南海トラフの海底下温度と断層の存在を「ちきゅう」の掘り屑から推定

2017年8月16日

福地里菜（東京大学大気海洋研究所（現・海洋研究開発機構））
山口飛鳥（東京大学大気海洋研究所）
山本由弦（海洋研究開発機構）
芦寿一郎（東京大学大気海洋研究所）

発表のポイント

◆紀伊半島沖南海トラフの海底下1～3kmの地層がかつて経験した最高温度を、「ちきゅう」によって採取された掘削試料から算出した。
◆カッティングス（掘り屑）を用いて海底下の断層の存在や過去の地温勾配を推定できることを示した。
◆南海トラフの巨大地震発生帯上盤をなす付加体の形成史解明に寄与し、地震発生の理解につながる。

発表者

福地里菜（東京大学 大気海洋研究所／新領域創成科学研究科 元大学院生（現在 海洋研究開発機構 地震津波海域観測研究開発センター ポストドクトラル研究員））
山口飛鳥（東京大学大気海洋研究所 准教授）
山本由弦（海洋研究開発機構 数理科学・先端技術研究分野 主任研究員）
芦寿一郎（東京大学 大気海洋研究所／新領域創成科学研究科 准教授）

発表概要

東京大学大気海洋研究所の福地里菜大学院生（現・海洋研究開発機構ポストドクトラル研究員）、山口飛鳥准教授、芦寿一郎准教授、海洋研究開発機構の山本由弦研究員からなる研究チームは、地球深部探査船「ちきゅう」によって南海トラフから採取されたカッティングス試料（注1）に炭質物ビトリナイト反射率分析（注2）を適用し、海底下約3000mまでの最高被熱温度（注3）を推定しました。その結果、同じ最高被熱温度を持つ層が繰り返すことから、付加体（注4）内部の海底下1300～1500mと2400～2600mに大規模な逆断層（注5）帯が存在することを推定しました。また、断層帯の上下の区間における最高被熱温度の勾配（古地温勾配）が掘削地点の現在の地温勾配（注6）よりも高いことから、付加体を構成する堆積物は沈み込む前に最高被熱温度に到達していたことを提案しました。本研究は深海掘削においてカッティングスをたくさんの深度から系統的に採取して最高被熱温度を推定した初めての例であり、南海トラフの地震発生帯上盤をなす付加体の構造解明に対して大きく貢献すると期待されます。

発表内容

【研究背景と課題】
プレート沈み込み帯において巨大地震の発生する領域、すなわち地震発生帯は温度約100～150℃よりも高温の領域と一致すると考えられてきました。しかし沈み込み帯の海底下温度推定は、海底面近くの熱流量測定やメタンハイドレートの分布などから間接的に行われることが多く、沈み込み帯深部から得られた地質試料を用いた研究はこれまでほとんどありませんでした。

南海トラフでは津波を伴う海溝型巨大地震が100～200年間隔で発生し、今後も発生することが予想されています。南海トラフの地震発生帯の上部には、堆積物が断層により積み重なってできた、付加体と呼ばれる地質体が発達しています（図1）。その内部構造と形成史は、地震が発生する場を理解する上で重要な基礎情報ですが、反射法地震探査（注7）に基づく間接的な推定にとどまっていました。

これら2点を同時に解決することができるのが、南海トラフで2007年から行われてきた「ちきゅう」による掘削試料を用いた研究です。本研究は、「ちきゅう」で得られた地質試料の最高被熱温度を推定することにより、沈み込み帯の海底下温度推定と付加体の構造推定の両方を同時に行いました。

【試料と研究手法】
本研究で主に用いた試料は、国際深海科学掘削計画（IODP）（注8）第348次航海において地球深部探査船「ちきゅう」によって得られたカッティングス試料です。IODP第348次航海では、紀伊半島沖約80kmに位置する掘削地点（図1、掘削地点C0002、水深1939m）において、海洋科学掘削としては世界最深の掘削深度記録となる海底下3058.5mまで掘削を進め、カッティングス試料の連続採取を行いました。カッティングス試料は、コア試料（柱状試料）のように地層の内部構造を観察することは困難ですが、ライザー掘削（注9）ではほぼ確実に採取することができるという利点があります。

本研究では、カッティングス試料中に含まれる炭質物の一種であるビトリナイトを分離・研磨し、光学顕微鏡下でその反射率（ビトリナイト反射率）を測定しました。被熱時間（地層が熱を受けた時間）に関して3通りの仮定をおき、得られたビトリナイト反射率から最高被熱温度を推定しました。

【成果】
全体的な傾向として、深度が増すにつれて徐々にビトリナイト反射率が増加し（図2）、最高被熱温度の推定値も上昇します（図3）。しかし、海底下1300～1500mと2400～2600mではビトリナイト反射率・最高被熱温度の逆転が認められました。この逆転は、地層が被熱を受けた後の逆断層運動によって形成されたと考えられます。同じ最高被熱温度をもつ深度の繰り返しから、海底下1300～1500mでは約300～500mの、海底下2400～2600mでは約700mの縦ずれ変位を持つ逆断層帯であることが示唆されます。

一方、推定された断層間の最高被熱温度の勾配（古地温勾配）を復元すると、約60～150℃/kmという値を示しました。この値は現在の付加体内部の地温勾配（約30～40℃/km）よりも高く、南海トラフに沈み込む前のフィリピン海プレート上の地温勾配（約50～180℃/km）に類似しています。このことから、付加体の堆積物は現在の位置ではなく、沈み込む前のフィリピン海プレート上で既に最高被熱温度に到達しており、その後の逆断層運動により積み重なったことが推定されました。

【意義と今後の展望】
本研究は、海洋科学掘削において現時点で最も深部から採取された試料を用いて最高被熱温度を推定したものです。地層の最高被熱温度は付加体の形成史を読み解くうえで重要な情報であり、本研究の成果は南海トラフにおいて地震が発生する領域の上にある付加体の形成史解明に対して大きく貢献すると期待されます。また、付加体を構成する堆積物が沈み込む前に最高被熱温度に到達しているという本研究の推定結果は、沈み込み帯の温度構造と地震発生帯の関係について、地質学的な被熱履歴も考慮した検討が必要であることを示唆しています。

本研究が採用したカッティングスのビトリナイト反射率分析は、南海トラフのより深部まで掘削が到達した際にも適用可能な手法です。また、他の海域における「ちきゅう」を用いたライザー掘削でも威力を発揮することが期待されます。

本研究で推定した逆断層帯の詳細な構造や活動履歴について、さまざまな手法を用いて今後さらに研究を進めていく予定です。

発表雑誌

雑誌名：Geochemistry, Geophysics, Geosystems
論文タイトル：Paleothermal structure of the Nankai inner accretionary wedge estimated from vitrinite reflectance of cuttings
著者：Rina Fukuchi, Asuka Yamaguchi, Yuzuru Yamamoto, Juichiro Ashi
DOI番号：10.1002/2017GC006928
アブストラクトURL：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2017GC006928/full

問い合わせ先

東京大学大気海洋研究所　山口飛鳥　准教授
メールアドレス：asuka◎aori.u-tokyo.ac.jp

東京大学大気海洋研究所　芦寿一郎　准教授
メールアドレス：ashi◎aori.u-tokyo.ac.jp　　　　　　　　　　　※アドレスの「◎」は「@」に変換して下さい

用語解説

（注1）カッティングス

掘削の際に生じる直径数mm-数cmの掘り屑。回転するドリルパイプとそれを覆うライザーパイプの間を循環する泥水により船上に運搬され、掘削中は連続的に回収される。

（注2）ビトリナイト反射率

ビトリナイトは石炭の一種であり、熱分解する際に相対的に炭素含有量が増加し、表面反射率が上昇する。表面反射率の値と温度の値は実験的に求められており、表面反射率から温度の値を推定することができる。この性質は工業的な石炭品質検査手法としても利用されている。

（注3）最高被熱温度

地層がかつて経験した最高温度。

（注4）付加体

海洋プレートが陸側プレートの下に沈み込む際に海洋底堆積物が陸側に押しつけられ、断層運動によりくさび状に堆積物が厚くなっている場所。付加体が地質学的時間で徐々に成長することは大陸地殻の形成に寄与する。大規模な付加体が発達しているプレート沈み込み帯では巨大地震が発生しているケースが多い。

（注5）逆断層

圧縮応力によって形成される断層。断層による地層の重なりが見られる。

（注6）地温勾配

地下深度に対する温度上昇率。地下は、一般に深部ほど温度が高い。

（注7）反射法地震探査

人工震源を利用して地下の地質構造を推定する手法。海域における反射法地震探査では、海面の近くに曳航したエアガンから音響波を海中に放出し、速度と密度が変化する海底下の境界面で反射して、再び海面近くに戻ってきた波を受振器を備えたストリーマケーブルで捉える。捉えられた反射波の到達時間と振幅を処理・解析することで、海底下の地質構造形態が明らかとなる。

（注8）統合国際深海掘削計画，現　国際深海科学掘削計画（IODP）

2013年10月から開始された多国間科学研究協力プロジェクト。日本、アメリカ、ヨーロッパがそれぞれ提供する掘削船を用いて深海底を掘削することにより、地球環境変動、地球内部構造、海底下生命圏等の解明を目的とした研究を行う。2003年10月から2013年までは統合国際深海掘削計画（IODP：Integrated Ocean Drilling Program）として実施され、現在は国際深海科学掘削計画（IODP：International Ocean Discovery Program）として引き続き実施されている。

（注9）ライザー掘削

掘削船から海底まで降ろしたパイプ（ライザーパイプ）の中をドリルパイプが通る二重管構造での掘削方法。ライザーパイプとBOP（泥水噴出防止装置）を用いて、海上での泥水循環掘削（泥水で孔壁を保護しつつ行う掘削）を行うことで、従来の掘削方法に比べ、大深度の掘削が可能となる。

図版

図1：(a) 熊野沖南海トラフの海底地形図と掘削地点C0002の位置、(b) 反射法地震探査による掘削地点C0002の断面図と試料採取深度（海底下870.5m～3058.5m）、(c) 反射法地震探査結果の解釈に基づく熊野沖南海トラフの断面図と掘削地点C0002の位置、および現在の地温勾配値

図2：(a) 掘削地点C0002（C0002N孔およびC0002P孔）から回収されたカッティングス試料の構成粒子比、(b)ビトリナイト反射率値と海底下深度。反射率の逆転から推定された逆断層帯の深度を黄色で示す

図3：被熱時間を3種類仮定して求めた最高被熱温度と海底下深度。最高被熱温度の逆転から推定された逆断層帯の深度を黄色で示す