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大内, 徹

Kyoto University Research Information Repository

Title地震現象の様々なパターンと前兆現象 : 地震発生場としての地殻の構造とダイナミックス(基研研究会「非可逆な多体系への統計物理及びその周辺分野からのアプローチ」報告,研究会報告)Author(s)大内, 徹Citation物性研究 (1991), 57(2): 344-347Issue Date1991-11-20URL http://hdl.handle.net/2433/94790RightType Departmental Bulletin PaperTextversionpublisherKyoto University研究会報告地 震 現 象 の 様 々 な ノヾ タ - ン と 前 タtS.現 象一地 震 発 生 場 と して の地 殻 の構 造 とダ イ ナ ミ･yク スー神 戸 大 学 理 学 部 大 内 徹§ 1. は じめ に最 近､ 破 壊 や 地 震 現 象 は非 線 形 ･統 計 物 理 学 の興 味 あ る対 象 と して 注 目 されるよ うにな り､ 本 研 究 会 で も地 震 発 生 現 象 に 関 した 研 究 が い くつ か な され て いる｡ モ デル に は い ろ い ろ あ るが､ 基 本 的 に は､ 後述 す る よ うな弾 性 反 発 説 に基づ く､ 粗 い 断 層 面 に接 した巻 バ ネで結 ば れ た 連 性 ブ ロ ックか らな る 系 を 想 定 して い る｡ こ う した 研 究 は､ 地 震 の べ き的 マ グ ニ チ ュ ー ド分 布 の説 明 や ~ self-organizedCriticality一説 の よ うに地 震 現 象 を 理 解 して い く うえ で 大 き く役 立つ こ とにな った｡しか し一 方､ 観 測 地 震 学 の進 展 は著 し く､ こ こ数 年､ 地 震 発生 域 に対 す る描俊 は急 速 に変 わ りつ つ あ る｡ 地 殻 の非 弾 性 的 性 質 が 明 らか に され て きた こ と と､1989年 の伊 豆 半 島 沖 の海 底 噴 火 の よ う に､ 地 震 の発 生 に関 して マ グ マ活 動 が密接 に関与 して い る こ とが わ か って きた か らで あ る｡ ま た､ 最 近 の 地 学 的 観 測 によ り､ 弾性 反 発 説 発 祥 の 北 米SanAndreas断 層 にお い て も､ 従 来 基 本 と さ れ てきた 古典 的 描 像 も大 きな 変 更 を 余 儀 な く され っ つ あ る と言 って よ い (伊 藤 ,1990)｡ した が って､ 地 震 の発 生 が プ レー トの 相対 運 動 に よ る広 域 応 力 場 で の問題 で あ る に して も､ そ の詳 細 を理 解 して い く うえ で､ ま た 地 震 発 生 現 象 の数理 モ デ ル化 を進 め て い く うえで も､ 地 震 発 生 場 と して の地 殻 は どの よ うな ものな の か改 め て 検 討 す る必 要 が あ る よ うに思 わ れ る｡ そ こで､ 本 小 論 で は､ 最 近の地 質 学 的 知 見 を も とに､ 地 震 発 生 域 と して の 地殻 の性 質 と ダ イ ナ ミッ ク スにつ い て現象 論 的 立 場 か ら整 理 し紹 介 して み る こ とに す る. な お本 論 で 対 象 とするの は主 に 内 陸 性 の 地 震 で､ プ レー トの沈 み 込 み に と もな う地 震 及 び探 発 地 震を含 めた議 論 は別 の 機 会 に改 め て す る こ と に した い｡§ 2. 地震 発 生 場 の 理 論地 震 発生 域 の モ デ ル と して は､ 大 別 して 次 の 二 つ の考 え方 が あ る｡ 一 つ は いわ ゆ る弾性 反 発 説 と呼 ば れ る､ 摩 擦 喝 のstick-Slip(固 着 す べ り)を 考 え る. 他は地 震 発 生 の 起 源 を マ グ マ に も とめ る もの で あ る｡ 歴 史 的 に は前 者 は北 米 の地震 学 者 が主 と して主 張 した もの で あ り､ 後 者 は 日本 の 多 くの 地 震 研 究 者 が 考 えた もの で あ る｡ 両 者 の違 い は背 景 とな る地 学 的 条 件 の差 に もよ る よ うに も思 える｡ Californiaの 巨大 で 明 瞭 な SanAndreas断 層 系 で の地 震 現 象 に ふ れ て い る研 究 者 と 日本 の よ うに､ 多 か れ 少 な か れ 何 らか のか た ちで 火 成活 動 を と もな う､複 雑 な地学 的 条 件 で の地 寒 現 象 に接 して い る研 究者 の 間 の基 本 的 姿 勢 の 違 い を反 映 して い る もの と思 わ れ る｡戦 後 長 い 間 地 寮 学 を､支 配 す る こ とに な った 弾 性反 発 説 はReidに よ り1906年 のSamFrancisco地 震 の経 験 に基 づ き捉 唱 され た｡ こ の モ デ ル は既 存 断 層 を 境 に両 ブ ロ ック が逆 向 き に ゆ っ くり動 くこ とを 前 提 とす る｡ 両 ブ ロ ッ ク が 断 層 面 で固 着 して い れ ば､ 両 ブ ロ ックの長 期 に わ た る互 い に逆 向 きの運 動 の 結 果､ 断 層周 辺 物 質 はず り変 形 を受 け弾 性 歪 エ ネ ル ギ ー が 蓄穣 され る｡ ブ ロ ッ クの 運 動 が長 期 間進 行 す る と､ ず り変 形 に よ る弾 性 反 発 力 が増 大 し､ や がて 断 層 面 強 度 に-344-｢非可逆な多体系への統計物理及びその周辺分野からのアプローチ｣等 し くな るO こ の と き断 層 沿 い に破 壊 が 生 し､ 蓄 積 さ れ た 弾 性 歪 エ ネ ル ギ ー が解 放 さ れ る｡ こ の 説 の 問 題 点 は､ 断 層 両 側 の ブ ロ ッ ク の 長 期 に わ た る互 い に逆向 き の 水平 運 動 源 に 対 す る合 理 的 な説 明 の 欠 如 に あ った が､ そ れ は プ レ ー トテク トニ クス に よ っ て 解 決 され る こ とに な っ た｡ 一 方､ 電 子 計 算 機 の 発 達 に よ る地 震 の 実体 波､ 表 面 波､ 自 由 振 動 等 に 対 す る弾 性 波 動 論 の 研 究 の 成 果 は め ざ ましい ものが あ った｡ この よ う な 弾 性 論 万 能 の 中 に あ っ て､ 地 震 発 生 場 の 理 論 として 機 械論 的 な 弾 性 反 発 説 が 好 ま れ た と い う こ と は あ る意 味 で 自 然 な な り ゆ きで あ った と い え よ う｡こ れ に対 して､ 以 前 の 多 くの 日本 の 研 究 者 は マ グ マ 起 源 説 を と っ た｡ こ れ は､基 本 的 に次 の よ う な 根 拠 に基 づ い て い る｡ 地 殻 変 動 測 量 の 結 果､ 地 震 現 象 に伴わ な い 慢性 的 変 動 が い た る と こ ろ に兄 い だ さ れ る こ と か ら､ 地 殻 は 短 時 間 に作用 す る力 に 対 して は 弊 性 的 に 振 舞 うが､ 100- 200年 と い っ た 長 時 間 に わ た って徐 々 に 作用 す る よ う な 力 に対 して は粘 性 ･塑 性 的 効 果 に よ って地 震 を起 こ す ような 弾 性歪 を 長 時 間 保 持 す る こ と はで き な い｡ ま た､ 日本 で は い た る と こ ろ に火 山 が 存在 し､ 地 震 と密 接 に 関 連 す る現 象 が み つ か っ て拠 と な って い る｡ 大 地 寒 と火 山 活 動 の 連 動 性 に つ い て は?????? ?も この 説 の 根ら指 摘 さ れ て いる し (横 山 . 1971)､ 地 賓 の 発 生 と関 連 した 温 泉 の 変 化 に つ い て は､ 1923年 関 東大 地 震 に先 立 っ 熱 海 の 大 韻 温 泉 の 間欠 泉 の 異 常 噴 出 等､ 枚 挙 に い と ま が な い ぐらい で あ る｡こ の よ う な こ と か ら､ 地 震 を 起 こす メ カ ニ ズ ム と して､ マ グマ の 急 激 IE貫 入に よ る衝撃 を 考 え る (石 本 . 1935)とか､ 地 殻 物 質 の 固 体 ･液 体 間 の 相 転 移 の 熟過 程 を 想 定 す る モ デ ル [地 震 熱 機 関 (松 沢 . 1976)] が 考 え られ た り した｡ こ うした 考 え は そ の 後 ほ とん ど省 み られ る こ と が な くな っ て し ま った が､ 最 近 の 伊東 沖 海 底 噴 火 を 横 に 俄 然 復 活 す る こ と と な っ た｡ 1989年 7月 の伊 東 沖 海 底 噴 火に よ り､ 1974年 以 来 続 い て い た 伊 豆 半 島 周 辺 で の 地 震 活 動 と伊 東 市 付 近 で の 地殻 隆 起 の源 が マ グ マ の 上 昇 に よ る もの で あ る こ とが 決 定 的 に な っ た か らで あ る｡ま た､ 長野 県 西 部 地 震 (1986年 ; M=6.9)や 中 国 の海 域 地 震 (1975年 ; M=7.3)では､ (地 )震 源 近 傍 の 下 部 地 殻 に 部 分 溶 融 体 が 存 在 す る こ と が わ か っ て い る｡ こう した 現象 は 今 の と こ ろ主 に 火 山 地 帯 に 限 られ て い る に して も､ 地 震 発 生 に マグ マ が 大 き な 役 割 を 果 た して い る こ と の あ る こ と は ほ ぼ 間 違 い の な い こ と と なった の で あ る｡§3. 地殻 の 非 弾 性 的 構 造 と微 小 地 震 の 発 生地 球 の表 層 は 内 陸 部 で は厚 さ30- 40k廿の 地 殻 と呼 ば れ る層 で お お わ れ て おり､ そ の下 が い わ ゆ る マ ン トル で あ る｡境 界 は モ ホ面 と よ ば れ､ は っ き り した境 界 が 認 め られ る. 地 殻 内 部 で は マ グ ニ チ ュ ー ドが 3以 下 の よ う な 小 さ い 地 震が 常 に発 生 して い る｡ と こ ろ が 最 近､ こ の 小 さ な 地 零 の 発 生 の深 さ分 布 の 限 界に 明 瞭 な境 界 が 存 在 す る こ とが 明 らか に さ れ る よ う に な って きた (Ito,1990)0地 殻 は地 震 の 発 生 す る厚 さ 15- 20 kl の き わ め て 薄 い 脆 性 あ るい は 準 脆 性 層 とそ の 下 部 の 地 震 の 起 らな い 延 性 な い し準 延 性 的 な 層 か らな る 構 造 を して い る と考 え られ る よ う に な って きた｡ す な わ ち､ 地 殻 の 下 部 は塑 性 的 に 流 動 して お り､そ れ は 岩 石 物 性 的 に は熟 的 な 要 因 に よ る もの で あ る (小 林 ,1976; 嶋 本 ,1989)と考 え られ て い る｡ そ して､ 内 陸 部 の大 き な 地 震 は､ 日本 で も SamAndreas断 層で も こ の プ レ ー トが 局 所 的 に さ ら に薄 くな っ て い る所 の 周 辺 部 で 発 生 して い る- 345-研究会報告よ う に み え る (Ito, 1990;長 谷 川 他 .1990)こ と もわ か って きた の で あ る｡実 は､ この よ うな 考 え は古 くか らあ り､ と りた て て 目新 しい もの で は な い030年 以 上前 の 地 震 研 究 者 の 多 くは､ 当 時 の陸 地 測 主 部 の 測 圭 に よ っ て 発 見 された地 殻 の地 塊 運 動 (Tsuboi. 1933参 照 )等 に よ り次 の よ うな描 像 を も って い た.地 表 面 は平 均 約 10 ktの 経 を有 す る剛 体 的 地 塊 に よ りモ ザ イ ク状 に 敷 き詰 め られ て お り､ そ の下 部 (地殻 )に は 粘 性 に富 ん だ 比 較 的 柔 軟 な物 質 が 構 た わ って いる｡ 下 部 層 の 変 形 が 表 面 的 に は 地 塊 の 上 下 ･傾 斜 運 動 と して 現 れ る｡ した が って､ 地 殻 が ほ とん ど- 様 な 弾 性 休 で あ り､ 地 震 は そ こ に お け る弾 性 (脆 性 )的破壊 現 象 で あ る とは考 え られ な い (石 本 . 1935)｡ これ が 以 前 の地 殻 変 動 の 研 究 を支 定 す る考 え 方 で あ り､ 前 述 の Re-idの 弾 性 反 発 説 が 日本 で 受 け入 れ られ な っかた一 因 で もあ った｡§ 4. 非 弾 性 的地 殻 変 動地 殻 内 で 起 って い i非 弾 性 的 変 形運 動 を 直 接 示 唆 す る現 象 もい ろ い ろ 見 つ かって い る｡ 実 は､ プ レー ト相 互 間 相対 運 動 の ほ とん どが 実 は非 地 震 的､ す な わち非 弾 性 的､ 塑 性 的 に解 消 され て い るo 地 震 と して 解 消 され る割 合 は 日本 付 近で､ お よそ 20-30%程 度 と見 嶺 られ て い る｡ プ レー ト境 界 で は地 震 以 外 に､ 常に ク リー プ が 起 って い て 変 形 の 大 部 分 を 解 消 して い る もの と考 え られ る｡ SanAndreas断 層 で は場 所 に よ り､ 目 に み え るか た ちで ク リー プが起 って い る｡ さらに､ 最 近 で は､ 巨大 な-silentearthquakes-あ るい は-slowearthquakes"川ana¶ori. 1989参 照 )とい うよ うな､ ご くゆ っ くり と進 行 す る地 震 現 象 が 見 つか って い る｡ な か に は､ 進 行 時 間 が数 千 秒 と い う きわ め て ゆ っ く り した 地 震 もあ る｡ さ して 大 き く もな い の に､ 異 常 に大 きな 津 波 を起 こす 津 波 地 震 と呼 ば れる もの も同 様 な例 で あ る｡ さ らに最 近 で は､ 大 きな地 震 は発 生 して い な い の に地 球 の 自由振 動 の 励 起 が検 出 され た とい う報 告 (Beroza and Jordan.1990)もある｡ こ う した 現 象 は み な地 震 と は知 覚 され な い ゆ っ く り と した大 規 模 な 変 動 が地 殻 内 で起 って い る こ とを示 して い る｡§ 5. ま と め ???????? ?? ?? ???? ? ? ? ??????? ????????? ??? ??? ??????? ???ー?????????? ????????????????????? ?????????トい?????????????????????????ぁ????????????????????????〓 ????ー?????????????????????????346???????????????っ???????????????????????????の地 震 で も プ レーの もの と起 こ り方て い るの で､ 何 が 本 質て も異 な る 可 能 性 もあの モ デ ル の す ま す わ けの 地 震 とCaliforniaの プ レーの 沈 み込 む海 溝 付 近 で 起 って｢非可逆な多体系への統計物理及びその周辺分野からのアプローチ｣地 震 発 生 の 本 源 は プ レ ー トの 相 対 運 動 に求 め られ る で あ ろ うが､ 地 殻 の 非 弾性 的性 質 を 考 え た 場 合､ 応 力 や 弾 性 盃 の 局 所 的 集 中 が 起 る た め に は さ ら に 付 加的 な 条 件 が 必 要 に な る｡ こ の 要 因 と して は､ 岩 石 物 性 的 な 立 場 か ら い ろ い ろ と考 え られ る が､ 内 陸 性 (少 な く と も 日本 の 場 合 )の 地 震 の 場 合､ マ グ マ の 貫 入 とか､ 相 転 移 とか 何 等 か の か た ち で､ 熟 の 作 用 が 関 与 して く る こ と が か な り一 般的 に い え る の で は な い か｡ こ の こ と に 関 連 して 重 要 な 鍵 を に ぎ る と思 わ れ る現象､ 内 陸 部 の 大 地 震 は脆 性 層 最 下 部 か ら延 性 遷 移 層 付 近 か ら は じ ま る と い う特異 な こ と もわ か っ て きて い る｡地 震 発 生 域 の 数 理 モ デ ル 化 に つ い て は最 近 い ろ い ろ な 試 み が な さ れ て お り､様 々 な ア イ デ ア が だ され て い る｡ 地 殻 の ブ ロ ッ ク構 造 を 考 慮 す る よ う な 試 み もあ る｡ 筆 者 は 以 前 反 応 拡 散 系 に よ り､ 断 層 系 に お け る 弾 性 変 形 と塑 性 流 動 の括抗 を 考 え る地 殻 の 歪 鳩 の モ デ ル 化 を 試 み た (Ouchieta1..1985;大 内 ,1988)｡しか し､ 局 所 的 な 弾 性 変 形 の 集 中 (パ タ ー ン形 成 )が 起 る前 提 条 件 で あ る､ 自 己触 媒 的 過 程 が 物 理 的 に 明 確 で は な か っ た｡ しか し､ そ の 詳 細 は 明 確 で は な い にして も何 等 か の か た ち で の 熱 力 学 的 現 象 が こ の 役 割 を 果 して い る と す れ ば この条 件 は 満 た され る こ と に な る｡ 例 え ば､ 相 転 移 あ る い は 地 殻 の 弱 部 へ の マ グ マの 貫 入 が 何 等 か の か た ち で 自 己 触 媒 的 機 構 を 持 て ば よ い し､ 十 分 期 待 で き る こと で あ る｡ い ず れ に して も反 応 拡 散 系 に よ る モ デ ル 化 は 地 殻 の 非 弾 性 的 な ダ イナ ミ ッ ク ス を 表 現 す る ひ とつ の 可 能 性 を 示 して い る よ う に も思 え る｡地 殻 の非 弾 性 的 性 質 を 考 え る と､ 地 震 発 生 に 関 す る地 殻 の 数 理 モ デ ル 化 は いろ い ろ 考 え られ る と思 わ れ る｡ 最 大 の 困 難 は､ 地 殻 と して ど の よ う な 媒 質 を 考え た ら よ い か と い う こ と で あ る｡ しか し､ こ の 問 題 が 簡 単 に 解 決 して い く と も思 え な い の で､ 現 象 論 的 に モ デ ル を立 て て い く と い/'た 立 場 が 有 効 と考 え て いる｡ ま た､ 従 来 の 断 層 系 に お け るstick-slipモ デ ル 的 な 措 像 との 折 り合 い を考え て い く こ と も一 つ の 課 題 で あ る｡ そ の 上 で こ の一 文 が 役 に 立 て ば 幸 い で あ る.謝 辞 : 京 都 大 学 防 災 研 究 所 の 伊 藤 藷 氏 に は い ろ い ろ 貴 重 な コ メ ン トを 頂 き ま した の で､ 改 め て お 礼 を 申 しあ げ ま す｡文 献Beroza,G.C., andT.H.Jordan, I.Geophys.Res.. 95. 2485-2510. 1990.長 谷 川 昭 ･堀 内 茂 木 ･高 木 章 堆 . 月 刊 地 球 , 12.562-566. 1990.石 本 巳 四 堆 , 地 震 と そ の 研 究 . 古 今 書 院 . 1935.Ito,Ⅹ‥ ∫.Phys.Earth‥ 38, 223-250, 1990.伊 藤 谷 生 , 月 刊 地 球 . 12. 548-551.1990.Kanamori,H., Geophys.Res.Let.. 16, 1411-1414. 1989.小 林 洋 二 , 地 震 予 知 シ ン ポ ジ ウ ム . 18ト 193. 1976.松 沢 武 雄 , 地 震 の 理 論 と そ の 応 用 , 東 京 大 学 出 版 会 . 1976.Ouchi,T..S.Goriki,and K.Ito, Tectonophysics, 113, 31-48. 1985.大 内 徹 . 数 理 地 震 学 (Ⅲ ). 続 計 数 理 研 究 所 . 6卜77. 1988.嶋 本 利 彦 , 科 学 . 59, 170-181, 1989.Tsuboi.T‥ Jap.∫.Astron.Geophys‥ 10, 93-248, 1933.横 山 泉 . 北 海 道 大 学 地 球 物 理 学 研 究 報 告 , 25. 129-140. 1971.ー347-

地震現象の様々なパターンと前兆現象 : 地震発生場としての地殻の構造とダイナミックス(基研研究会「非可逆な多体系への統計物理及びその周辺分野からのアプローチ」報告,研究会報告)

http://repository.kulib.kyoto-u.ac.jp/dspace/bitstream/2433/94790/1/KJ00004789706.pdf

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