＜第３回＞粘土と水とデータが語る巨大すべりの真相

海溝軸付近でも応力はたまっていた

さてJFASTの結果、何がわかったでしょう？　まず船上でもすぐに判明したのは「応力」の変化でした。

掘削同時検層（LWD）では自然放射線量と比抵抗を測定すると書きました。この比抵抗のちがいで孔壁の「写真」をとることもできます。すると水が多くて電気を通しやすい部分は、暗い溝のように写ります。これは実際に溝あるいは割れ目で「ブレークアウト」と呼ばれています。そこに水が入りこんでいるのです。逆に明るく写っている部分は、地層の壁そのものです。

「オールドファッション」のような硬めのドーナツが目の前にあると想像してください。それを上下方向から手で潰す（＝応力を加える）と、穴の左右にヒビが入るでしょう。これがブレークアウトです。海底下に空けられた直径30cm以下の孔にも、様々な方向から力がかかっています。そのうち最も大きな力と直交する方向に割れ目ができるのです。

JFASTの掘削地点からは少し離れていますが、同じ東北沖で地震前の1999年にも掘削が行われていました。この時のLWDで最も大きいとわかった応力の方向は、南東から北西でした。これは太平洋プレートが沈みこむ方向と同じです。一方、地震後にJFASTで掘削された孔の場合、最も大きかった応力の方向は上下でした。

上下方向の応力というのは、すなわち重力、あるいは上に乗っている地層の重さです。同じ深さで比べれば、地震の前後で変わるはずがありません。しかし地震後に、それが最も大きな応力になっていたということは、水平方向の応力が減っていたことを意味しています。つまりプレート運動によって加えられ続けていた応力が、地震ですべったことにより解放されたのです。

レンガにレンガを重ねて押しつけながらずらそうとしても、なかなか動きませんが、ある時、一気にすべります。これが応力の解放と地震発生のイメージです。しかしスポンジにスポンジを重ねて押しつけても、すぐ簡単にすべってしまいます。

同様に海溝軸の近くは地層が柔らかく、プレートどうしの固着が非常に弱いため、ずるずるすべっているだけだと以前は考えられていました。つまり地震で一気に大きくすべるほどの応力は、蓄積されないと思われていたのです。しかし東北沖地震の前後で応力の状態が変わったということは、多少なりとも応力は蓄積されており、その解放が大きなすべりに関わったのかもしれません。

「つるつる」だった地震断層

では実際の地震断層は、どのような物質でできていたのでしょう。もちろんスポンジではありませんね。JFASTで採取された「奇跡のコア」を調べたところ、スメクタイトという粘土が80〜90％を占めているとわかりました。

聞き慣れない名前ですが、スメクタイトはどこにでもあります。水たまりで足をすべらせた経験があれば、そこには薄いスメクタイトの層が、あったかもしれません。また化粧品（ファンデーション）などの材料にも使われています。

スメクタイトの特徴は粒子が非常に細かくて、とにかくすべりやすいことです。では実際の断層は、どれだけすべりやすかったのでしょう？　それを調べるのは、廣瀬さんが最も得意とするところです。まずは下の映像を見てください。機械で石に石を押しつけながら回転させています。レンガにレンガを重ねて、押しつけながらずらすのと同じです。

火花が飛び散って、最後には摩擦熱で溶けた石が、どろっと流れましたね。実際の地震でも、同様なことが起きています。高知県には、溶けた石が再び冷えて固まったガラス質の「シュードタキライト」という石を、陸上で観察できる場所もあります。

廣瀬さんは、このような「回転式高速摩擦試験機（以下、試験機）」を開発し、様々な岩石の「摩擦係数」を調べたり、地震時に地層内でどのような物理・化学現象が起きるかを研究しています。

摩擦係数とはすべりやすさの指標です。例えば二つの物体を接触させて、真上から10の力で押したとします。この状態で真横から二つの物体をずらそうとした時に、10の力が必要だったら摩擦係数は1です。もし5の力でずらせたら、摩擦係数は0.5ということになります。

「奇跡のコア」に含まれていた断層の摩擦係数も、廣瀬さんは同じような試験機（上記の映像とは異なるタイプ）で測定しました。すると約0.1と出ました。つまり10の力で押していても、1の力で動かせてしまうのです。スキーの摩擦係数が0.05〜0.1くらいなので、0.1は「つるつる」と言っていい状態です。一方で普通の岩石は0.6〜0.85くらいです。

また摩擦係数は物体をずらす速度によっても変わってきます。比較的ゆっくり動かした時には0.1ですが、地震で断層がずれる時の速度（だいたい歩く時の速度と同じ）になると、急にゼロ近くにまで落ちてしまいます。これも廣瀬さんの試験機でわかりました。

このように採取された断層のコアを調べた結果は「つるつる」でしたが、現場の温度計測でも、それは裏づけられたでしょうか？　9ヶ月間、海底下に設置しておいた温度計を引き上げてデータを解析してみたところ、断層の温度は周囲の地層より最大0.31℃高くなっていました。地震ですべった時の摩擦熱が、まだ残っていたのです。この結果をもとに計算したところ、地震が起きた時の断層の摩擦係数は、やはり約0.1でした。

水の「ジャッキアップ効果」

あと一つ、地震時のすべりに関係している要素があります。それは「水」です。

断層の中には大小、無数の隙間があって、そこは全て水で満たされています。地震が起きてすべった時、摩擦熱で断層の温度は数百℃にも達します。すると水も熱せられて膨張します。一方で粒子の細かいスメクタイトには、水を通しにくい性質があります。すると膨張した水は、どこへも逃げられず、断層の隙間を押し広げていくことになります。

ここで坂道に置いてある車を想像してください。緩い坂ならブレーキをかけていなくても、車は自分の重さでそこに留まっているかもしれません。しかしジャッキを使って、ちょっと車体を浮かせてしまったら、どうなるでしょう。たちまち転がり始めてしまうのではないでしょうか。

同様に水の圧力で隙間を広げられた断層は、よりすべりやすくなったと考えられます。廣瀬さんらは実験室で、これも検証しました。容器の中で地下と同じ圧力をかけ、水を通しながら、断層の試料をすべらせてみたのです。すると、水を通さない時よりも摩擦係数が下がることを確認しました。この現象を専門用語では「サーマル・プレシャライゼーション」と呼びます。

地震の背景にある1億年の歴史

以上のことから、海溝軸の近くにあった断層で、地震時に何が起きたかを考えてみましょう。

そもそも、そこはスメクタイトの多い、すべりやすい断層でした。とはいえ応力が全くたまっていなかったかというと、そうでもありませんでした。摩擦係数は0.1ですがゼロではありませんし、断層をはさんだ上下の地層だと、もう少し摩擦係数は大きくなります。

スポンジをこすり合わせても、ほとんど手応えはありませんが、よく見ればスポンジは少し変形しているでしょう。応力がたまっている証拠ですが、そういうイメージです。

そこへ海底下数十kmの震源から断層のすべりが伝わってきます。それによって摩擦熱が発生し、水のサーマル・プレシャライゼーションで、断層はますますすべりやすくなります。

こうなると「想定」されていたように、断層のすべりを止めることなどできません。それどころか多少はたまっていた応力のエネルギーが解放され、すべりはいっそう大きくなって、とうとう海溝軸にまで達してしまったのではないか――今はそのように考えられています。

ところで、このシナリオでは主役級の存在でもあるスメクタイトですが、いったいどこから来たのでしょう？　どこにでもあるとは書きましたが、多い場所と少ない場所はあります。南海トラフのプレート境界では、断層のスメクタイトが占める割合は50〜60％程度です。一方、日本海溝では80〜90％――なぜこんなにちがうのでしょうか。

「これはプレートの歴史なんです」と廣瀬さんは言います。「太平洋プレートというのは南米の沖あたりでできるんです。そこから約1億年かけて日本までやってくる。その間に、例えば日本の火山が噴いて、細かい火山灰が太平洋の方へ行くんですね。そして海底に、しんしんと積もる。その火山灰が時間とともに水と反応して、スメクタイトになるんです」

1億年という時間があれば、大量のスメクタイトができるでしょう。一方で南海トラフから沈みこむフィリピン海プレートは、第1回でも触れた通り若いプレートです。生まれてから数千万年しか経っていません。当然、積もったスメクタイトの量は少ないので、プレート境界の断層でも少ない、ということになります。これが、おそらく地震の起きかたにも影響しているのです。

「地震って今の現象なんですけど、その背景には太平洋プレートが1億年前にできているという事実がある。そのくらいの歴史から、すでに始まっているんですね」という廣瀬さんの言葉が、とても印象的でした。