海洋研究開発機構高知コア研究所の奥田 花也 研究員（研究当時：東京大学大学院理学系研究科博士課程）、産業技術総合研究所の北村 真奈美 研究員と高橋 美紀 研究グループ長、東京大学大気海洋研究所の山口 飛鳥 准教授らによる研究グループは、産業技術総合研究所活断層・火山研究部門所有のガス圧式高温高圧変形試験機を用いて、紀伊半島沖の南海トラフのプレート境界の温度・圧力・鉱物種条件を再現し、プレート境界断層のすべり特性を実験的に調べました。その結果、沈み込みに伴う鉱物種の変化によって、プレート境界断層の摩擦係数（注1）が増加することがわかりました。一方、沈み込みに伴って形成された鉱物種（イライト）がもつ特性によって、温度上昇にしたがって摩擦係数のすべり速度依存性（注2）が正から負へと変化していき、結果としてプレート境界断層での地震が発生しやすくなっていくことがわかりました。
近年の地震観測網の発達に伴い、プレート境界では津波を引き起こすような巨大地震だけでなく、揺れをほぼ引き起こさないスロー地震という現象も観測されています。スロー地震は巨大地震の引き金になる可能性が指摘されていますが、地震の発生メカニズムや発生条件の観点から巨大地震とスロー地震の関連性の解明が望まれてきました。しかしながら、スロー地震と巨大地震のいずれも、どのようなプレート境界のすべり特性によって引き起こされているかは未解明でした。
本研究は、スロー地震域から巨大地震発生域に至るまでのプレート境界断層の地震発生条件として、すべり特性を支配するパラメータの空間分布の実態を解明し、論文として発表しました。これまでの地震観測の結果との比較や、本実験結果を用いた数値シミュレーションを行うことで、南海トラフで発生する地震の波動伝播や津波発生過程のより詳細な検討が可能になると期待されます。
〈研究の背景〉
南海トラフではフィリピン海プレートがアムールプレートの下に沈み込み、1944年に起きた昭和東南海地震や1946年に起きた昭和南海地震など、巨大地震が起きることが知られています。また近年の詳細な地震観測によって、巨大地震が発生する領域（巨大地震発生域）よりも浅部に、地震波をほとんど放出しないスロー地震と呼ばれる地震が発生する領域（スロー地震発生域）が存在することも明らかになり、スロー地震と巨大地震との関連性が指摘されてきました（図1）。将来の巨大地震の発生過程の解明のためには、プレート境界断層が巨大地震やスロー地震の時にどのようにすべるのかの理解が望まれています。プレート境界断層では、深くなるにつれて温度および圧力が上昇し、また化学反応による鉱物種の変化が起こります。スロー地震や巨大地震の発生域は、これらの温度・圧力・鉱物種の移り変わりに対応しているという仮説が提唱されていました。しかしこれまで実験的な裏付けはなく、地震時の振る舞いを支配するプレート境界断層のすべり特性はよくわかっていませんでした。
図1：紀伊半島沖の南海トラフにおける地震活動の分布
本研究で対象とした紀伊半島沖南海トラフ。白線ABに沿った断面でのすべり特性の空間分布を調べた。青緑色の点は浅部スロー地震を示し（Takemura et al., 2022）、IODPの掘削地点（C0002）と2016年の紀伊半島沖地震の震源がそれぞれ示されている。
〈研究の内容〉
本研究グループは、近年の国際深海科学掘削計画（International Ocean Discovery Program, IODP）によって、海底下深部の岩石の採取や地震観測用機器の導入などが行われ、温度・圧力・鉱物種の空間変化がよくわかっている紀伊半島沖に着目しました。南海トラフにおけるスロー地震発生域から巨大地震発生域にかけてのプレート境界断層の試料を直接採取することは難しいため、プレート境界断層の環境を実験室で再現した摩擦実験を行うことで、プレート境界断層がもつすべり特性の空間変化を実験的に調べました（図2）。実験には石英・曹長石・正長石・スメクタイト・イライトの粉末を混合したプレート境界断層の模擬物質を使い、鉱物の量比と温度・圧力を変化させてさまざまな深度のプレート境界断層の環境を再現し、断層強度を支配する「摩擦係数」と、断層が地震を起こすポテンシャルを表す「摩擦係数のすべり速度依存性」を調べました。
図2：実験の概要
実験試料の模式図（左図）。斜めにカットした円柱状多孔質スペーサーにプレート境界断層の模擬物質を挟み、上下から力を加えることで試料にすべりを加える。摩擦係数のすべり速度依存性はすべり速度を急変させたときの挙動から計算できる（右図）。摩擦係数のすべり速度依存性が負のとき、地震が起こりやすい。
実験の結果、プレート境界断層の摩擦係数はスロー地震発生域から巨大地震発生域に向けて徐々に増加することがわかりました（図3左）。これは蓄積される歪（ひずみ）がプレート境界の深度によって異なり、スロー地震発生域よりも巨大地震発生域のほうが地震と地震の間により多くの歪を蓄えていられることを示しています。この摩擦係数の増加は、岩石に含まれるスメクタイトという粘土鉱物がイライトという粘土鉱物に変化することが原因であることもわかりました。また、摩擦係数のすべり速度依存性は、スロー地震発生域では正であるのに対し、巨大地震発生域では負に変化していくことが明らかになりました（図3右）。この摩擦係数のすべり速度依存性の空間変化は温度条件に支配されていることもわかりました。これらの結果は、スロー地震および巨大地震の発生過程を解明する上で考慮するべきプレート境界断層のすべり特性を、実験により直接決定したことになります。
図3：本研究で得られたプレート境界断層のすべり特性
南海トラフのプレート境界断層における摩擦係数の空間分布（左図）と摩擦係数のすべり速度依存性（右図）。右図のシンボルの違いはすべり速度の条件の違いを表し(〇:10-100 μm/s、□：1-10 μm/s、◇：0.1-1 μm/s)、図中の温度はプレート境界断層上の、南海トラフの海溝軸からの距離における温度条件である。安定すべりは地震が起こりにくい条件、不安定すべりは地震が起こりやすい条件を示している。
〈今後の展望〉
今回明らかとなったプレート境界断層のすべり特性は、地震の発生過程のシミュレーションなどに用いるための定量的な指標となります。摩擦係数や摩擦係数のすべり速度依存性は、地震の発生サイクルを支配しており、南海トラフにおける巨大地震の発生過程についての研究の進展に貢献できると期待されます。またスロー地震は未だその発生過程が不明でしたが、本研究結果によってスロー地震発生域のすべり特性が分かったため、今後さらにスロー地震の発生機構の解明が進展し、沈み込み帯の地震活動の包括的な理解が進む手がかりが得られたといえます。本研究で得られた結果を数値シミュレーションに組み込むことによって、南海トラフのスロー地震や巨大地震の発生シナリオの詳細な検討が進み、結果として地表での震度分布や津波の想定高さなどがより正確に推定できるようになると期待され、防災・減災に貢献できると考えています。
東京大学大気海洋研究所 海洋底科学部門
山口 飛鳥（准教授）
海洋研究開発機構
超先鋭研究開発部門高知コア研究所
奥田 花也（研究員）〈研究当時：東京大学大学院理学系研究科博士課程〉
産業技術総合研究所
地圏資源環境研究部門 地圏メカニクス研究グループ
北村 真奈美（研究員）
活断層・火山研究部門 地震テクトニクス研究グループ
高橋 美紀（研究グループ長）
〈雑誌〉Earth and Planetary Science Letters
〈題名〉Frictional properties of the décollement in the shallow Nankai Trough: constraints from friction experiments simulating in-situ conditions and implications for the seismogenic zone
〈著者〉Hanaya Okuda, Manami Kitamura, Miki Takahashi, Asuka Yamaguchi
〈DOI〉10.1016/j.epsl.2023.118357
〈URL〉https://doi.org/10.1016/j.epsl.2023.118357
本研究は、科研費「特別研究員奨励費（課題番号：JP20J20413）」、「新学術領域研究（課題番号：JP19H04621）」、「基盤B（課題番号：JP21H01189）」、「学術変革領域研究A（課題番号：JP21H05202）」の支援により実施されました。