にＳ波では1ミリ秒におよぶ変動が見られ、これは主に水に満たされたクラック密度が増加した影響と考えられる。余効変動については、800m孔での歪み、地下水圧の変動と同じ時定数を持つことが注目される（図12参照）。図11（右）にＳ波の遅れの異方性を示す。北北東−南南西方向が遅れ最大（約1.3ミリ秒）の方向であり、最小（約0.8ミリ秒）の方向は直角方向である。これは西北西−東南東方向のクラックが選択的に増加したと考えればよい。地下水圧が地震時に上昇した（図12）ことを考慮すると、地震時に何らかの原因で地下水圧が上昇してこの地域の最大主圧縮応力の方向である西北西−東南東に割れ目ができたと考えられる。その結果として歪み計では北北東−南南西方向で最大の縮みが観測された（図11左）。このように高精度で地震波速度を計測することにより、これまで分からなかった地下水の挙動に対して一定のモデルを与えることができたことが大きな成果である。

４．800m孔地殻活動データの解析
　2000年8月3日、800ｍボアホール孔口を密閉し、それまでの湧水量測定を水圧測定に変更した。なお、観測開始初期（1996年5月〜12月末）は孔口密閉状態であった。鳥取県西部地震（2000年10月6日，Ｍ7.3，Δ160km，H11km，震央方向；北西）、兵庫県北部の地震（2001年１月12日，Ｍ5.4，Δ110km，H10km，震央方向；北）の発生前、800m孔においてステップ状の水圧変化（水圧急変）と歪変化（歪急変）が観測された（図12）。これらの変化を検討すると共に、過去約４年間のデータを調べた結果、水圧急変とそれに続く歪急変は各々の地震の前兆現象と考えられる。また，大きい地震の前は水圧急変量が大きく、震央方向に近い成分に歪急変が生じる傾向がある。従って、これらの観測量に注目した地震予知が可能と思われる。

５．電磁気学的調査
地震電磁放射現象の地中伝播経路調査のため、野島断層500ｍ孔内に設置されている電極間インピーダンスを測定データから推定し、地下電極を信号放射源として用いる場合の電力供給は100kHz付近で最大になることが分かった。これ は、活断層付近の特異伝播経路の存在を示唆するものである。実際に信号を地下電極から出し、地表で信号を受ける実験を３月上旬に行う予定。

６．断層トラップ波の観測
　1800mボアホール地震波形の系統的な解析により、断層トラップ波の検出およびその波形の時間変化検出を試みる。2000年注水実験に伴う誘発地震の一部にトラップ波が観測され（図13）、その波形を1995年兵庫県南部地震の直後に地上アレイ（平林）で観測されたトラップ波と比較した。その結果、破砕帯の幅は変わらずに、周辺岩盤との速度コントラストが小さくなっている可能性があり、野島断層の固着進行を示唆する。ボアホール地震観測と連動した地上アレイ観測を、孔口近傍で３月に実施する予定。

(5-4)「平成12年度の到達目標」に対する成果の概要：
　繰り返し注水試験データの解析により、断層周辺岩盤における固着過程の進行が複数の観測項目から推定され、平成12年度の主要な到達目標はほぼ達成された。注水に伴う誘発地震の解析、掘削されたシュードタキライト・サンプルの各種解析は現在進行中であるが、早い時期に成果が取りまとめられる予定である。断層トラップ波の解析については、時間変化の検出可能性が示されたが、ボアホールデータの系統的解析をさらに進めなければならない。

(5-5)共同研究の有無：
東京大学地震研究所、東北大学理学研究科、名古屋大学理学研究科、金沢大学自然科学研究科、高知大学理学部、愛媛大学理学部等、約15機関との共同研究。防災科学技術研究所、地質調査所の研究協力も得る。参加人員は約60名。

(5-6)平成１２年度の成果に関連の深いもので、平成１２年度に公表された成果：

Mukai, A. and K. Fujimori，Determination of elastic structure using strain changes observed at an 800 m borehole，J．Geod. Soc．Japan，46 Special Issue，2001．
Murakami, H., Hashimoto, T., Oshiman, N., Sumitomo, N., Yamaguchi, S., and Honkura, Y.: Electrokinetic phenomena associated with the water injection experiment at Nojima earthquake fault in Awaji Island, Japan. Island Arc, in press, 2001.
Nishigami, K., M. Ando, and K. Tadokoro, Seismic observation in the DPRI 1800m borehole drilled into the Nojima fault zone, southwest Japan, The Island Arc, 2001 (in press).
Otsuki,K., Monzawa,N. and Nagase,T., 2000, Thermal pressurization, Fluidization and Melting of Fault Gouge During Seismic Slip Recorded In the Rock from Nojima Fault.Proceedings of The International Workshop On The Nojima Fault Core And Borehole Data Analysis,43-49.
Tadokoro, K., M. Ando, and K. Nishigami, Induced earthquakes accompanying the water injection experiment at the Nojima fault zone, Japan: Seismicity and its migration, J. Geophys. Res., 105, B3, 6089-6104, 2000.
Yamaguchi, T., Yamano, M., Nagao, T., and Goto, S., Temperature monitoring in a borehole drilled into the Nojima fault and radioactive heat production of core samples, Proc. Int. Workshop on the Nojima Fault Core and Borehole Data Analysis, Nov. 1999, Tsukuba, Japan, 277-282, 2000.
Yamaoka,K., Kunitomo, T., Miyakawa, K., Kobayashi, K. and Kumazawa, M.: A Trial for Monitoring Temporal Variation of Seismic Velocity with ACROSS System. Island Arc, in press, 2001.
向井厚志・藤森邦夫，淡路島800ｍボアホールで観測された大気荷重に伴うひずみ変化，地震 ２, 53，57-63，2000．
島崎邦彦，野島断層における繰り返し注水実験，月刊地球，23, 4, 2001.
西上欽也，注水試験の概要、および野島断層浅部構造とその回復過程，月刊地球，23, 4, 2001.
小泉　誠・吉田義則・松尾成光，注水実験・臨時地震観測の技術メモ，月刊地球，23, 4, 2001.
山野 誠・後藤秀作，野島断層掘削孔における注水・湧水による孔内温度分布の変動，月刊地球，23, 4, 2001.
向井厚志・藤森邦夫・石井 紘・中尾 茂，注水試験に伴うひずみ変化，月刊地球，23, 4, 2001.
北川有一・藤森邦夫・小泉尚嗣・野津憲治・五十嵐丈二，繰り返し注水実験による淡路島800m孔の湧水量変化から推定された岩盤の透水性の時間変化，月刊地球，23, 4,2001.
村上英記・橋本武志・大志万直人・山口 覚，注水実験時の電磁気観測 (2)−流動電位計測−，月刊地球，23, 4, 2001.
山下太・柳谷俊・大志万直人，GPS技術を利用したダイポール−ダイポール法による野島断層近傍での大地比抵抗モニタリング，月刊地球，23, 4, 2001.
永井 悟・平田 直・加納靖之・水野高志・山中寛志・田所敬一・西上欽也・平松良浩，注水試験に伴う極微小地震活動の震源域の決定とその時間変化，月刊地球，23, 4,2001.
田所敬一・加納靖之・西上欽也，注水試験にともなうクラスタ的地震活動，月刊地球，23, 4, 2001.
平松良浩・古本宗充・西上欽也・大見士朗，野島断層注水実験高サンプリングデータによる微小地震の初期破壊過程，月刊地球，23, 4, 2001.
山中寛志・平松良浩・田所敬一・西上欽也，野島断層注水実験の微小地震観測によるコーナー周波数 (fc) のスケーリング則，月刊地球，23, 4, 2001.
加納靖之・平松良浩・田所敬一・西上欽也，注水実験前後の地震活動の規模別頻度分布，月刊地球，23, 4, 2001.
水野高志・西上欽也，注水実験における断層トラップ波の観測，月刊地球，23, 4,2001. 山岡耕春・生田領野，ACROSSによる注水実験にともなう地震波速度変動観測，月刊地球，23, 4, 2001.
伊藤久男・桑原保人，地質調査所平林坑井における繰り返し観測，月刊地球，23, 4,2001.
大槻憲四郎・門澤伸昭・長瀬敏郎，2000 ，野島断層から地震性摩擦すべりの物理過程を解読する．科学研究補助金，シュードタキライト・粉体岩の性状にもとづく地震性摩擦すべり構成則の再構築，研究成果報告書，1-124 ．

（口頭発表）
Ikuta, R., T. Kunitomo, K. Miyakawa, R. Miyajima, K. Yamaoka: Monitoring temporal variation of seismic velocity using an accurately controlled vibration source (ACROSS), AGU Fall Meeting, 17 December 2000.
Kano, Y., Y. Hiramatsu, K. Tadokoro, K. Nishigami, Frequency-Magnitude Distribution of Earthquakes Around a Water Injection Experiment at the Nojima Fault, Japan, AGU Fall Meeting, 17 December 2000.
Mukai, A. and K. Fujimori，Determination of elastic structure using strain changes observed at an 800 m borehole， 14th Int. Symp. on Earth Tides (ETS2000), Mizusawa, Aug. 28 - Sept.1, 2000.
Murakami,H., Hashimoto,T., Oshiman,N., and Yamaguchi,S.: Electrokinetic Observations during Water Injection Experiments at the Nojima Fault, Japan, AGU Fall Meeting, 17 December 2000.
Nagai, S., N.Hirata, Y.Kano, T.Mizuno, K.Tadokoro ,H.Yamanaka, K.Nishigami, Y.Hiramatsu,Microearthquake activity induced by a water injection experiment in the Nojima Fault, Japan, AGU Fall Meeting, 17 December 2000.
Nishigami, K., and Research Group for Water Injection Experiment at the Nojima Fault, Repeated Water Injection Experiments at the Nojima Fault: Fault Healing Process and Induced Earthquakes, AGU Fall Meeting, 17 December 2000.
Shimazaki, K., and Water Inejction Res. Group, Repeated water injection experiments at the Nojima fault, the 1995 Kobe earthquake source fault: fault healing process and induced earthquakes, 2000 WPGM, 29 June 2000.
Tadokoro, K., Y. Kano, and K. Nishigami, Microscale hypocenter migration associated with a water injection experiment at the Nojima fault, Japan, AGU Fall Meeting, 17 December 2000.
Yamano, M. and Goto, S., Temperature monitoring in a borehole drilled Into an active fault zone: steady state and water injection experiments, 2000 WPGM, 30 June 2000.
Yamashita, F., T. Yanagidani, and N. Oshiman, Monitoring Resistivity Changes Using Newly Developed Dipole-Dipole Method During Water Injection at the Nojima Fault Site, Japan, AGU Fall Meeting, 17 December 2000.
藤森邦夫・向井厚志，淡路島800mボアホール孔口の開放と密閉における潮汐ひずみ変化，日本地震学会2000年度秋季大会，2000年11月20日〜22日．
向井厚志・藤森邦夫，淡路島800ｍ孔で観測された降水に伴なうひずみおよび傾斜変化，地球惑星科学関連学会2000年合同大会，2000年6月25-28日．
村上雅紀・田上高広・長谷部徳子：ジルコンを用いた野島断層のフィッショントラック分析．地球惑星科学関連学会2000 年合同大会、2000 年６月．
西上欽也、野島断層掘削と地球物理学観測の調査成果，北淡活断層シンポジウム2001，2001年1月8日．
野島断層注水実験グループ，野島断層における繰り返し注水試験−断層回復過程および誘発地震の解析−，地球惑星科学関連学会2000年合同大会，2000年6月26日．
野島断層注水実験グループ，野島断層における繰り返し注水試験−断層回復過程および誘発地震の研究−，日本地震学会2000年度秋季大会，2000年11月21日．
冨澤一郎、石井直人、大志万直人、野島断層地下埋設電極を用いた電磁放射実験の可能性、2000年地球惑星関連学会合同大会、Ag-004, 2000.
（注水実験に関する地球惑星科学関連学会2000 年合同大会、および日本地震学会2000年度秋季大会での口頭発表13件は省略）

(6)この課題の実施担当連絡者：
西上欽也、TEL 0774-38-4279、FAX 0774-31-8294、
nishigam@drs.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

（図面説明）

図1 　2000年実験での３回の注水終了時の孔内温度プロファイル、および注水実験開始前の温度プロファイル。

図2 　2000年注水実験終了後（6月20日、9月13日）に見られた深度500m付近の温度異常、および1997年実験後（7月15日）に見られた異常。温度プロファイルの形を比較できるよう、ずらせてプロットした。

図3 　800m孔における、歪３成分(Str_U, Str_M, Str_D)、傾斜２成分(Tilt_X, Tilt_Y)、地上気圧、孔底温度、孔内水温、湧水量、水位、および降水量。歪と傾斜のデータは、地球潮汐成分、気圧応答成分および線形トレンド成分を除去した。注水期間を陰で示す。

図4 　注水実験前後の800m孔の湧水量測定結果。(a)1997年１回目と２回目、(b)1997年３回目、(c)2000年２回目と３回目、(d)2000年４回目の各注水。

図5 　２次元拡散モデルでの数値計算結果。(a)1997年１回目と２回目、(b)1997年３回目、(c)2000年２回目と３回目、(d)2000年４回目の各注水。

図6 　1997年と2000年における注水孔の極近傍での電位差変化の比較。注水孔近傍に設置した２カ所で得られた生データの単純差を取ることにより求めた電位差変化で、特別なノイズ処理はおこなっていない。図中の太い横線は注水期間を示す。

図7 　観測点補正を行って決定した震源分布。800mボアホール地震計でS-P時間が1.0秒以下、震源決定誤差が1km以下の地震をプロット。

図8 　(A)800mボアホール地震計で、S-P時間が1.0秒以下の地震の累積個数。青線は全地震、赤線は領域A、Bでのクラスター的活動に属する地震を除去。(B)領域Ａ、Ｂ、Ｃのクラスター的活動の時系列。

図9 　掘削露頭の例。黒色の薄い層がシュードタキライト、その間の部分が花崗岩カタクラサイト。

図10 　 800m、1700mボアホール地震計間でとらえられたＰ波およびＳ波の走時変動。図中右側に三角で示された幅は、信号のＳＮ比から推定した計測分解能である。再下段に淡路島での雨量を示す。

図11 　鳥取県西部地震に伴う圧縮歪みの方位依存性（左）とＳ波の遅れの異方性（右）。

図12 　800m孔における水圧、および歪み変化（2000年8月4日〜2001年1月20日）。"GOTIC"による理論潮汐の体積歪、および主な地震も示す。実線は水圧急変、破線は歪急変、赤実線は地震発生を示す。指数関数近似によるトレンド除去後の歪である。地震は、鳥取県西部地震（2000年10月6日13時30分、Ｍ7.3、Δ160km、H11km、震央方向；北西）とその余震、三重県南部の地震（2000年10月31日1時42分、Ｍ5.5、Δ130km、H43km、震央方向；南東）、および兵庫県北部の地震（2001年1月12日8時00分、Ｍ5.4、Δ110km、H10km、震央方向；北）。

図13 　グループＡ（●）、Ｂ（▲）の震央分布と波形例。グループＢにはLove波型の 断層トラップ波が観測されるが、グループＡには見られない。TOS2：1800mボアホール地震計位置。