日本海洋地球科学技术机构（高知核心研究所）奥田花也研究员（研究时：东京大学科学研究生院博士生）；米乐m6官方网站北村真奈美研究员和高桥美纪研究组组长；和东京大学大气海洋研究所的 Asuka Yamaguchi。副教授领导的研究小组利用米乐m6官方网站活断层火山研究所拥有的气压高温高压变形试验机，再现了纪伊半岛近海南海海槽板块边界的温度、压力和矿物种类条件，并通过实验研究了板块边界断层的滑动特征。因此，由于与俯冲有关的矿物种类的变化，板块边界断层摩擦系数(注1)增加。另一方面，由于俯冲过程中形成的矿物（伊利石）的特性，随着温度的升高，摩擦系数的滑动速度依赖性(注2)由正值变为负值，板块边界断层上的地震更加容易发生。
近年来，随着地震观测网的发展，不仅在板块边界观测到引发海啸的大地震，而且还观测到几乎不引起晃动的慢地震。有人指出慢地震有引发特大地震的潜力，希望从地震发生机制和条件的角度阐明特大地震与慢地震之间的关系。然而，目前还不清楚什么样的板块边界滑移特征是造成慢地震和大地震的原因。
在这项研究中，我们阐明了控制滑移特性的参数的实际空间分布，作为从慢震区到强震区的板块边界断层上发生地震的条件，并将研究结果以论文形式发表。通过与以往的地震观测结果进行比较，并利用本次实验的结果进行数值模拟，预计可以对南海海槽发生的地震波传播和海啸发生过程进行更详细的研究。
〈研究背景〉
在南海海槽，菲律宾海板块俯冲到阿穆尔板块之下，已知会发生大地震，例如1944年昭和东南海地震和1946年昭和南海地震。此外，近年来的详细地震观测表明，存在比大地震发生区域浅的区域（慢地震区），存在几乎不发出地震波的称为慢地震的地震（慢地震区），并指出了慢地震与大地震之间的关系（图1）。为了阐明未来大地震发生的过程，需要了解板块边界断层在大地震和慢地震期间如何滑动。板块边界断层的温度和压力随着深度的增加而增加，并且化学反应导致矿物种类的变化。有人提出，慢震和大震发生的地区与温度、压力和矿物种类的变化相对应。然而，到目前为止还没有实验支持，并且对地震期间控制行为的板块边界断层的滑动特征还没有很好的了解。
图1：纪伊半岛南海海槽地震活动分布
这项研究针对的是纪伊半岛海岸附近的南海海槽。研究了沿白线AB的横截面滑移特性的空间分布。蓝绿色点表示浅层慢地震（Takemura et al, 2022），表示 IODP 钻探地点（C0002）和 2016 年纪伊半岛地震的震中。
<研究内容>
该研究小组重点关注纪伊半岛附近地区，最近的国际海洋探索计划 (IODP) 收集了海底深处的岩石并引进了地震观测设备，人们对那里的温度、压力和矿物种类的空间变化有了很好的了解。由于南海海槽板块边界断裂直接采集样本比较困难，从慢震发生区到大震发生区，我们通过在实验室重建板块边界断裂环境的摩擦实验，研究了板块边界断裂滑动特征的空间变化（图2）。在实验中，我们使用了由石英、钠长石、正长石、蒙脱石和伊利石粉末混合物制成的板块边界断层模拟器，通过改变矿物含量比、温度和压力，重现了不同深度的板块边界断层环境。我们研究了控制断层强度的“摩擦系数”，以及指示断层引发地震的可能性的“摩擦系数的滑移率依赖性”。
图 2：实验概览
实验样本示意图（左）。模拟板边界断层夹在对角切割的圆柱形多孔垫片之间，从上方和下方施加力以引起样品上的滑动。摩擦系数对滑动速度的依赖性可以根据滑动速度突然变化时的行为来计算（见右图）。当摩擦系数与滑移率的相关性为负值时，更有可能发生地震。
实验结果发现，板块边界断层的摩擦系数从慢震发生区到大震发生区逐渐增大（图3左）。这表明，累积应变根据板块边界的深度而有所不同，发生大地震的区域比发生慢震的区域可以储存更多的地震之间的应变。研究还发现，摩擦系数的增加是由于岩石中含有的粘土矿物蒙皂石转变为称为伊利石的粘土矿物造成的。研究还表明，摩擦系数对滑移速度的依赖性在慢地震发生的地区为正，而在大地震发生的地区则为负（图3右）。还发现摩擦系数的滑动速度依赖性的空间变化受温度条件控制。这些结果表明，我们通过实验直接确定了板块边界断层的滑动特征，在阐明慢地震和大地震发生过程时应考虑到这一点。
图3：本研究获得的板块边界断层的滑移特征
南海海槽板块边界断层摩擦系数的空间分布（左图）和摩擦系数的滑移率依赖性（右图）。右图中不同符号代表不同滑移速度条件（〇：10~100 μm/s、□：1~10 μm/s、◇：01~1 μm/s），图中温度为板块边界断层上距南开海槽沟轴距离处的温度条件。稳定滑移表示不太可能发生地震的情况，不稳定滑移表示可能发生地震的情况。
<未来展望>
此次揭示的板块边界断层滑动特征将作为模拟地震发生过程的定量指标。摩擦系数及其滑移速度依赖性控制着地震发生周期，预计本研究将为南海海槽特大地震发生过程的研究进展做出贡献。此外，虽然慢震发生的过程仍不清楚，但本研究结果揭示了慢震发生区域的滑移特征，将有助于阐明慢震发生机制的进一步进展，为全面认识俯冲带地震活动提供线索。通过将本研究的结果纳入数值模拟，将对南海海槽慢震和大地震的情景进行详细研究，从而有望更准确地估计地面地震烈度分布和海啸预期高度，为防灾减灾做出贡献。
东京大学大气海洋研究所海洋与海底科学系
山口飞鸟（副教授）
日本海洋地球科学技术机构
高知核心研究所超尖端研发部
Hanaya Okuda（研究员）<研究时：东京大学研究生院理学研究科博士课程>
国立产业技术综合研究所
地圈资源与环境研究部地圈力学研究组
北村真奈美（研究员）
地震构造研究组活断层与火山研究部
高桥美纪（研究组组长）
<杂志>地球与行星科学通讯
<Title>南海海槽浅层滑脱的摩擦特性：模拟现场条件的摩擦实验的约束及其对发震带的影响
〈作者〉奥田花也、北村真奈美、高桥美纪、山口飞鸟
<DOI>101016/jepsl2023118357
<网址>https://doiorg/101016/jepsl2023118357
本研究得到了科学研究补助金（特别研究员补助金（项目编号：JP20J20413）、“新学术领域研究（项目编号：JP19H04621）”、“基础 B（项目编号：JP21H01189）”和“学术转型领域研究 A（项目编号：JP21H01189）”的支持JP21H05202）。”