大地震震源附近断层破坏的开始

发表刊登日期: 2025/05/12

大地震震源附近断层破坏的开始

-查明岩石延性变形导致地下断层破坏的事例-

重点

对过去内陆大地震震源附近露出地表的断层进行地质调查

阐明了强延性变形导致的岩石中微空洞的形成和生长、合并发展为地下断层破坏的事例

作为破坏开始的一个事例，所得到的知识有可能与新的地震预测方法相关联

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(左)内陆断层示意图。 分析过去大地震震源附近的岩石。 (右)通过延性变形产生断层破坏的过程的概念图。 造成破坏的微小空洞的最小尺寸小于几百纳米。

※使用的是引用原论文的图改变后的东西。

概要

国立研究开发法人产业技术综合研究所(以下称为“产总研”)活动断层火山研究部门地震技术研究组主任研究员重松纪生、Yeo Thomas研究助理(研究当时，现:筑波大学研究员)、物质测量标准研究部门纳米结构测量标准研究组主任小林庆太研究员， 国立大学法人东京大学研究生院理学系研究科Simon Wallis教授、东京大学地震研究所Chunjie Zhang特任研究员、国立大学法人筑波大学生命环境系氏家恒太郎教授共同明确了内陆大地震震源附近的强延性变形导致地下断层破坏的事例。

沿着活动断层的内陆大地震的震源大多位于深度10 km附近。 在这样的深度下，由于高温，岩石受力时会被拉伸而延展性变形。 在三重县内，有的地方沿着日本列岛最大的断层中央构造线，过去位于大地震震源附近的断层构造就这样露出了地表。 关于在那里采集的岩石，延性变形引起的应变相当于的量和微腔体积分数求出的结果表明，微小空洞的体积分数随着延性变形的强度而增加，如果超过7.5%，则会产生沿着地下断层的破坏。

这次的研究成果表明，在内陆大地震大多发生的地方，断层沿线的延性变形导致的微小空洞的发展导致了破坏现象。 同样，对于延性变形导致的微小空洞的发展会导致破坏的金属，只要掌握微小空洞的发展状况就可以预测破坏。 因此，这次得到的知识有望与基于大地震震源附近信息的更短期的预测技术的实现联系起来。

另外，该研究成果的详细情况于2025年5月6日参照《journal of geophysical research:solid earth”中被选中。

研究的社会背景

迄今为止，日本列岛各地反复发生由活动断层引起的内陆大地震，带来了巨大的损失。 大地震预测是重要的社会课题之一，为了减轻地震造成的损害，保护安全的生活，对活动断层的地震发生可能性进行了长期评价和强震动评价。 另一方面，在内陆大地震的震源地，如果能捕捉到被认为是破坏开始的行动，有可能比现在正在进行的活动断层的各种评价更有助于短期的预测。

沿着活动断层的内陆大地震的震源大多位于深度10 km附近。 在这样的深度温度会达到300~350 ℃左右的高温，对岩石施加力时会被拉伸而延展性地变形。 如果用力拉伸金属使其延性变形，则会导致微小空洞的形成，进而空洞的成长体的发展会导致强度降低，最终导致破坏。 在这种情况下，如果能掌握微空洞的发展状况，就可以预测破坏。 如果同样的情况也适用于地下岩石，那么内陆大地震震源附近的至少一部分破坏在原理上是可以预测发生的。

研究的经过

产综合研究所正在进行从地质上阐明地震和火山现象的研究。 其中，明确内陆大地震的发生过程，并建立以此为基础的预测方法被认为是重要的社会课题。 产业综合研究所迄今为止，作为带来震源附近信息的断层，对三重县内的中央构造线进行了调查。 作为到目前为止调查的延长，明确了在内陆大地震的震源大多所在的地方，震源附近的强延性变形会导致引起地震的断层的破坏。

研究内容

三重县内的中央构造线沿线，有内陆大地震震源附近的断层构造直接露出地表的地方(图1 )，变形最强的部分是超糜棱岩由粒径不足1 m的细粒岩石构成。 硅灰石由多晶石英层(以下称为“石英层”)和含有大量长石的细粒多矿物层(以下称为“细粒多矿物层”)构成，被拉伸后形成面结构(图2a )。 另外，在三重县内中央构造线沿线的超糜棱岩中，经常可以观察到与面结构大致平行的破坏结构(图2b、c )。

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图1三重县内中央构造线调查地区岩石变形情况及位置图。 由近岩相边界向北分布着300 ℃以下变形的脆性断层岩类、350 ℃附近变形的糜棱岩、400 ℃附近变形的糜棱岩。 本研究以在350 ℃附近变形的糜棱岩为对象。 白圈是确认与超极岩面结构平行的破坏结构的地点。

※使用的是引用原论文的图改变后的东西。

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图2超细晶的光学显微照片( a )断裂结构不明显的超细晶。 倾斜的裂缝(棕色部分)是地质学上后来的变形造成的。 与( b，c )面结构大致平行的破坏结构。 ( b )和( c )分别表示在不同地方观察到的破坏结构。

※使用的是引用原论文的图改变后的东西。

在超糜棱岩中，扫描电子显微镜や透射电子显微镜根据的观察，晶界等观察到2种微小空洞(图3 )。 一个是什么都不含的空洞(图3a、c )，另一个是空洞的一部分或全部填充有绿泥石(图3b )。 这些微腔的最小尺寸为10 nm左右(图3 c、d )。 石英层中不包含任何微腔(图3a )。 在细粒多矿物层中，大于500 nm的微空洞用绿泥石填充(图3b )，但不包括任何比其小的东西(图3c )。 关于伴随延性流动的微小空洞的二次矿物填充，迄今为止有多个报告案例，笔者认为本研究中用绿泥石填充的微小空洞也发生了同样的现象。 另外，使用了扫描电子显微镜背散射电子束衍射法通过的分析和透射电子显微镜的观察，明确了在石英层和细粒多矿物层中，发生延性变形的物理过程。

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图3糜棱岩中可见的微腔( a )石英层中不含任何物质的微腔( b )细粒多矿物层中部分或全部填充绿泥石的微腔( c )细粒多矿物层中小于几百纳米的微腔的扫描电镜二次电子能谱( d )细粒多矿物层

※使用的是引用原论文的图改变后的东西。

接下来是微小空洞的形成延性应变然后，在破坏结构不明显的地方调查了与破坏的关系。 首先，着眼于超糜棱岩内应变的不均质性，将其分为可视为应变大致恒定的多个区域(图4 )。 接着，说明在各个区域中微小空洞的体积分数和石英层中的动态再结晶更新产生的粒子与动态再结晶前就存在的粒子的比例(以下称为“重结晶分数)进行了测量(图5 )。 众所周知，再结晶分数与延性应变一起增大有一定的关系，可以用作表示变形引起的应变的量。 另外，再结晶分率在石英层进行了测量，细粒多矿物层与石英层一起发生了延性变形，可以认为石英的再结晶分率表示了各区域应变的大小。

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图4基于在将硅灰石视为应变基本恒定的多个区域中的( a )利用背散射电子束衍射法测量的每个粒子的晶体取向差的偏差值( GOS: Grain Orientation Spread )和( b ) GOS的值，对动态再结晶粒子进行了分解 纵轴横轴为背散射电子束衍射法测定时的位置坐标。

※使用的是引用原论文的图改变后的东西。

微腔体积分数中，与破坏不相邻处的值随再结晶分数的增加呈线性增加，当石英再结晶分数约为90%时，微腔的体积分数可达7.5% (图5 )。 微空洞体积分数超过7.5%的地方仅限于与破坏相邻的地方。 该结果表明，在硅灰石中看到的微空洞是随着延性应变的增加而产生的，微空洞的体积分数超过7.5%时会导致破坏。 也就是说，奥特糜棱岩中的破坏是由于伴随着较大的延性应变，微小空洞的发展导致强度降低而发生的延性破坏是由引起的。 此外，在中央结构线的走向方向上至少观察到7 km的接近于超糜棱岩面结构的破坏(图1 )。

如上所述，在金属中，通过延性变形掌握微小空洞的发展状况与破坏的预测相关。 此次成果表明，地下岩石中也和金属一样，由强延性变形引起的微小空洞的发展会导致断层的破坏。 也就是说，可以认为内陆大地震震源附近的至少一部分破坏在原理上和金属一样可以预测发生。 另外，由于在大范围内经常观察到与中央构造线沿线的超糜棱岩面结构大致平行的破坏，这表明此次报告的现象在内陆大地震的震源附近是常见的现象。 今后，验证其发生的空间范围、引起地震破坏的痕迹的有无、对引起内陆地震的断层整体的影响是很重要的。

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图5在硅灰石的多个区域测量的石英再结晶分数(应变相当量)与微空洞体积分数的关系。 微腔的体积分数随石英的再结晶分数增加，超过7.5%的微腔的体积分数只有在与破坏相邻的地方才能发现。 误差是微腔体积分数和石英再结晶分数的95%置信区间。

※使用的是引用原论文的图改变后的东西。

今后的计划

关于这次发现的伴随强延性变形的破坏现象，目前正在验证其发生的空间扩散，以及有无引起地震破坏的痕迹。 通过展示这些，可以研究伴随延性变形的破坏和作为其前兆的微小空洞的发展如何影响引起地震的断层整体。

论文信息

刊登的杂志:journal of geophysical research:solid earth

论文标题: evolution of nano cavities to ductile fractures in crust al-scale faults at the base of the seismogenic zone

作者: Thomas Yeo，Norio Shigematsu，Simon R. Wallis，Keita Kobayashi，Chunjie Zhang，and Kohtaro Ujiie

DOI:10.1029/2024JB029868

用语解说

延性变形引起应变、延性应变

物体受到外力而变形超过弹性极限时，没有破坏而被拉伸的变形称为延性变形。 另外，将因受到延性变形而产生的应变(变形的程度)称为延性应变。[返回参照源]

微腔体积分数

岩石中由强延性变形产生的空洞占体积的比例。 本研究的测量是通过图像处理测量了用扫描电子显微镜取得的图像内空洞所占面积的比例。[返回参照源]

超糜棱岩

在断层较深的地方等高于300 ℃的温度下，因高温而产生卓越的变形机制而发生延性变形的岩石称为糜棱岩。 在糜棱岩中，原本包含在岩石中的矿物粒子被拉伸得很大，因此具有条纹的面结构。 糜棱岩受到更强的延性变形，几乎所有的构成矿物都变成了细粒的岩石叫做奥特糜棱岩。[返回参照源]

扫描电子显微镜

一种电子显微镜，通过将波长较短的电子束扫描到试样表面，利用从对象物得到的二次电子、反射电子等观察对象物的表面结构。[返回参照源]

透射电子显微镜

电子显微镜通过使波长短的电子束透过非常薄的试料，可以观察试料内部晶格的变形、关于电子束衍射引起的晶体结构的信息、原子的排列等。[返回参照源]

晶界

多晶体中存在于两个以上结晶粒子之间的界面称为晶界。 夹着晶界存在的结晶粒子具有不同的结晶方位。[返回参照源]

背散射电子束衍射法

在扫描电子显微镜中，根据从被照射电子束的地方得到的电子束衍射图形，取得电子束照射处的结晶方位等信息的方法。 利用扫描电子显微镜可以容易地取得电子束被扫描的比较宽范围的结晶方位的信息。[返回参照源]

动态再结晶

晶体中原子排列呈线状偏移的线缺陷称为位错，在晶体经受延性变形中起着重要的作用。 当晶体因位错而发生延性变形时，由于位错的作用，原来的粒子被再结晶引起的新粒子取代，或者原来的粒子被分成多个粒子，这种现象称为动态再结晶。[返回参照源]

重结晶分数

通过动态再结晶新产生的粒子和动态再结晶前就存在的粒子的比例。 测量需要区分通过动态再结晶新产生的粒子和动态再结晶前就存在的粒子。 本研究的测量将基于混合高斯分布的聚类应用于基于扫描电子显微镜下的背散射电子束衍射的晶体方位差数据。[返回参照源]

延性破坏

物体受到外力直到最终断裂为止，伴随着大的延性变形的破坏方式。 对于金属等，在受到强延性变形时会形成晶体级的微小空洞，而且空洞的生长体的发展会导致强度降低，从而产生最终的断裂。[返回参照源]

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