福島・茨城県境に位置する塩ノ平断層,車断層の活動性評価研究

Evaluation study of fault activity on Shionohira and Kuruma Faults located at the border of Fukushima and Ibaraki Prefecture, Japan

青木 和弘 ; 今井 宏太朗; 瀬下 和芳 ; 木村 恵; 桐田 史生 ; 中西 龍二 

Aoki, Kazuhiro; Imai, Hirotaro; Seshimo, Kazuyoshi; Kimura, Megumi; Kirita, Fumio; Nakanishi, Ryuji

塩ノ平断層は福島・茨城県境付近に位置し、2011年4月11日に発生した福島県浜通りの地震(Mw6.7)によって出現した。一方、その南方延長上の車断層ではこの地震による地表変状は認められなかった。上載層が存在しない場合や断層との切断関係を検討できる鉱物脈・岩脈が見つからない場合の断層の活動性評価について、破砕帯の性状に着目した新たな手法の開発を目的に塩ノ平断層(塩ノ平地点、別当地点)と車断層(水上北地点)の3箇所で地質調査、試錐調査、化学分析、水理・力学試験を実施し、評価すべき物性データの抽出・分析を行った。回転せん断式低速高速摩擦試験機を用い、断層ガウジのすべり速度Vと摩擦係数との関係を調べた。塩ノ平地点と別当地点の試料ではがにほとんど依存しない低速域、がの増加とともに増加する中速域、がすべりとともに劇的に低下する高速域に区分された。一方、水上北地点の試料では速度に対する依存性は認められなかった。地下の割れ目に高圧注水を行うことで断層の三次元変位(mmm)を測定するSIMFIP法による断層スリップ試験を実施した。塩ノ平地点では断層すべりはクーロン破壊としてモデル化でき、すべり速度に対して摩擦の依存性を示した。一方、水上北地点では断層すべりはクーロン破壊で表現できず、複数の亀裂やすべり面を利用した複雑な応答が確認された。水圧モニタリング孔での水圧応答から、断層部を挟む領域の水理特性をGRFモデル(Barker、1988)により評価し、透水係数、比貯留量、流れ次元などを明らかにした。透水係数および比貯留量は塩ノ平が水上北よりも大きく、流れ次元は塩ノ平が概ね三次元流であり、水上北が二次元フラクショナル流となった。塩ノ平地点と水上北地点のコア試料からせん断面の姿勢やせん断センスなどの断層スリップデータを取得し、多重逆解法による応力解析を行った。破砕帯を形成した運動と応力履歴を分析した結果、塩ノ平地点において5つ、水上北地点において2つの活動ステージが復元された。本研究では断層ガウジの摩擦特性、断層破壊モードや破砕部の水理特性、断層の活動ステージなどで、塩ノ平地点と水上北地点で顕著な違いが確認された。当該断層内での調査地点を増やすだけでなく、他地域の断層への適用を通じて断層活動性評価手法としての信頼性向上を計る必要がある。

This study presents a method for evaluating displacements on active faults that lack clear markers of fault offset. The method uses geological surveys, core studies, and chemical analyses along with hydraulic and mechanical tests. We applied this method to three test sites along the Shionohira Fault (Shionohira and Betto sites) and the Kuruma Fault (Minakamikita site). Laboratory friction tests on the fault gouge using a variable-speed, rotating shear friction apparatus were conducted. The samples from the Shionohira and Betto sites showed velocity weakening or strengthening, but no velocity dependence was observed at the Minakamikita site. A small-scale test to induce fault slip was conducted using the SIMFIP method. At the Shionohira site, fault slip can be modeled as a Coulomb rupture and shows a frictional dependence on slip velocity. On the other hand, at the Minakamikita site, a complex response using multiple fractures and slip planes was observed. Based on the water pressure response, the hydraulic properties of the area between the faults were evaluated. The transmissivity and specific storage are larger at Shionohira than at Minakamikita. Fault slip data such as shear plane attitude or shear sense were obtained from core samples and stress inversion analysis was performed. We attempted to elucidate the history of the movement and stress that formed the fracture zone. The results reconstructed five activity stages at Shionohira site and two stages at Minakamikita site. As shown in this report, the frictional properties, fault rupture mode, hydraulic properties and the history of fault motion were found to be different between the Shionohira and Kuruma sites. However, the results are based on a few locational data, so case studies at other sites and more applications to other faults should be considered to improve the reliability of the evaluation.