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力の向きと断層面の向き・傾きの関係

 投稿者:河本  投稿日:2020年 4月13日(月)14時41分54秒
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  戸嶋さま

 いろいろな現象を理解するときには、時間と空間のスケールの階層化が必要です。現実は、長いサイクルで大きな空間スケールで起こる現象をベースに、短いサイクルで小さなスケールで起こる現象が重なっていますから、これらを整理して理解しましょう。他方では、長期間大スケールで造られる構造と、短期間小スケールで造られる構造が相似形で入れ子状態(フラクタル)になっているように見えて、類推と想像力で時空間を超えられるところが面白いですね。

 まず断層の基本的なでき方について。

 無傷で均質な岩石のブロックを考えてみます。

 大陸地殻の中に生じる断層では約15km~20kmから下では、地温が高いので岩石は変成作用(鉱物の再結晶)を伴いながらゆっくりと変形しマイロナイトという断層岩をつくるので、ここの話では除外し、一気にずれ動いて地震を発生する15kmより浅い領域に限ります。

 地表面を除き、地中では高い岩圧がかかっていますから、空隙を生じるような破壊は起きません。体積が一定な条件で起きる変形は、ずれる変形(剪断変形)になります。そのずれ動いた面が断層面(剪断面)です。

 地下の岩石にかかる力がどの方向からも同じなら断層は生じません。地下の岩石にかかる力が不均一な場合、その状態は、最大の力(最大圧縮応力)がかかる方向と、最小の力(最小圧縮応力)がかかる方向、それらに直交する中間圧縮応力の方向の直交する3方向に分けて考えることができます。

 無傷で均質なブロックでは、もし摩擦が無ければ断層面(剪断面)は最大圧縮応力と最小圧縮応力の向きに対して45度で中間圧縮応力に平行に生じます。じっさいは摩擦が働くので、最大圧縮応力の向きに対して30度程度の角度に生じます。

 次のリンクのp30の1-22~1-29項をごらんください。
 この資料は私が2002年ごろに浜岡原子力発電所の問題を考えるために作った資料で、別の場所に引用されているものです。ただしこの項で「中間圧縮応力軸に直交」と書いてあるのは「平行」の誤りであることに今、気づきました。

 なおこの時点では東北日本が現在(第四紀)には北アメリカ(オホーツク)プレートに帰属するようになったという見方で書きましたが、その後の東北日本の内陸や能登半島沖地震の解析から、その考えは再考されつつあります。また、プレート境界型地震の震源断層面の深い側の境界は、沈み込む海洋プレートの海洋地殻から水が放出され始める深さと関係していることが明らかになっています。
http://no-genpatsu.main.jp/download/genkokujunbishomen26word.pdf

 1-22図のように、最大圧縮応力軸(最大圧縮応力の方向)に斜交する断層面は2方向にできます。岩石の破壊実験ではじっさいにそのように断層が生じます。地殻に生じる断層では、2方向の断層群が絡み合うように見られる(共役断層)こともありますが、地殻は無垢ではなく地質の方向性や古傷がありますからどちらかの方向が卓越して現れる場合が多いです。

 1-29図をごらんください。

 最大圧縮応力軸(最大圧縮応力の方向)が水平で、最小圧縮応力軸が垂直の場合、逆断層が生じ、断層面の傾斜は最大圧縮応力軸に30度程度で斜交するので低角(水平に近い)になります。

 最大圧縮応力軸(最大圧縮応力の方向)が水平で、最小圧縮応力軸も水平の場合、横ずれ断層が生じ、断層面の走向は最大圧縮応力軸に30度程度で斜交し、断層面の傾斜は垂直になります。

 最大圧縮応力軸(最大圧縮応力の方向)が垂直(重力の方向)で、最小圧縮応力軸が水平(岩圧マイナス引っ張り)の場合、正断層が生じ、断層面の傾斜は重力軸に30度程度で斜交するので高角(垂直に近い)になります。

 これらの図は、断層の面積に対して、食い違い量を強調して書いてありますのでイメージしにくいのですが、断層面の深さ方向の規模は15km程度に対し、食い違い量は数メートルです。十数kmの幅の断層面ならば、傾斜角がわずかに異なるだけで、地表に現れるずれ目(地表地震断層)の位置が大きく異なるのはたやすく想像できると思います。

 日本列島の地殻にかかる応力の方向や大きさは、数十万年~数百万年の時間スケールでは大きく異なっていきます。ですから古くからある断層では、動いた時代もあるし止まっていた時代もあります。動き方も時代により異なります。動き方が変われば、地表に現れる位置も異なるでしょう。

 さらに現在の変動の時代にずれ動きを繰り返している活断層は、同じ応力場ですから基本的には同じ動きを繰り返してきた筈です。しかし、数千年おきに地表にまで達するずれが生じ、それを数十万年間くりかえしてきたとすると、100回以上食い違いが出現したことになります。千年おきに百万年間なら1000回です。大局的には同じ地帯としても100~1000回もまったく同じ位置にずれ目が現れるというのは考えにくいですね。

 諏訪地域の糸魚川‐静岡構造線は、新第三紀に正断層として誕生したはずです。そもそもその新第三紀のオリジナルの断層(フォッサマグナを埋めた新第三紀の海成層の西縁の地質境界としての糸魚川‐静岡構造線の位置は、諏訪地域では第四紀の火山噴出物や諏訪盆地の堆積物に覆われているために分かっていません。諏訪地域の糸魚川‐静岡構造線の古傷は、現在は左横ずれの活断層として再活動していますが、その位置は、とりあえずは地質境界としての糸魚川‐静岡構造線の位置との関係を関連付けないで見た方が良いと思います。

 なお横ずれ断層でも、右横ずれと左横ずれでは大小のスケールで副次的な構造が異なります。断層の浅部では小断層が大局的なずれ方向に斜交して配列(雁行配列)します。その並び方が断層の走向方向に見たときに左横ずれではカタカナの「ミ型」、右横ずれでは漢字の杉の字のつくりの「杉型」に配列します(添付図)。

 これは露頭スケールでも地形のスケールでも観察できます。諏訪地域の糸魚川‐静岡構造線活断層帯(活断層としての糸魚川‐静岡構造線)は、東西圧縮を受けて左横ずれにずれていますが、添付図でプレッシャーリッジと書いてあるのは、その副次的な構造で押し上げられてできる小規模な丘の地形(断層変位丘陵)です。
 茅野市金沢~富士見町では、これが顕著に見られ、中央東線付近と南アルプス山麓付近にある2本の平行な主断層の間に、北西‐南東方向に多数の断層変位丘陵が並んでいます。

 富士見町で断層変位丘陵が顕著なのは、もとの糸魚川‐静岡構造線の屈曲により、左横ずれによる圧縮場になっているからです。諏訪盆地が引っ張りによる沈降盆地(プルアパート盆地)になっているのと対照的です。

 次のリンクをご覧ください。
http://jgs-chubu.org/wp-content/uploads/2018/07/s2911.pdf

 「リーデル剪断帯」というのが、主断層の方向に雁行する小断層群のことです。

 図3の「横ずれ断層のジョグ」というのが、もとの断層の屈曲のことで、図3の奥の Pull-apart basin が諏訪盆地、手前の Contractional duplex が富士見の雁行変位丘陵群にあたります。
 
 
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