7-3 東 日 本 における 地 殻 応 力 測 定 の 試 み (1) Measurements of Crustal Stress in Eastern Japan (1) 東 日 本 地 殻 応 力 測 定 グループ The Research Group for Crustal Stress in Eastern Japan (a) 変 形 率 変 化 法 1. はじめに 地 殻 応 力 測 定 東 日 本 グループでは,1982 年 8 月 宮 城 県 鳴 子 町 ( 川 渡 ;KWT )において 深 さ 約 20 mのボーリングを 行 い, 三 点 の 異 なる 深 度 でオーバー コアリング 法 ( 東 大 式 )による 地 殻 応 力 測 定 を 試 みた これらの 測 定 のうち, 一 点 ( 16.4 m )で 解 析 可 能 な 測 定 結 果 を 得 た また, その 測 定 点 下 部 ( 深 度 18.5 ~ 19.5 m )から 定 方 位 コア サンプルの 採 取 を 行 った 一 方, 東 北 大 学 理 学 部 では 1982 年 に 秋 田 県 五 城 目 町 ( GJM ), 同 県 田 沢 湖 町 ( TAZ ), 岩 手 県 沢 内 村 ( SWU )に 於 て, 深 さ 約 100m の 体 積 歪 観 測 井 のボーリングを 行 った これらの 地 点 からは 8 0 m 以 深 のサンプルを 得 た これらのサンプルを 使 用 し, 変 形 率 変 化 法 ( 山 本 他,1983 )により 地 殻 応 力 の 測 定 を 試 み た ここでは KWT サンプルから 得 られた 測 定 結 果 とこの 地 域 の 他 の 地 球 物 理 学 的 測 定 量 との 比 較 を 行 うとともに,この 方 法 により 得 られた 地 殻 応 力 について 報 告 する 2. 測 定 結 果 変 形 率 変 化 法 は 繰 り 返 し 載 荷 で 得 られるサンプルの 歪 の 差 Δε(σ) Δε(σ)=ε n (σ)-ε 1 (σ), 但 しε n は n 回 目 載 荷 でのサンプルの 歪,σは 圧 縮 軸 応 力 )から Δε - σ 曲 線 の 非 直 線 的 変 化 開 始 応 力 を 先 行 応 力 として 読 む 方 法 である 第 1 図 は KWT サンプルの Δε 測 定 結 果 を 水 平 面 内 で 方 向 別 に 示 したものである 図 中 の 矢 印 は 先 行 応 力 を 読 み 取 った 位 置 である 第 2 図 は 読 み 取 られた 先 行 応 力 を 横 軸 を 方 位 としてプロットしたものである 各 方 向 とも 大 きな 分 散 を 示 す が, 比 較 的 測 定 値 が 集 中 して 求 められる 測 定 ( 黒 丸 )のみを 使 用 して 解 析 を 行 った 結 果 を 第 一 表 に D.R.M. としてオーバーコアリング 法 による 結 果 とともに 示 してある この 地 点 の 岩 質 はヤング 率 が 1.2 ~ 4.1 10 4 MPa の 範 囲 に 分 散 し, 極 めて 不 均 質 である それ 故 オーバーコ アリング 法 による 測 定 は 外 周 加 圧 の 結 果 に 基 づいて 解 析 された 第 3 図 には,この 方 法 により 求 められた 最 大 主 圧 縮 軸 方 向 を,1976 年 に 付 近 に 発 生 した M 4.9 の 地 震 とその 余 震 分 布 図 ( 東 北 大 学 理 学 部,1977 ) 上 に 本 震 の 発 震 機 構 から 求 められた 主 圧 縮 軸 方 向 ( 佐 藤 他,1979 ), 精 密 測 地 網 一 次 基 準 点 測 量 により 得 られているこの 地 域 の 最 大 396
主 歪 ( 縮 み ) 軸 方 向 ( 国 土 地 理 院,1982 )とともに 示 した この 図 からわかるように,これら は 全 て 調 和 的 である 第 4 図 は 変 形 率 変 化 法 により 得 られた 東 北 地 方 各 地 点 の 水 平 面 内 主 圧 縮 応 力 を 示 したもので ある GJM,TAZ,SWU のサンプルには 定 方 位 がなされておらず 主 軸 の 方 位 は 不 明 である KWT を 除 く 各 地 点 の 最 小 主 圧 縮 応 力 はかぶり 圧 程 度 である 又,SWU,KWT で GJM,T AZ よりも 大 きな 差 応 力 を 示 している 参 考 文 献 1 ) 山 本 清 彦 桑 原 保 人 平 澤 朋 郎,1983, 変 形 率 変 化 を 用 いた 先 行 応 力 の 推 定, 地 震 学 会 予 稿 集,1 983, 1,245. 2 ) 東 北 大 学 理 学 部 : 東 北 地 方 及 びその 周 辺 の 微 小 地 震 活 動 ( 1974 年 1 月 ~ 1975 年 6 月,1976 年 5 月 ~ 1976 年 10 月 ), 連 絡 会 報,17(1977 ),16-22. 3 ) 佐 藤 魂 夫 中 田 高 今 泉 俊 文 大 槻 憲 四 郎,1979, 被 害 調 査 から 推 定 される 地 震 活 動 の 卓 越 方 向 と 地 震 断 層 モデル, 地 震 2,32,171-182. 4 ) 国 土 地 理 院 : 東 北 地 方 の 水 平 歪, 連 絡 会 報,28(1982 ),41-58. ( 東 北 大 学 理 学 部 ) (b)ae 法 1. はじめに AE 法 では, 岩 石 試 料 の 過 去 の 応 力 履 歴 効 果 を 利 用 して,これまで 地 殻 がうけた 応 力 を 推 定 しようというものである その 意 味 では (a) の 変 形 率 変 化 法 と 共 通 している したがって,この 方 法 が 実 用 化 されれば 野 外 から 岩 石 試 料 を 採 取 してきて,その 地 域 の 応 力 状 態 を 推 定 すること が 可 能 となる 方 法 は 簡 便 であると 同 時 に 低 コストでできる 利 点 がある 但 し,まだ 実 用 化 す るには 検 討 すべき 問 題 がある この AE 法 を 神 奈 川 県 真 鶴 半 島, 静 岡 県 伊 豆 長 岡 町 及 び 茨 城 県 笠 間 市 稲 田 の3ヵ 所 で 採 取 し た 岩 石 について 適 用 し 地 殻 応 力 の 推 定 を 試 みた 2. 測 定 結 果 ( 真 鶴 半 島 ) 試 料 は 半 島 の 南 側 石 切 場 より 採 取 し, 定 方 位 後 約 1m3のブロックを 岩 盤 から 取 出 し, 各 方 向 毎 の 試 料 について1 軸 加 圧 試 験 により AE 法 を 適 用 した 吾 々の AE 法 はカイザー 効 果 を 利 用 して 2 回 の 繰 返 し 加 圧 の 際 の AE 数 の 差 に 着 目 すること によって 初 期 応 力 を 推 定 するものである 第 5 図 に N45 E 方 向 の 岩 石 試 料 について 応 力 を 推 定 した 例 を 示 した 推 定 した 応 力 の 水 平 面 内 各 方 向 での 平 均 値 をプロットしたのが 第 6 図 であ 397
る これによると, 水 平 最 大 主 圧 力 10.0 ± 1.7MPa,N15 W, 同 最 小 主 圧 力 7.0±1.2MPa という 推 定 値 が 得 られた ( 伊 豆 長 岡 ) 石 切 場 より 採 取 した 安 山 岩 ブロックに 対 して 上 と 同 様 に AE 法 を 適 用 し 応 力 の 推 定 を 行 ない, 水 平 最 大 主 圧 力 3.6 ± 0.8MPa,N82 W, 同 最 小 主 圧 力 2.7±0.7MPa とい う 推 定 値 を 得 た ( 稲 田 ) 石 切 場 より 採 取 した 花 崗 岩 ブロックについて 応 力 の 推 定 を 行 なったところ, 水 平 最 大 主 圧 力 1.5 ± 0.2MPa,N10 E, 同 最 小 主 圧 力 0.9±0.1MPa という 推 定 値 を 得 た 上 の 前 2 箇 所 について AE 法 によって 推 定 された 最 大 主 圧 力 を, 同 地 域 の 浅 発 地 震 の 発 震 機 構 により 求 められた 主 圧 力 方 向 と 共 に 第 7 図 に 示 す ( 東 京 大 学 地 震 研 究 所 ) 参 考 文 献 1 )Yoshikawa, S. and K.Mogi, 1981, A new method for estimation of the crustal stress from cored rock samples : laboratory study in the case of uniaxial compression, Tectonophysics, 74 :32 3-3 39. 2 ) 吉 川 澄 夫 茂 木 清 夫,1983, 岩 石 の AE 活 動 度 の 応 力 履 歴 効 果 による 応 力 推 定 法 - 第 6 報 時 間 依 存 性 について,1983, 1,232. 表 1 川 渡 で 得 られた 変 形 率 変 化 法 ( D.R.M )とオーバー コアリング 法 ( 東 大 式 )による 地 殻 応 力 測 定 結 果 Table 1 The results of the in-situ stresses at Kawatabi obtained by the present method (D.R.M.) and by the over-coring method. 398
第 1 図 川 渡 ( KWT ) 深 さ 19.4 mで 得 られた 試 料 の 二 回 目 と 一 回 目 載 荷 時 の 試 料 歪 の 差 を 方 位 別 に 示 す 矢 印 は 先 行 応 力 ( 地 殻 応 力 )を 読 み 取 った 位 置 Fig. 1 Measured strain differences between the first and the second loadings. The core samples were obtained from a depth of 19.4 m at Kawatabi (KWT; see Fig. 4 for its location). Arrows show the estimated values of in-situ stresses. 第 2 図 変 形 率 変 化 法 により 求 められた 地 殻 応 力 の 方 向 分 布 実 線 は 分 散 の 大 きい 白 丸 を 除 いた 黒 丸 のデータのみに 対 する 最 良 適 合 曲 線 を 示 す Fig. 2 The azimuthal change in the in-situ stresses estimated from KWT samples. The solid curve is the best fit one to the data of solid circles, where the data of open circles are omitted because of their large scattering. 399
第 3 図 川 渡 試 料 から 変 形 率 変 化 法 ( D.R.M. )により 求 められた 最 大 主 圧 縮 軸 方 向, 附 近 に 発 生 した 地 震 の 発 震 機 構 から 得 られている 圧 縮 軸 方 向, 及 び 精 密 測 地 網 一 次 基 準 点 測 量 によるこの 地 域 の 最 大 縮 み 方 向 を 示 す Fig. 3 The maximum compression direction estimated at Kawatabi by the present method (D.R.M.) in comparison with those at the vicinity of Kawatabi by the precise geodetic measurements and by the focal mechanism of the earthquake of July, 1976, whose epicenter is shown by the large circle with cross. The epicenters of the aftershocks are also shown by solid circles. 第 4 図 変 形 率 変 化 法 により 求 められた 五 城 目 ( GJM ), 田 沢 湖 ( TAZ ), 沢 内 ( SWU ) 及 び 川 渡 ( KWT )の 試 料 から 求 められた 水 平 面 内 最 大 最 小 圧 縮 応 力 試 料 採 取 深 度 も 図 中 に 示 されている たゞし GJM,TAZ,SWU の 試 料 には 定 方 位 がなされていない Fig. 4 The maximum and the minimum compressional stresses estimated by the present method at Gojome (GJM), Tazawako (TAZ) and Sawauchi (SWU), in addition to Kawatabi (KWT), where the depths of the core samples are also shown. Since the orientations of the core samples are unknown for GJM, TAZ and SWU, the directions of the principal axes are not determined. 400
第 5 図 上 黒 丸 : 第 1 回 目 の 加 圧 の 際 の AE 数 白 丸 : 第 2 回 目 の 加 圧 の 際 の AE 数 下 第 1 回 と 第 2 回 の AE 数 の 差 矢 印 が 推 定 された 初 期 応 力 Fig. 5 An example of stress estimation by the AE method. Top: Closed circles show the number of AE events for the first loading, open circles show the number of AE events for the second loading. Bottom: Difference in the number of AE events between the first and the second loadings. Arrow indicates the estimated stress. 第 6 図 AE 法 によって 推 定 された 水 平 面 内 の 主 圧 力 Fig. 6 The horizontal maximum stress at Cape Manazuru estimated by the AE method. Open circles show the estimated stresses in each direction. 401
第 7 図 AE 法 によって 求 められた 最 大 主 圧 力 方 向 ( 角 印 )と 大 きさ 発 震 機 構 から 求 められた 主 圧 力 方 向 も 示 してある Fig. 7 The horizontal maximum stresses estimated by the AE method (squares) and the pressure axes obtained by focal mechanisms of shallow earthquakes. 402