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海洋掘削科学研究開発センター

南海トラフ地震発生帯掘削

概要

M8を超える巨大地震の準備から発生までのサイクルを理解するためには、その震源域=プレート境界断層の性質と挙動を把握することが不可欠です。そのような認識の下、2003年に開始されたIODP(統合国際深海掘削計画)の枠組みの下、NanTroSEIZE(ナントロサイズ;南海トラフ地震発生帯掘削研究)プロジェクトが開始されました。掘削による地震断層からのサンプルリターンと、断層近傍の物性(密度・間隙率・地震波速度など)の現場計測を行う一方、断層付近での地殻変動・地震活動・間隙水圧など、固着や地震発生機構に重要な影響を与える物理量の長期モニタリングを行うことが目的です。最終目標地点は、紀伊半島沖合100km、水深2000m、海底から7000m下の、東南海地震の震源断層固着域です(図1図2)。

図1
図1 南海トラフ地震発生帯掘削サイト。★は1944年東南海地震および1946年南海地震の破壊開始点。黒コンターは1944年東南海地震時の断層破壊域。
図2
図2 南海トラう地震発生帯掘削孔の断面図(Moore et al., 2009を改変)。

作業仮説

科学掘削研究では、やみくもに掘削するのでなく、検証可能な「仮説」を立て、掘削でそれが正しいかどうか検証する、というアプローチを取っています。無論途中で「思いもよらない」ことが起こりますが、そのような想定外が起きるためにはまず「想定事項」=仮説を構築しておくことが必要、ということでもあります。

  1. 系統的・順次的な物質・状態変化が、地震発生断層でのすべりを支配する → 様々な深度での掘削
  2. 沈み込み帯の巨大断層は弱い;比較的小さいせん断応力ですべりが生じる → 試料の物性・破壊実験等;現場圧力・歪
  3. 地震発生帯では、プレート運動によるずれは主に地震活動による摩擦すべりによって解消される → 歪観測、層序学的考察
  4. 断層帯での物性・化学組成・状態は地震発生サイクルを通じて時間的に変動している → 長期モニタリング、地質的考察
  5. 巨大分岐逆断層系(OOST)は個々の巨大地震活動ですべりを生じ、津波を発生する原因をなす。

もう少し具体的には、掘削により以下のモデルを検証することを目指します

非地震―地震性両方での断層岩の摩擦的挙動
断層岩・流体の組成と間隙水圧・応力場
プレート境界と分岐断層間での歪の空間的分配度
地震時と地震準備期間の間の歪の時間的分配度
非地震的対地震的な歪開放の分配度

長期孔内計測により、地震準備期間中の変動(あるいは地震前兆現象)が巨大地震に先立って存在するかどうかを、究極的に検証できる可能性があります。

成果

地球深部探査船「ちきゅう」により、2007年以来15か国から延べ170名の研究者が乗船して、2013年までに13サイトで掘削が行われました。うち2サイトはライザーを用いた掘削孔であり、これまでの最大掘削深度は海底下3050mで、海底科学掘削での最深記録となっています。特に、浅部断層2か所を貫通してコア採取や計測が行われていることは、これまでの大きな達成です。
関連するものを含め、これまでに300編を超える論文が出版されています。掘削の主な成果としては、以下が挙げられるでしょう:

●ほとんどの掘削地点で水平最大圧縮主応力軸がプレートの相対運動の方向と一致(Lin et al., 2010,GRL)(図3

→プレート運動による圧縮を反映
→次の巨大地震に向けた歪の蓄積が着々と進行中

●地表近傍のプレート境界断層、分岐断層に発熱高速すべりの明確な証拠(Sakaguchi et al., 2011ほか)(図4

●プレート境界での粘土鉱物の含有率が増大すると摩擦強度が低下(Takahashi et al., 2014, EPS)

●低い応力レベルでゆっくり地震が誘発(Ito et al., 2009, GRL)

○プレート境界断層に近づき、かつ時間的にも地震発生が近づくと水平最大圧縮主応力は徐々に増し、水平最大圧縮主応力=最大圧縮主応力になると予想(Saffer et al., 2013, G3)

図3
図3 浅部掘削から明らかになった水平最大主応力の方向。
図4
図4 浅部断層の滑り特性などのまとめ。

今後

2015年の時点で、地震断層固着域まであと2000mという段階です。過去に強い圧縮変形を受けた付加体は、地震探査では描きだせないような破砕帯が多く、掘削は困難を極めています。我々の挑戦は続きますが、現状では断層に到達するのは2018年頃を見込んでいます。

掘削に先立って、海面からの地震探査では描き出せない地下の微細構造を描き出そうというのが、VSP(垂直地震探査)という手法です。これは音波の受信器を掘削孔内にアレー展開することで、海面から発信されたエアガン信号を減衰せずに受信する方法で、例えば垂直に近い破砕帯とか、分岐断層の地震波特性(音響インピーダンス変化など)に関する情報が得られるものを期待されます。

さらに、分岐断層浅部の活動度を監視するため、C0010孔(海底下500m)に新たに孔内観測所の設置が行われる予定です(2016年当初)。この観測所は海底ケーブルネットワークDONETに接続される予定で、そうなると分岐断層の活動度がリアルタイムでチェックできることになります。