12.冷湧水（沈み込み帯浅部の水理学）Cold seep (Hydrogeology in shallow portion of subduction zones)

•水の役割•付加体における冷湧水の発見•海底面に湧き出す流体• 水源 Location and source of fluid• みずみち Flow path• 原動力と移動のメカニズム Driving force & flow mechanism

•

• Saffer, D. & H. Tobin (2011) (石田）

海洋底ダイナミクス2018冬学期

水（間隙流体）の役割Why we care about water (pore fluid)?

• Sediment deformation• Initial compression of accreted sediments will release lots of pore fluid

• Supporting seafloor biological community• A major nutrient (hydrocarbon) and energy (hydrogen, etc.) carrier to the

seafloor cold-seep colonies

• Weakening of seismogenic fault megathrust• Pore pressure will significantly reduce friction along the fault zone

• Arc volcanism• The unsqueezed water in sediment/basement will subduct, and reduce the

melting temperature of surrounding mantle/crust

3D Seismic volume off Muroto

付加プリズム斜面の冷湧水

未固結堆積物の圧密・脱水

→ 断層に沿って湧出→冷湧水

水源 Location and source of fluid

• その場での流体生成

• 圧密による間隙水の（物理的）排水

• 高温高圧条件による（粘土）鉱物中の水の（化学的）脱水

• より深部からの流体上昇• 海底面を通じての循環

• Fluid generated in-situ• Compaction-driven (physical)

dewatering• T/P-driven (chemical)

dehydration of clay minerals• Fluid supplied from deeper part• Circulation through seafloor

圧密による間隙率の減少Reduction of porosity due to sediment compaction

• 堆積物の間隙率は、表層では80％にも達する。地下では、圧密によりこれが減少し、経験的に （Porosity in sediments reduces from 80% near surface down to < 40% at depth, with the following empirical formula)

• と表すことができる。• （本来は深度でなく，封圧の関数で表す)

• 間隙中の流体がどこかに「排出」されているはず． The pore fluid should be drained away. Otherwise, it stays there (undrained), causing overpressures.

• そうでなければ（非排水），その場の圧力が増加しているはず．

80604020

Porosity(%)

2000m

1500

1000

500

0

Depth (mbsf)

Model 1173 1174 1175 1176 1177 1178 808

（Moore and Saffer, 2001)

Underwood & Guo (####)

スメクタイトが異常に多い

－いずれ沈み込んで地震発生帯に到達した際、その場で流体を供給し、間隙水圧を高める可能性

Abundant Smectite

沈み込む堆積物中の粘土鉱物 （熊野沖南海トラフ）Clay minerals in subduction inputs in the Nankai Trough

Subducting oceanic crust as a fluid source• ~30 vol% saponite in the basalt sample (C0012)

• In the deeper portion of plate boundary, fluid production from basaltic rock (Saponite-Chlorite) is much greater than from Smectite-Illite conversion + sediment compaction

• Fluid in the seismogenic zone can be much more than expected ??.

5 c

m

↑Saponitized basalt

Basalt-Chert Boundary→

← Saponite-Chorite mixed layer(kameda et al., 2011)

流体の起源 Origin of fluid

• どうやって起源を推定するのか＝流体中に残された痕跡から推定

• 塩素濃度（深部流体は甘い）

• メタン中の炭素同位体比（生物起源のメタンと熱生成メタンのC同位体比が異なる）

• Li同位体比（温度に敏感）

• Geochemical method is useful

• Cl concentration (lower in deep-source fluid)

• C-isotope ratio in methane (differ between biogenic and thermogenic)

• Li isotope ratio (T-sensitive)

（Toki et al., 2014EPS)

みずみち Fluid flow pathways

• 発生した流体，あるいは深部から供給される流体は，かならずどこか「みずみち」を通る

• A) 拡散的• B) チャネル

• Interstitial fluid, either squeezed by compaction, generated insitu, or supplied from depth, should flow through some ‘pathways’:

• A) Diffusive• B) Channelized

Inferred Fluid Flow

Low Velocity Zone

Saponite

Smectite~40%

Low-T ash/basalt alteration

(Kamei et al., 2012)

(Exp. 322&333 Scientists)(Kameda et al., 2011)

(Sugihara et al., in rev.)

Sea water

Deep water

Fresh water (dehydration)

Low heatflow High heatflow

65℃80℃

(Harris et al., 2013)

38℃

130-140℃?

Chl

orin

ity

(Underwood & Guo, )

Seismic profile in the Nankai forearc off Kumano

(芦寿一郎，私信）

Davis et al., 1995 ODP-SR146CORK at ODP Leg146: Site 892 Cascadia accretionary prism

•Site 892はカスカディア付加体の活断層の上盤側で掘削され、TD146ｍのうち100m深度のところに断層がある(892B)。•892Bは孔口をシールされ、中には圧力ゲージとサーミスタ10個のアレーが122m下まで吊り下げられている。•温度勾配=68 mK/m.これは周囲の温度計測の結果より有意に高い：断層に沿った流体移動を示唆する。•断層のある100mbsfでの温度が5.5℃上昇した（10番）。上下のセンサー（10-16m）で観測されないことがら、これが断層内の流体移動を見ているとすると、透水層の厚さは1-2m程度でなくてはならない。•静水圧630kPaの場所で、最初70kPaの圧力が、数ヶ月後に１３kPaに下がって安定した。(解釈）当初断層面では高圧力であったが掘削により間隙圧の低い別の地層に移動したのではないか。

CORK at ODP Leg146: Site 892 Cascadia accretionary prismDavis et al., 1995 ODP-SR146

10ヶ月断層のある100mbsfでの温度が5.5℃上昇した（10番）。上下のセンサー（10-16m）で観測されないことがら、これが断層内の流体移動を見ているとすると、透水層の厚さは1-2m程度でなくてはならない（10番では5ヶ月かかって上昇していることにも注意）。

Temperature anomaly observed at Barbados accretionary Complex(Fisher et al., 1992) 注）これは孔内計測の結果でCORKではない

32mbsfで10-20年前に8.3℃の温度異常(水平方向の流体移動）が出現した場合の温度●は孔内での実測値

水源と「みずみち」の関係

Darcyの法則にしたがう限り，湧出量（～ダルシー速度）は浸透率に比例する．

（A)拡散的な流れ

（B)集中した流れ

原動力と移動のメカニズムDriving force & flow mechanism

• 原動力＝圧力勾配

• ダルシーの法則（経験則）により，圧力勾配と流体速度の関係が規定される

• 実際は間隙を構成する固体部分も弾性体として変形する

• → 多孔質媒質として，弾性体＋

流体移動 を連成して解くことが必要

時間に依存した挙動－岩盤の被圧性・低周波数側の減衰

kkBp σ3

−= 0=p

（載荷の瞬間）

∞=t0=t

（Roeloffs, 1996）

間隙水流動の記述＝ダルシー則＋連続の式

• 浸透率が高く，粘性が低く，圧力勾配が大きい ほど 流速が大きい• → 排水効率が良い• → 流体供給と排出のせめぎあい！

• 重力に支配された地表（海底）では，2次元として，

• すなわち静水圧下では流体は流れない（当たり前）．

𝒖 = − 𝑘𝜇 𝛻𝑝, 𝒖: 𝐷𝑎𝑟𝑐𝑦 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡𝑦 𝑚 𝑚 · 𝑠 , 𝑘: 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑒𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑡𝑦 𝑚 , 𝜇: 𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑡𝑦 𝑃𝑎 · 𝑠 , 𝑝: 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑖𝑟𝑒 (𝑃𝑎)

𝛻𝑝 = 𝜕𝑝𝜕𝑥 , 𝜕𝜕𝑧 𝑝 − 𝜌𝑔𝑧

ダルシー速度の計算例

• Δp=4MPa, Δx~40m (width of the decollement)• μ（water）~1e-3 Pa s• k~ 1e-16 (m2)

• → u~ ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿

• 排水帯（前縁断層）の幅が10m（奥行無限）とすると，• デコルマからの排出率（体積，単位奥行あたり）～3m3/y

• これが海底の10㎝四方の孔（1㎞ごとに1か所）から排出とすると• 湧出速度(実測）～

𝒖 = − 𝑘𝜇 𝛻𝑝, 𝒖: 𝐷𝑎𝑟𝑐𝑦 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡𝑦 𝑚 𝑚 · 𝑠 , 𝑘: 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑒𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑡𝑦 𝑚 , 𝜇: 𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑡𝑦 𝑃𝑎 · 𝑠 , 𝑝: 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑖𝑟𝑒 (𝑃𝑎)

Tsuji et al.,2008

浸透率 Permeability

• 間隙率と浸透率の関係• 沈み込み前弧での浸透率

（Saffer and Tobin, 2011)

Saffer & McKiernan, 2006 GRL

(Tanikawa et al., 2012)(Tanikawa et al., accepted)

地震断層の弱化と間隙水圧異常Fault weakening due to overpressure

• 断層滑りに対する有効摩擦強度を規定する 間隙水圧 が付加体・断層（デコルマ）でどうなっているか．

• Pore fluid pressure is a dominant factor controlling the effective frictional strength on the fault or decollement.

• 間隙水圧情報を得るには：• 掘削試料の間隙率から推定（間隙率異常～間隙圧異常と考える）• 地震波速度構造から推定• 孔内計測による実測

How to obtain pore pressure at depth:Convert porosity anomaly to overpressureConvert Vp anomaly to overpressure (empirical)Direct measurement in boreholes

Coulomb failure：τ = τ 0 + μ (σn - Pp)Shear stress Shear strength

• Earthquakes occur if: 地震発生条件：

• Shear stress along the fault exceeds the shear strength (or frictional resistance) of the fault. It is simulated as a brittle failure with friction.

• モールクーロン条件：断層は，その面上のせん断応力が，同じ面のせん断強度を

超えた時に破壊する（滑る）．

• Key parameters are the friction coefficient μ, vertical load σn, pore pressure Pp and the insitu stress τ.

τ

σσ3 σ1Sv SHmax

τp

2δ2δ

Tectonic loading

何が分かればいいのか

ODP Leg156: バルバドス付加体先端部：1-2MPaのOverpressure?

Becker et al., 1997; 156SR -19

Pos

Neg

Becker CORKFoucherCORK

(Foucher et al., 1997)

Moore and Tobin, 1997; 156SR

Pore pressure inferred from borehole porosity anomaly

Tsuji et al.,2008

Screaton et al., 2002

間隙水圧

プレート境界断層下位の沈み込む堆積物が、異常高間隙水圧。

• 付加プリズムの成長・タービダイトの堆積による垂直応力の増加

プレート境界断層上位の付加堆積物も、変形フロントから陸側で、異常間隙水圧。

• 付加プロセスに伴う水平応力の増加

Deformation front

Pore pressure in the Nankai accretionary prism 15/6/07

(Tsuji et al., 2008)

Normalized Pore Pressure Ratio λ*

付加プリズムの形状・沈み込み速度・浸透率・脱水反応に伴う流体の放出などを考慮してモデリングを行い推定された間隙水圧分布(Saffer and Bekins, 1998)と、本研究の結果は整合的であ

る。

デコルマ下位のλ* ：0.5 ～ 0.7

fhc

fhf

PPPP

−−

=*λ

Saffer and Bekins, 1998

(Tsuji et al., 2008)

Low Velocity Layer between splay fault and plate boundary thrust

PHS

☆ VLFE (Sugioka et al., 2012)

Low Velocity Zone（Park et al., 2011)

（Tsuji et al., 2014 EPSL)

2

4

6

8

40 30 20 10 0

海面

下深

度(k

m)

距離 (km)

孔内観測所

水平伸張 水平圧縮

付加体

熊野海盆南海トラフ固着域浅部での

SSE

Obara and Kato, 2016

（Yokota et al., 2016)

M8巨大地震震源の海側で年に一度発生するスロー地震 – 最新の知見

距離 (km)

孔内観測所

付加体

熊野海盆

南海トラフ

孔内観測所で検出されたスロースリッププレート境界が20-40㎞にわたって2-4㎝滑ったとされる（Araki et al, 2017)

孔内間隙水圧

低周波微動（DONET)

海面

下深

度(k

m)

(Kimura et al., 2012)

東北日本断面

間隙水圧比λと摩擦係数海域 λ μ‘=μ(

1-λ)μ Shear

Stress

Nankai off Shikoku 0.032 17 力のバランス; Wang & He (1999)

Nankai off Shikoku 0.98 0.017 0.85 4.8 力のバランス; Seno (2008)

Muroto ~0.9max 水理計算; Saffer & Bekins (1998)

Kumano 0.1~0.2

熱流量; Hamamoto et a. (2011)

Kumano ~0.2 高速摩擦実験

Kumano 0.88 0.029 0.52 テーパー角; Wang & Hu (2006)

宮城沖 Miyagi 0.965 0.03 0.86 20.1 Seno (2008) Wedgeの力のバランス

宮城沖 Miyagi 0.03 21 Wang & Suyehiro (1995) 力のバランス

宮城沖 Miyagi 0.95 0.03 0.6 テーパー; Kimura et al. (2012)

宮城沖 Miyagi 0.94 21-22 応力降下；Hasegawa et al. (2011)

NE Japan arc 10-20 熱流量; Furukawa (1989)

JFAST 0.08 0.6 JFAST温度計測; Fulton (in review)

宮城沖 Miyaki <0.1 高速摩擦実験； Ujiie et al. (in rev.)

間隙水圧比λと有効摩擦係数海域 λ μ' 断層上せん断応力

Wedgeの力のバランスから推定

四国沖南海トラフ 0.98 0.017 4.8

宮城沖 0.965 0.03 20.1

South Vancouver Island 0.895 0.089 18.0

ワシントン 0.93 0.06 7.8

ペルー沖 0.948 0.044 14.2

チリ北部 0.97 0.026 15.1

チリ南部 0.96 0.034 16.1

(Seno, 2008)

.

well drainedHigh K/Q:

poorly drainedLow K/Q:

TIM

E

rapid fluid escapelow pore pressures

retarded fluid escapeelevated pore pressures

shallow stable geometrysteep stable geometry

high basal shear stresswedge steepens internally

low basal shear stresswedge grows self-similarly

Proposed Model of Accretionary Wedge Evolution

テーパー角度と海底浸透率k0

（Wedgeが安定に存在できる条件）

Saffer & Bekins, 2002

Tohoku

Nankai(Kumano)

東北も熊野もwedgeは安定領域にある

付加体の水理特性 Hydrogeology inaccretionary prisms

＜シナリオ>

• 1) 海底に堆積した物質（砂～粘土）の間隙率 ～ 70-80%

• 2-1)ノンテクトニック

• 埋積作用により間隙が減少（圧密） → 排水が発生： 排水速度と堆積速度のバランス

• 間隙が十分大きい（～浸透率が大きい）と，堆積するより早く排水 → 静水圧を維持

• 埋積が進んで間隙率が減少すると，排水が追い付かない → 間隙水圧異常が発生．

• 2-2) テクトニック

• 水平圧縮による圧力上昇 →排水が追い付かないと間隙水圧異常が発生．

• 2-3）続成作用など

• 高温高圧条件により粘土鉱物の脱水反応，水が生成 → 排水が追い付かないと間隙水圧異常が発生．

• 3) 間隙水圧異常により，その部分の強度低下 → せん断破壊のリスク高まる

• 排水が追い付かない状態とは：

• 圧密の進行による間隙率減少

• 難透水層によるcap効果 （例えば砂層の上に泥岩層）

水（間隙流体）の役割Why we care about water (pore fluid)?

• Sediment deformation• Initial compression of accreted sediments will release lots of pore fluid

• Supporting seafloor biological community• A major nutrient (hydrocarbon) and energy (hydrogen, etc.) carrier to the

seafloor cold-seep colonies

• Weakening of seismogenic fault megathrust• Pore pressure will significantly reduce friction along the fault zone

• Arc volcanism• The unsqueezed water in sediment/basement will subduct, and reduce the

melting temperature of surrounding mantle/crust