JPH11337651A - 断層変位及び体積変位監視による地震予測方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 断層が降伏すべり現象を起こす挙動プロセス
やメカニズムを把握し、地震の発生時期やその範囲、規
模などを高い確度で予知評価可能とする。 【解決手段】 トランスフォーム１に存在する断層２を
横断して穿孔形成した孔井３内に、断層２を挟んで断層
微小変位計４を設置し、孔井３内の断層２を挟まない連
続する岩盤部分に体積変位計５を設置する。断層微小変
位計４は断層面を挟んで両岩盤の相対変化を三次元的に
計測し、体積変位計５は断層近傍岩盤内の体積変化の計
測から応力変化を評価する。これらの計測データから変
形率などの変化を地震前兆現象の変化として識別して地
震の発生時期や発生危険度を評価する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、断層の微小変位
及び岩盤の体積変位を計測監視することで地震発生の危
険度を予測する方法に関し、特に断層のすべり現象や地
震発生に関連した変形挙動を計測評価して地震発生を予
測する技術分野に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、地震工学あるいは地球物理学
の分野において、地震発生を予知あるいは予測すべく、
岩盤内を伝播する予震の地震波形計測や岩盤内のひずみ
エネルギに関連した体積ひずみ計測が行われている。そ
して、かかる岩盤内の地震動に関連する振動計測として
は、一般に地震計、加速度計によるものが採用されてい
る。これら従来の計測の内、地震波形計測は、「地震発
生に関連した断層のすべり現象が発生する前に微小のす
べり破壊に関連した微小地震が発生する」との仮定のも
とに、岩盤内を伝播する微小地震の波形を共振する振動
子の振幅あるいは振動圧力として計測してその後に発生
する地震を予知あるいは予測しようとするものであっ
た。

【０００３】他方、かかる岩盤内の地震動に関連するひ
ずみ計測としては、一般に岩盤深くまで穿孔したボアホ
ール空洞の変形から岩盤のひずみ量を評価するものが採
用されている。この従来のひずみ計測は、地震発生の要
因となる地殻あるいはプレートのひずみエネルギに関連
した岩盤ひずみ量の増加傾向を把握することによって地
震発生を予知あるいは予測しようとするものであった。

【０００４】ところで地震は、プレートテクニクスで明
らかにされているように、マントルの流動に密接に関連
する地殻プレートの移動によって蓄積されたひずみエネ
ルギが地下深部の断層などにおいて急激に解放される現
象とされており、その多くはプレートがぶつかり合うト
ランスフォーム（プレート境界面）において地震や岩盤
破壊の履歴をもつ既存の破壊面である断層において発生
している。

【０００５】つまり、地震工学的には、材料欠損部分の
降伏すべり現象であり、ひずみエネルギが断層近傍に誘
起した応力状態を限界条件として断層が降伏し、すべり
による地殻のポテンシャルエネルギと振動による運動エ
ネルギとして逐次解放されるスティックスリップ挙動を
呈するとされている。このような降伏を力学的に把握す
るには、応力分布や変形挙動が定性的にほぼ一定なトラ
ンスフォームにおいて直接的に断層微小挙動と応力変化
を検知することによってはじめて降伏時期やその範囲、
規模などが高い確度で推察される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の地震
計、加速度計による地震波形計測は、断層が降伏する力
学的挙動に直接的に関連する現象を対象として計測して
いるわけではなく、場合によっては発生することがある
小規模な断層の降伏によるすべり変形を前兆と仮定して
その震動から予測評価を試みる方法であった。又、従来
の岩盤内の体積ひずみ計測は、岩盤内のひずみエネルギ
の上昇を把握するものであり、断層に降伏すべりをもた
らす原因のひずみは検知されるものの、その降伏の限界
を知るデータとはならなかった。

【０００７】即ち、これら従来の地震波形計測や体積ひ
ずみ計測による地震予測方法では、断層の降伏すべりで
ある地震現象を予知しようとはするものの、断層の降伏
に至る挙動やメカニズムを直接的に計測する手段ではな
かったため、これら従来の計測から地震の時期やその範
囲、規模などを高い確度で予知評価することは困難であ
った。

【０００８】このように地震発生の原因となる断層の微
小挙動と断層周辺の体積変位の計測から地震発生を予知
した例は未だ無く、又地表面の変位データから導いたひ
ずみエネルギ分布と断層の微小挙動との関係を計測及び
評価した例もなかった。これは、上述したように従来の
地震計、加速度計が、地震動の発生を計測するものであ
ったため、大規模な地震発生の前に微小地震が規則的に
発生しない限り地震予知の手段としては有効にならなか
ったのに加え、従来の岩盤内体積ひずみ計測が断層の降
伏現象に関連しない地震の要因のみを計測するに過ぎな
かったため、これら従来の計測では地震の発生規模と発
生時期を予知評価できなかったのである。

【０００９】又、地震が岩盤欠損部分である断層の降伏
すべり現象であることを力学的に考えれば、その降伏に
至る挙動プロセスやメカニズムの把握が地震予知に不可
欠であり、地震の発生箇所である断層近傍あるいは断層
を含むトランスフォーム（プレート境界面）における微
小挙動の直接的な計測把握が初めて地震を予知するため
の手がかりとなるはずである。

【００１０】しかるに、従来の計測では、地震発生源で
ある断層を直接的に計測するものではなく、仮に従来の
変位計や圧力計を用いて地表あるいは地下空洞の岩盤で
これらの計測を行うとしても、地表や地下空洞における
ゆるみ領域、岩盤や亀裂などの風化、微小亀裂や地下水
などの影響を被る現象を計測せざるを得ず、微小な現象
を評価できないとする問題があった。

【００１１】この発明は、上記のような従来の問題点を
鑑みてなされたものであり、地震の発生箇所である断層
近傍あるいは断層を含むトランスフォームにおける微小
挙動の直接的な計測を行い、断層が降伏すべり現象を起
こす挙動プロセスやメカニズムを把握すると共に、大規
模な地震発生前の微小地震が規則的に発生しなくとも地
震予知が可能で、又地震の発生時期やその範囲、規模な
どが高い確度で予知評価可能な断層変位及び体積変位監
視による地震予測方法を提供することを目的としてい
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、この発明の断層変位及び体積変位監視による地震予
測方法は、地震の発生箇所となる地殻プレート等の境界
面トランスフォーム内にある断層面や地表近傍の活断層
面あるいはそれらの近傍において地震発生の降伏すべり
に至るプロセスの変形挙動と地震発生の要因となる岩盤
内孔井の体積変位から導く応力変化を直接的に断層ある
いは断層を含むトランスフォーム内で計測するものであ
り、すべり現象を発生する直前の断層面上の岩石微小破
壊や塑性変形に関連する挙動から地震発生の危険度を予
測することを特徴とするものである。

【００１３】地震発生の要因となるひずみエネルギが蓄
積されている断層面あるいはその境界面に含まれる断層
面を横断してボアホールを穿孔して、断層面を挟んで両
岩盤の相対変化を三次元的に計測する断層変位計測装置
を設置し、更に断層近傍岩盤内の体積変化の計測から応
力変化を評価する体積変位計測装置を設置し、これらの
三次元微少変位計測データ及び三次元微小体積変位計測
データから断層の微小変形と断層近傍岩盤の応力変化を
計測評価する。

【００１４】この断層の微小変形と断層近傍岩盤の応力
変化から、断層のすべり現象を発生させる方向の変位ベ
クトルとその方向の応力変化との相関関係を導くと共に
断層面に垂直方向の微少変位と応力変化の相関関係も併
せて導く。更に、上記計測評価の結果を経時変化として
整理し、その両者の相関関係における変形率を併せて監
視する。

【００１５】地震発生の力学的なメカニズムはすべり破
壊の履歴を被った断層が再び降伏してすべり現象を呈す
るものであり、その降伏限界に到達する前には断層面上
の局所的な応力集中に伴う岩石微小破壊や塑性変形現象
が現れる。このような微小破壊や塑性変形に伴って発生
する応力波や電磁波などを計測する従来の間接的な方法
に変わり、断層の微小変形及び断層近傍の体積変位に基
づく応力変化を直接的に監視し、この手段によってこれ
らの前兆現象を変形率などの変化として識別して地震の
発生時期や発生危険度を評価するものである。

【００１６】孔井は岩盤内に存在する断層面を横断して
穿孔し、この孔井内に設置される断層変位計測装置は、
断層を挟む岩盤内に各々独立して固定設置された計測部
及びセンサ部間の相対的な微小変位を三次元的に計測
し、又上記孔井内に設置する体積変位計測装置は、断層
が無い連続した岩盤内に各々独立して固定設置された計
測部及びセンサ部間の相対的な微少変位とセンサ部周囲
の孔井壁面の微小変位を計測することで三次元的な体積
変位を得る。

【００１７】

【発明の実施の形態】次にこの発明の実施の形態を添付
図面に基づき詳細に説明する。図１は岩盤内のプレート
境界層であるトランスフォーム１に存在する断層２を横
断して穿孔形成した孔井３内において、断層２を挟んで
断層微小変位計４を設置し、孔井３内の断層２を挟まな
い連続する岩盤部分に体積変位計５を設置した例を示
す。

【００１８】地殻プレートがぶつかり合う境界面である
トランスフォーム１には地殻プレートのひずみエネルギ
が対向して作用しあうため、すべり降伏前の状態にある
上記トランスフォーム１内の断層２やその近傍岩盤で
は、岩盤の弾性係数や深度に依存する変形係数や土覆り
圧の補正係数を乗じて等価となるような応力状態を呈し
ている。このため、断層微小変位計４、体積変位計５は
地震発生直前までのトランスフォーム１や断層２の微小
変形と岩盤の体積変化を高精度に計測できる。

【００１９】図２は図１における断層微小変位計４を示
す拡大断面図である。断層微小変位計４は、断層２を横
断して岩盤６，７に穿孔形成した孔井３内において断層
２を挟んだ一方の岩盤７内に固定手段８によって固定設
置される計測部９と、他方の岩盤６内に同様な固定手段
８によって固定設置されるセンサ部１０を有する。この
センサ部１０は、少なくとも三方向以上の変位センサ１
１を有し、計測部９とは分離した部材であるが相互に接
触した状態で設置される。

【００２０】なお、計測部９及びセンサ部１０は着脱可
能な図示しない固定ガイド部材によって一体として孔井
３内に挿入し、各々を図示しない伸縮手段により固定し
た後、固定ガイド部材を抜き取って各々を独立固定す
る。又、計測部９及びセンサ部１０を収容する筒状部材
の円周には少なくとも２面の孔壁圧着部８ａを備え、油
圧シリンダやスプリングなどの伸縮手段によって固定手
段８を筒状部材の径方向外方に向って突出させて孔壁岩
盤面に加圧固定する構造を有している。

【００２１】計測部９は、先端が縮径する第一筒状部材
１２の後端に設けるもので、平坦で互いに直角に交差す
る少なくとも三面の計測面９ａを有する。一方、センサ
部１０は第一筒状部材１２に後続する第二筒状部材１３
の先端に設けるもので、前記計測面９ａに垂直に対向す
る少なくとも三軸方向に各々設けられた少なくとも三台
の変位センサ１１が取付けられており、両固定部材間の
相対微小変位を三次元的に計測できる。

【００２２】上記第一及び第二筒状部材１２，１３間の
相対変位を互いに直交する少なくとも三軸方向の計測結
果として捉え、これらの数値を断層面とその面に直交す
る座標系に変換することにより、断層面内の微小すべり
ベクトル（変形方向と変形量）と断層面の閉塞あるいは
開口の微小変位を評価することができる。

【００２３】図２の断層微小変位計４による計測例を図
３に示し、この計測結果から断層面に対して座標変換し
た例を図４に示す。これらは共に経時変化曲線を表わし
ており、図３の縦軸１４は断層微小変位計４のセンサ部
１０にある三軸方向の変位センサ１１による変位量を表
わし、横軸１５は計測の経過時間を表わしている。この
変位計測では、孔井３内に設置した時点からの相対変化
として変位を計測するため、計測の開始時が変位基準１
６となる。

【００２４】図３で得られた計測データを断層面とその
面に直交する座標系に変換することにより、図４に例示
するように、断層面内の微小すべりベクトル（変形方向
と変形量）と断層面の閉塞あるいは開口の微小変位を評
価することができる。図４の縦軸１７ａは変位量、１７
ｂは変位ベクトルの方位角を表わし、横軸１８は計測の
経過時間を表わすもので、例えば断層面内のすべり変位
ベクトルの最大変位量を曲線１９で表わし、その方位角
を曲線２０で表わし、更に断層面に直交する方向の閉塞
あるいは開口変位を曲線２１で表わす。

【００２５】曲線１９の断層面内の最大すべり変位の経
時曲線において、曲線の傾きが変化する変曲点２２は断
層の変形が断層面内の微小破壊や塑性変形に関連した挙
動を呈することを示しており、この傾きの大きさで表わ
される断層の変形率の変化を評価することが可能にな
る。

【００２６】図５は図１における体積変位計５を示す拡
大断面図である。体積変位計５は、断層２を横断して穿
孔形成した孔井３内において、断層２を挟まない連続し
た岩盤６内に複数の固定手段１０８によって固定設置さ
れた計測部１０９とセンサ部１１０を有する。

【００２７】計測部１０９は、先端が縮径する第一筒状
部材１１２の後端に設けるもので、平坦な計測面１０９
ａを有する。一方、センサ部１１０は第一筒状部材１１
２に後続する第二筒状部材１１３に設けるもので、孔井
３の壁面に対向する少なくとも三軸方向の変位センサ１
１１ａと、計測面１０９ａに対向する少なくとも三軸方
向に設けられる変位センサ１１１ｂの少なくとも六台の
変位センサが取付けられており、孔井壁面の微小変位及
び両固定部材間の相対距離の微小変位を三次元的に計測
できる。

【００２８】上記第二筒状部材１１３の周囲の少なくと
も三方向の径方向変位と、上記両固定部材間の相対変位
を部材軸方向の少なくとも三軸の計測結果から、岩盤内
の応力状態を表する６個の応力テンソルに関連する６個
の体積変位テンソルあるいは６個の体積ひずみテンソル
として評価することができる。

【００２９】図５の体積変位計５による計測例を図６に
示し、この計測結果から導いた主応力変化曲線の例を図
７に、断層面内のすべりベクトル方向のせん断応力を評
価した例を図８に各々示しており、共に経時変化曲線を
表わしている。図６の縦軸２３は体積変位計５のセンサ
部１１０にある少なくとも六方向の変位センサ１１１
ａ，１１１ｂによる変位量を表わし、横軸２４は計測の
経過時間を表わしている。この変位計測では、孔井３内
に設置した時点からの相対変化として変位を計測してお
り、孔井３における計測間隔との比率から容易に体積ひ
ずみに換算できる。

【００３０】図６で得られた少なくとも六方向の計測デ
ータから６個の応力テンソルが導かれ、その内のせん断
応力テンソルに表わす３個の応力が０になるような評価
から主応力変化量が図７に示すように導かれる。図７の
縦軸２５は主応力の大きさを表わし、横軸２６は経過時
間を表わしており、主応力は計測が開始されてからの変
化量を表わすことになる。ここで、曲線２７は最大主応
力の変化、曲線２８は最小主応力の変化、又曲線２９は
中間主応力の変化を表わしている。

【００３１】上記断層面内のすべり変位ベクトルの方位
角の方向に従ってそのせん断応力テンソルを導くと、図
８に例示するように、断層面内の微小すべりベクトル方
向のせん断応力の変化を評価することができる。図８の
縦軸３０は応力の大きさを表わし、横軸３１は計測の経
過時間を表わしている。断層面内のせん断応力の経時変
化曲線３２において曲線の傾きが変化する変曲点３３は
断層の変形が断層面内の微小破壊や塑性変形に関連した
挙動を呈することを示しており、上記図４に示したすべ
り変位の経時曲線の変形率変化の評価と同様に、この傾
きの大きさで表わされる断層のせん断応力変化率が変化
する傾向を評価することが可能になる。

【００３２】図９は縦軸３４に上記図４に示した断層面
内の最大すべり変位を表わし、横軸３５に上記図８に示
した断層面内のせん断応力変化を表わしており、両者の
相関曲線３６を示している。この相関曲線３６において
曲線の傾きはせん断剛性３７を表わしており、その剛性
が変化した曲線３８は断層の変形が断層面内の微小破壊
や塑性変形に関連した挙動を呈することを示すことにな
り、断層のせん断剛性における変形率の変曲点３９を評
価することによって断層における地震発生の危険度を認
知することが可能になる。

【００３３】又、この曲線における変形率の変化に基づ
き、降伏状態の最大せん断応力４０を収束する予想曲線
４１から導くことによって地震発生の危険度を予測でき
ることになり、この予測結果と併せて、常に断層の微小
変位を監視し続けて予想曲線と比較することによって、
確度の高い地震発生の危険度評価が可能になる。

【００３４】なお、人工衛星観測等で計測評価した地表
面の変位データを用いた地層内応力の数値解析から導い
たひずみエネルギ分布と、トランスフォーム内にある断
層面上の三次元微少変位に基づく断層を挟む岩盤のすべ
り変位から導いたポテンシャルエネルギーを比較し、そ
のひずみエネルギー解放のプロセスから断層面上のすべ
り変形の危険度を予測することも可能である。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の地震予
測方法は、地震発生の要因となるひずみエネルギが蓄積
されている断層面あるいはその境界面に含まれる断層面
を横断してボアホールを穿孔して、断層面を挟んで両岩
盤の相対変化を三次元的に計測する断層変位計測装置を
設置し、更に断層近傍岩盤内の体積変化の計測から応力
変化を評価する体積変位計測装置を設置し、これらの三
次元微少変位計測データ及び三次元微小体積変位計測デ
ータから断層の微小変形と断層近傍岩盤の応力変化を計
測評価する。

【００３６】この断層の微小変形と断層近傍岩盤の応力
変化から、断層のすべり現象を発生させる方向の変位ベ
クトルとその方向の応力変化との相関関係を導くと共に
断層面に垂直方向の微少変位と応力変化の相関関係も併
せて導き、更に上記計測評価の結果を経時変化として整
理し、その両者の相関関係における変形率も併せて監視
する。

【００３７】このように地震発生の要因となる断層ある
いは断層を含むトランスフォーム内で、すべり現象を発
生する直前の断層面上の岩石微小破壊や塑性変形に関連
する挙動を直接的に計測するので、断層が降伏すべり現
象を起こす挙動プロセスやメカニズムを把握することが
可能になる。又、これらの前兆現象を変形率などの変化
として識別することで地震の発生時期や発生危険度を評
価することが可能となる。従って大規模な地震発生前の
微小地震が規則的に発生しなくとも地震予知が可能で、
又地震の発生時期やその範囲、規模などが高い確度で予
知評価可能となるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】断層微小変位計及び体積変位計の設置状況を示
す断面図である。

【図２】断層微小変位計の設置状況を示す拡大断面図で
ある。

【図３】断層微小変位計による計測例のグラフである。

【図４】断層微小変位計による計測結果を断層面に対し
て座標変換したグラフである。

【図５】体積変位計の設置状況を示す拡大断面図であ
る。

【図６】体積変位計による計測例のグラフである。

【図７】体積変位計による計測結果から導いた主応力変
化曲線のグラフである。

【図８】すべりベクトル方向のせん断応力を評価したグ
ラフである。

【図９】最大すべり変位とせん断応力変化の相関曲線の
グラフである。

【符号の説明】

１ トランスフォーム ２ 断層 ３ 孔井 ４ 断層微小変位計 ５ 体積変位計 ８ 固定手段 ９ 計測部 １０ センサ部 １１ 変位センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小杉 昌幸 茨城県つくば市小野川16番３ 工業技術院 資源環境技術総合研究所内 (72)発明者 小野寺 勇記 埼玉県春日部市大沼３丁目103番地 株式 会社テラ内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 地殻プレート等の境界面トランスフォー
   ム内にある断層面や地表近傍の活断層面を横断して穿孔
   した孔井内に、断層変位計測装置を設置して計測する断
   層の三次元的微少変位と、断層面近傍まで穿孔した孔井
   内の断層を挟まない連続する岩盤部分に体積変位計測装
   置を設置して計測する孔井内の三次元的微小体積変位の
   監視データより地震発生の危険度を予測する方法であっ
   て、前記三次元的微小変位から導く断層面の微小すべり
   ベクトル及び微小開口変位あるいは微小閉塞変位と、前
   記三次元的微小体積変位から導く断層面近傍の岩盤内の
   微小地圧変化から、断層面のすべり方向と断層面に垂直
   な方向における微小変形と微小地圧変化との相関関係を
   評価し、これら計測評価の結果を経時変化として整理
   し、更に前記相関関係における変形率も併せて監視する
   ことで、断層面が地震としてのすべり現象を発生する直
   前の断層面上の岩石微小破壊や塑性変形挙動を前記相関
   関係及び経時変化における変形性の変化や変形率の変化
   として認識することを特徴とする断層変位及び体積変位
   監視による地震予測方法。