国立产业技术综合研究所【会长：中钵良二】（以下简称“AIST”）可再生能源研究中心【研究中心主任：古谷弘秀】（兼）地圈资源环境研究部【研究主任：三畑裕二】首席研究员花江活断层和火山研究部[研究部主任桑原康人]、首席研究员大坪诚、国立大学法人东北大学[校长进见里美]（以下简称“东北大学”）环境科学研究生院环境科学研究生院、以及板块边界附近的冈本敦副教授巨大的分支断层我们开发了一种新的计算模型来计算石英在沿着岩石形成的岩石裂缝中沉淀所需的时间。他提出，填充岩石裂缝的石英的沉淀反应可能会影响巨型分支断层的活动。
地下岩石裂缝闭合的现象被认为有助于岩石中水的分布和压力的增加。也有人说，引起地震的断层周围的水压增加会导致地震。此外，为了可持续利用来自地下热量和水的地热能，了解岩石中热水积聚的位置和数量非常重要。这项研究的结果使得估算石英沉淀反应引起的地下深处环境的时间变化成为可能，预计将有助于预测地震活动周期和地热能的可持续利用。
此结果公布于2017年10月17日（英国当地时间）科学报告
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| 石英填充岩石裂缝所需时间的计算结果（左）和石英脉的显微照片（右） |
在海洋板块俯冲到陆地板块之下的地方，板块边界和大型分支断层会发生8级以上的大地震。这些地震被认为以 100 至 1000 年的数量级重复发生。人们认为，当引起地震的断层周围的流体（水）压力增加时，断层的强度就会降低，使断层变得光滑并引发地震。为了预防和减少日本国内外的地震灾害，我们一直关注由巨型分支断层活动引起的特大地震以及据称与之相关的地震。慢地震进行了大量研究特别是，南海海槽的发生时期。但直接测量地下断层周围环境的时间变化比较困难，从岩石力学性质和流体压力的时间变化来定量评价地震发生周期的研究也很少。
了解地下流体压力的时间和空间变化对于地热能的利用至关重要。地热能是一种稳定的可再生能源，不受天气条件的影响。尤其是日本这个火山国家，地热潜力巨大，人们对地热能作为国内能源的期望很高。然而，常规方法仅评估地热潜力的空间分布，并未考虑地热能的可持续利用（时间变化）。
AIST 和东北大学重点研究了分布在宫崎县延冈逆冲断层周围的石英脉（图 1a），据说那里过去曾发生过大地震。当石英从岩石裂缝内的地壳中的水中沉淀出来时，它会形成填充岩石裂缝的石英脉。这种现象会改变地下水积聚的位置、流动方向和流体压力。这次，我们开发了一个计算模型，可以计算石英脉形成所需的时间，并通过与特大地震的频率进行比较，提出了石英沉淀率与地震频率之间的相关性。
在地壳内部，水通过岩石的间隙和裂缝流动。众所周知，当地震发生时，力施加到断层周围区域的方式会发生变化，导致岩石出现拉伸裂缝（图1b）。当水通过这些裂缝时，温度和压力发生变化，溶解在水中的各种成分以矿物质的形式沉淀出来，填充裂缝并形成矿脉。尤其是二氧化硅，在大陆地壳中含量丰富，很容易溶解到地下水中并作为矿物沉淀在岩石裂缝内。在二氧化硅矿物中，石英稳定存在，尤其是在发生地震的环境中。结果，地下形成了许多石英脉，石英填充了岩石的裂缝。
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图1 九州四国及延冈逆冲断层地质示意图（村田（1998）修订）（a）、大地震后拉张裂缝形成示意图（b）、延冈逆冲断层周围石英脉露头照片（c）、薄片样品偏光显微照片（d）
地震发生时，断层周围积聚的由于板块俯冲而产生的强大水平力被释放，由于重力而产生的垂直力变得更大，从而导致拉伸裂缝(b)的产生。原本是充满石英的裂缝的空间（黄线d内）称为石英脉（黄色箭头c）。 |
在延冈逆冲断层上，石英脉特别普遍，其中石英填充了岩石中的拉伸裂缝（图 1c、d）。这次，我们根据延冈逆冲断层的环境条件构建了一个新模型，该模型结合了水流引起的二氧化硅成分的运动和石英的晶体生长速率。通过使用该模型，我们能够根据由于岩石拉伸裂缝内的水与周围水之间的压力差而导致的二氧化硅溶解度的变化来估计二氧化硅在裂缝内以石英形式沉淀、填充裂缝并形成石英脉所需的时间。
深度10公里，温度250，相当于延冈逆冲断层通过在℃条件下进行计算，我们发现，在延冈逆冲断层上观察到的平均尺寸（长度约7厘米，开口宽度约50微米）的石英脉大约需要6至60年的时间才能形成，并且大多数较大的裂缝在不到300年的时间内就变成了石英脉（图2）。
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图2 地震后岩石孔隙度以及闭合裂缝数量比例随时间变化和石英脉形成过程的模型 地震后形成张力裂缝(a)。拉伸裂缝被裂缝周围积聚的水流（平流）和石英晶体的生长所填充，形成石英脉（b-c）。当所有裂缝都被填满时，水就无法通过（d）。在这种环境下，水很难流动，流体压力增加，更容易发生地震。 |
许多地球物理调查表明，地震发生的断层附近流体压力很高，石英脉的形成被认为是原因之一。因为地下流体的压力是水穿过岩石的速度的函数 (透水性)，渗透率与岩石裂纹数量呈正相关。这意味着拉伸裂缝由于石英沉淀而闭合，留下更少的岩石裂缝供水移动（孔隙率越低），水流的速度越慢，通过越困难（透水性越低）。在此期间，如果通过各种过程向岩石供水，流体压力可能会增加（图2）。此次计算的石英脉形成时间尺度与南海海槽等大型分支断层上发生的大地震重复周期（100年至1000年量级）的时间尺度相关。这是世界上第一个定量证明流体压力增加到可能发生地震的程度的过程与由于平流和石英晶体生长而形成石英脉的过程密切相关的可能性的研究结果。可以说，这项工作为石英脉形成的地球化学过程可能与地震周期有关提供了全新的视角，并为阐明这一问题提供了新的思路。
板块边界大地震的发生被认为与水的存在和断层运动密切相关。今后，我们将基于这项研究成果，与地震学、地质学、岩石力学等领域的专家合作，从地球物理和地球化学的角度，建立板块边界水的运动及其与岩石的反应，对地震发生的条件和时机进行定量评价的方法。此外，本研究成果将应用于地热潜力评估、超临界地热发电