防災科学技術研究所研究資料

第 307 号

2007 年 8 月

根尾谷断層水鳥地区における深層ボーリング調査と地殻応力測定
山田隆二*・松田達生*・小村健太朗*・池田隆司**

Deep Borehole Drilling Surveys and In-situ Stress Measurementin the Neodani Fault Zone in Midori District, Central Japan
Ryuji YAMADA*, Tatsuo MATSUDA*, Kentaro OMURA*, and Ryuji IKEDA***Earthquake Research Department, National Research Institute for Earth Science and Disaster Prevention, Japan**Earth and Planetary Dynamics, Natural History Science, Hokkaido University, Japan

Abstract
This report documents the outline of the deep borehole drilling survey in the Neodani fault zone, central Japan, conducted
by NIED during the period 1993 – 1996. Two boreholes were made at the same place in the Neo-Midori district, Gifu
Prefecture. A 1,400-m long main hole was drilled vertically and bended 15 degrees at 450 m deep to penetrate the fault
zone at the deeper part. A 350-m slant hole was drilled straightly with a 55 degree angle to the ground to go through thefault zone at the shallower part. In-situ tests including hydraulic fracturing stress measurement were performed using
these boreholes. The images of borehole walls provided by the borehole televiewer before and after the hydrofracturing
were compared. Various laboratory tests were also carried out using the core samples collected at different depths.
Key words : Neodani active fault, Borehole drilling, Hydraulic fracturing stress measurement, Rock tests

1.

内陸地震としては最大規模で M8.0 とされる濃尾地震が発生した．その震央は岐阜県本巣市根尾付近とされ，雁行状に配列する温見断層・根尾谷断層・梅原断層などの断層が出現した．これらは北西 – 南東方向に 80 – 90 km に連なる断層群であり，水平変位量は最大で約 8 m を記録している．
本資料集では，根尾谷断層ドリリング調査の概要，地質柱状図，岩石物性試験および水圧破砕法による応力測定とそれに伴う現位置試験の結果について報告する．水圧破砕法による応力測定では，同一の測定井内の異なる深度で測定することにより，深さによる応力値の変化を検出し，深部応力状態を推定する事が可能である．なお，
ド リ リ ン グ 調 査 に お け る 物 理 検 層 結 果（Matsuda et al.,

はじめに内陸地震の発生を支配しているメカニズムは，破壊から次の破壊に至るまでの断層破壊面の強度の回復と応力の蓄積の過程であり，それに伴う物理・化学現象の機構
解明は，地球科学および防災科学技術における基本的な研究課題である．この課題に対して，断層を貫くような
ボアホールを掘削する「活断層ドリリング」が威力を発揮する．ドリリングによる研究は，他の研究手段と比較して，断層そのものに直接接近し，現に存在する物質を捉え，現位置における物性計測ができるという利点がある．これによって，活断層内部から直接採取した岩石試
料の物理・化学的特性と断層の微細構造・変形の状態の解析，および地殻応力や透水特性などの現位置測定が可能である．防災科学技術研究所では，1993 – 1996 年度に
根尾谷断層において活断層ドリリングを実施した．
1891 年 10 月 28 日，根尾谷断層の活動により，日本の2007）及び，同時に行った電磁気探査による断層構造調
査結果（松田ほか，2007）については別稿にて報告する．

* 独立行政法人** 北海道大学

防災科学技術研究所 地震研究部
大学院理学研究院 自然史科学部門－1－

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2007 年 8 月

図1

掘削調査地点位置および周辺の構造図．掘削地点周辺の構造図（c）
は岡田・松田（1992）による．掘削地点近傍図（d）には，調査地点付近の断層崖露頭における測量によって求めた地下の推定断層線を描き入れた．断層の傾斜は鉛直と仮定Fig. 1 Location map of the drilling site and the structural map around the site. The structural map（c）is quoted from Okada andMatsuda（1992）. The strike of the fault is estimated and drawn in map（d）based on the actual survey at a fault outcrop,
assuming the fault plane is vertical.

2. 根尾谷断層掘削調査
2.1 掘削地点
根尾谷断層掘削調査地点を図 1 に示す．掘削点の所在
地，緯度，経度，標高は以下の通りである．
・岐阜県本巣市根尾水鳥
・緯度経度 北緯35°36'51.7" 東経136°37'13.9"（世界測地系）
・孔口標高：海抜約160 m
本観測井工事地点は岐阜市の北西約 25 km，旧本巣郡
根尾村（現本巣市根尾）に位置する段丘状テラスに当たる．
－2－

段丘を取りまく周辺の山々は，標高 600 － 900 m の急峻な山岳地形を呈する．
谷底を北西から南東に流れる根尾川によって小規模の段丘地形が形成され，根尾谷断層を境として下流側は渓谷となっている．谷底に形成された平野の南端部には完新世堆積物が薄く分布する．水鳥付近は根尾谷断層のほぼ中央に位置するが，既存断層とは異なる位置に「水鳥の断層崖」が濃尾地震時に出現し，水鳥断層と呼ばれている．両者の間に水鳥大将軍断層が存在する．本掘削はこの水鳥断層に向けて行われた．

根尾谷断層水鳥地区における深層ボーリング調査と地殻応力測定－山田ほか
表1
掘削孔のケーシング径と深度
Table 1 Speciﬁcations of casings of the boreholes.

ケーシング径と深度を表 1 に示す．4 インチのケーシン
グを挿入後，直ちにフルホールセメンチングを実施した．
孔芯の方位と傾斜角を測定する孔芯傾斜測定は，村田式孔芯傾斜測定器（SR-3500）を使用し，約 50 m 毎に行った．垂直孔の 1,100 m 以深では孔内の状況が悪く予定どおりの測定ができていない．この測定器は，コンパス・
カメラ・タイマー・電源部から成っており，傾斜器の目盛りを電球で照射してこれを円盤状のフイルムに撮影し傾斜角を読み取るものである．各深度で測定した孔芯傾
斜・方位測定値と孔跡算出表を表 2 に，それに基づく孔跡断面図および平面図を図 3 に示す．
垂直孔は，断層面にほぼ並行で，深度約 1,000 m で断層面を走向に対して垂直に貫くよう，孔芯の傾斜を約450 m 以深にて，垂直からの傾斜角を約 15°に制御して掘削した（掘削深度約 1,400 m）．
傾斜孔は，地表から断層におおむね直交する方位で垂直から約 35 － 40°のほぼ一定の傾斜角で掘削した（掘削
深度約 350 m）．傾斜孔では，端面形状記録式（池田ほか，
1999）により定方位コアリングを実施した．この方法では，
孔底の形状を記録する探針器と，孔芯傾斜測定器を組合わせることにより，引上げ時の回転による影響を除いてコアの方位を定めることができる．定方位コアリングを
7 か所で実施し，成功した 4 か所の深度および，傾斜角，
傾斜方位は以下の通り．
・深度 61.70 m，傾斜角41°00'，傾斜方位N 57°00'
・深度157.40 m，傾斜角48°00'，傾斜方位N 50°30'
・深度205.40 m，傾斜角51°00'，傾斜方位N 53°00'
・深度217.40 m，傾斜角53°00'，傾斜方位N 53°00'
2.3 物理検層項目
物理検層は，自然電位，比抵抗，音波速度，地層密度，
中性子，自然ガンマ線，孔径，温度の 8 項目について行った．これらの検層方法及び結果については Matsuda et al.

図2
掘削井の構造略図
Fig. 2 Casing plans for the boreholes.

掘削点は，1991 年に水鳥断層崖においてトレンチ調査が行われ，翌年に開館した断層地下観察館（村松ほか，
2002）の南南西約 200 m に設置され，トレンチ調査地点の位置する段丘面から比高約 20 m 高いテラス上に位置す
る（図 1-c，d）．この比高の原因が単なる浸食面の低下によるものか，根尾谷断層あるいはその派生断層の動きによるものかは不明である．
水鳥断層の走向は，掘削地点付近の断層崖露頭における測量によって求めた（図 1-d）．傾斜はほぼ垂直と仮定し，掘削点付近における走向はほぼ N27.5°W である．掘削地点から，推定断層線までの距離は約 120 m と算出された．
根尾谷断層自体は基本的に左横ずれ断層で比較的垂直成
分が小さいが，掘削点付近の水鳥断層では 6 m の北東側
隆起の垂直変位が認められている．
2.2 調査孔の構造調査地点には，垂直孔を掘削した後，5 m ほど離れた位
置から傾斜孔を掘削した．掘削井の構造略図を図 2 に示す．
ケーシングは，垂直孔では 4 段，傾斜孔では 2 段入れた．

（2007）に報告した．この他に，孔壁の状態を映像として表すためのボアホール・テレビューア（BHTV）検層およびボアホールレーダ検層も行った．これらについては，
本稿第 5 章で報告する．

－3－

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表2
孔芯傾斜・方位測定値と孔跡算出表
Table 2 Results of deviation angle and azimuth measurements of the boreholes and calculations of the drilling proﬁles.

－4－根尾谷断層水鳥地区における深層ボーリング調査と地殻応力測定－山田ほか
表2
孔芯傾斜・方位測定値と孔跡算出表（つづき）
Table 2 Results of deviation angle and azimuth measurements of the boreholes and calculations of the drilling proﬁles（continued）.

（傾斜角は鉛直からの偏角を表す．
）

3. 孔井と周辺の地質
3.1 測定井付近の地質概略
調査地域は主として，ジュラ紀－白亜紀最前期の美濃帯堆積岩コンプレックスから成り，上位に向かい白亜紀後期の珪長質岩脈，第三紀の安山岩岩脈及び第四紀の段丘堆積物・崖錘堆積物と現河床堆積物が上位を覆う．美濃帯堆積岩コンプレックスは，砂岩・泥岩・珪質泥岩・チャート・石灰岩・玄武岩等から成っている．美濃帯堆積岩コンプレックスにはメランジュの発達が顕著で，泥岩の基質中に上記岩石の礫－岩塊が多く見られる．
掘削地点の周囲は，金山ユニットに属し根尾メランジュに区分され，近辺には NW-SE 方向の延びを示す濃尾活断層系（温見・揖斐川・武儀川・根尾谷・水鳥・梅原・黒津・長滝・谷汲・木知原・池田山断層）が発達している（脇田，1991）．測定井付近の泥質岩中の放散中化石の年代は，泥質岩で中期ジュラ紀，チャートで三畳紀中－後期とされている．掘削地点は水鳥断層の南西約 120 m にあたる．
3.2. 測定井の地質
掘削コアの観察によって得られた地質柱状図の概略を
図 4 に，詳細な記載を付録 A に示す．部分的にオールコ
アリングあるいはスポットコアリングによって岩石を回－5－収した．採取したコア試料の写真を付録 B に示す．コア
リングの箇所と回収率も付録 A に記載した．地質柱状図の地質区分は，主としてカッティングス，コアによる岩相記載及び物理検層図に基づいて行い，補助的にコア試
験の微化石分析の結果も参考にした．コアリング部を除いて掘削カッティングスからの推定地質である．
垂直孔の地質は全体的に珪質泥岩およびチャートこれに少量の黒色グラファイト質泥岩およびごく一部の凝灰質泥岩からなる．根尾谷断層を傾斜鉛直とした場合，図 3に示した断層断面図より，垂直孔は深度約 960 － 990 m
間で断層破砕帯に到達することになる．掘削状況およびコア観察結果から，掘削深度約 1,015 m，1,070 m および1,150 m 付近（地表面からの深度はそれぞれ約 995 m，約1,050 m および約 1,120 m）に断層破砕帯が認められる．
1,100 m 以深の断層破砕帯内部では，掘削が困難であった
ため断層物質を多く回収することはできなかった．最深部 1,400 m でも断層破砕帯を抜け切れていない可能性がある．採取コアで観察された断層および破砕帯の再固結と未固結部の存在などは，根尾谷断層の繰り返しの活動と幅広い破砕帯の存在を示していると考えられ，常に同一の断層面で活動していたのではなく，幅広い破砕帯内

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図3

掘削孔跡断面図および平面投影図．断層の傾斜は鉛直と仮定Fig. 3 Cross section and top view of the borehole. The fault plane
is assumed to be vertical.

図4で繰り返し活動したものと推定される．
断層に概ね直交するように掘削された傾斜井では，掘削深度 189 － 270 m（地表面からの深度約 145 － 205 m）の間付近で破砕帯が確認された．主断層部は深度 190 －201 m と深度 260－267 m の間で，その前後には断層に伴って破砕帯部が認められ，その一部は弱粘土化している．
また，深度 201 － 203 m 及び深度 218 － 235 m 付近に弱い破砕を受けた貫入岩の玄武岩が伴う．

4.1 一軸圧縮・圧裂引張強度試験
試 験 片 の 作 製 方 法 は JIS M0301 に， 試 験 方 法 は JIS
M0303 にそれぞれ準拠した．静弾性係数および静ポアソン比の測定方法は，日本鉄道建設公団地質調査標準示方書に従った．表 3-2（a）に試験結果を示す．
岩石コア試料から直径 1 インチ，長さ 1 インチの円柱を切り出し，円柱の両端面が互いに平行かつ側面に垂直になるよう研磨・整形した．試験片の直径及び長さはノギスで 0.05 mm まで測定し，試験は全て強制湿潤状態で実施した．一軸圧縮試験では，試験機（100 t アムスラー）を用いて試験片に荷重をかけ，試験片の側面 2 か所にひずみゲージを貼り付け変位を測定した．加重とひずみの値を読み取り，加重－ひずみ曲線を作製し，一軸圧縮強度，
静弾性係数，静ポアソン比の各値を次式により計算した．

簡略化した地質柱状図．地質の記載を含む詳細な柱状図は付録 A に掲載
Fig. 4 Geologic column along the borehole. More detailed
columnar section is described in Appendix A.

4.

ボーリングコア試料を用いた岩石物性試験
掘削した岩石コア試料の力学的特性および化学的特性などを把握するために，各種の室内試験を行った．試料は主として岩種の違いに着目し，掘削コアの各深度から選んだ．試験項目は，一軸圧縮・圧裂引張試験，三軸圧
縮試験，超音波伝搬速度測定，比重・吸水率測定，熱伝導率測定，鉱物組成分析，全岩化学分析，X 線回析分析，
放散虫分析である．表 3-1 に分析対象試料のコア深度，
岩種，試験項目を示す．
－6－

σc = 4 F/πD2, Es = σ/εv, νs = εH /εv
ここに，

（1）

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表 3-1
岩石物性試験項目一覧
Table 3-1 List of items of rock property test.

－7－

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σc ：圧縮強さ（kgf/cm2）
F ：試験片が破壊するまでに示した最大荷重（kgf）
D ：円柱試験片の直径（cm）
Es ：静弾性係数（kgf/cm2）
σ ：応 力 − ひ ず み 曲 線 上 で の 直 線 部 分 の 応 力 差

（2）

ここに，
σt ：引張強さ（kgf/cm2）
St ：試験片が破壊するまでに示した最大荷重（kgf）
D ：円柱試験片の直径（cm）
L ：試験片の長さ（cm2）とする．
4.2 三軸圧縮試験
三軸圧縮強度試験を非圧密非排水条件（UU 法）で行った．封圧（拘束圧）を各試料で三段階に変化させ，軸差
応力－軸ひずみ線図およびモール円図を作製し，最大軸差応力とその条件における粘着力及び内部摩擦角を求めた．表 3-2（b）に試験結果を，図 5 に軸差応力－軸ひずみ線図とモール円図を示す．
岩石コア試料から，垂直孔試料では直径約 29 mm，長さ約 60 mm，傾斜孔試料では直径約 55 mm，長さ約 110 mmの円柱状試験片を切り出した．試験片の直径及び長さは
デジタルノギスで 0.01 mm まで測定した．残留強度を測定するために，試験片の側辺にシリコンラバーを塗布・乾燥し，上下端面にエンドピースをセットした上でさらにテフロン系熱収縮チューブで被覆し，軸ひずみ計および周変位計を取り付けた．三軸圧縮試験機における軸載荷では，破壊後の制御が不安定にならぬよう，軸ひずみ
速度一定の制御を行い，最大軸差応力の 50 % 付近における応力速度が 0.5 － 1.0 MPa/s を目安とした．1 試料につき 3 レベルの封圧を設定して実施した試験の結果から
モール円図を作成し，最大軸差応力と封圧の関係を最小二乗法で線形近似することにより，最大軸差応力における粘着力および内部摩擦角の各値を次式により計算した．
これらの値は，モールの破壊包絡線を直線近似した結果となる．
C = f0｛2/ （1 + m0）1/2｝
sin φ = m0（2/ + m 0）2007 年 8 月

φ ：内部摩擦角m0 ：最小二乗線形近似式の勾配
f0 ：最小二乗線形近似式の縦軸切片（kgf/cm2）
εv ：応力−ひずみ曲線上での σ に対する縦ひずみ
εH ：応力−ひずみ曲線上での σ に対する横ひずみ
νs ：静ポアソン比とする．
圧裂引張試験では，試験機を用いて試験片が破壊するまで徐々に荷重をかけ，試験器が示した最大荷重を読み取る．圧裂引張強度を次式により計算した．
σt = 2 St /� D L

第 307 号

また，合わせて地盤の透水性を把握するため三軸圧縮試験装置を用いた定水位透水試験を実施した．この方法は非常に透水係数が低い試料に適する．試験結果は他の透水試験結果と合わせて表 6 に示す．
4.3 超音波伝搬速度測定
超音波伝搬速度測定試験は，日本鉄道建設公団地質調
査標準示方書に従った．表 3-2（c）に速度試験結果を示す．
測定試料を直径約 2.5 cm，長さ約 2 － 5 cm に加工した試験片を製作し，自然乾燥状態にて測定を行った．試験片の長さはノギスで 0.05 mm まで測定し，音波の透過時間は測定装置の送受信素子を試験片の両端面に圧着してオシロスコープ上で 0.1µs まで測定した．超音波速度等の各値を次式により計算した．
Vp =（L /Tp ）× 10
Vs =（L /Ts ）× 10
νd = 0.5｛（Vp /Vs ）2 - 2｝｛/（Vp /Vs ）2 - 1｝
2
Ed = 2｛（1 + νd ）ρ Vs /g｝107

ここに，
Vp ：P 波超音波速度（km/s）
Vs ：S 波超音波速度（km/s）
νd ：動ポアソン比
Ed ：動弾性係数（kgf/cm2）
L ：試験片の長さ（cm）
Tp ：P 波が透過に要した時間（µs）
Ts ：S 波が透過に要した時間（µs）ρ ：試験片の密度（g/cm3）
g ：重力加速度（= 980 cm/s2）とする．
4.4 比重・吸水率測定
比重吸水試験は JIS A5003 および日本鉄道建設公団地質調査標準示方書（1982 年制定，1991 年改正）に従った．
試験結果を表 3-2（d）に示す．
試験片は音波伝搬速度測定試験と同一のものを使用したが，一部の泥岩試料については水浸中に崩壊したため測定できなかった．見かけ比重（密度），含水率，吸水率，
有効間隙率の各値を次式により計算した．
ρn =Wn（W/ 1 - W2 ）
ρd =W3（W/ 1 - W2 ）
ρw =W1（W/ 1 - W2 ）w =（Wn - W3 ）/W3 × 100
Q =（W1 - W3 ）/W3 × 100
n =（W1 - W3 ）（W
/ 1 - W2 ）× 100

（3）
ここに，
ρn ：自然含水状態における密度（g/cm3）
ρd ：強制乾燥状態における密度（g/cm3）

ただしC ：粘着力
－8－

（4）

（5）

図5
三軸圧縮強度試験結果を示す軸差応力 – 軸ひずみ線図とモール円図．各試料に対して 3 つの異なる封圧にて試験を行った．
Fig. 5 Relation between axial stress difference and axial strain as a result of triaxial compression tests under three conﬁning pressure conditions.

根尾谷断層水鳥地区における深層ボーリング調査と地殻応力測定－山田ほか－9－

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ρw ：強制湿潤（飽和含水）状態における密度（g/cm3）
w ：自然状態における含水比（%）
Q ：吸水率（飽和状態における含水比）（%）
n ：有効間隙率（%）
Wn ：自然含水状態における空気中質量（g）
Wl ：強制湿潤状態における空気中質量（g）
W2 ：強制湿潤状態における水中質量（g）
W3 ：強制乾燥状態における空気中質量（g）とする．
4.5 熱伝導率測定
熱伝導率測定は，JIS R2618 に準拠し，非定常熱線法によって行った．測定結果を表 3-2（e）に示す．
熱伝導率は，熱伝導率計（昭和電工（株）製 Shotherm
QTM-DII）によって測定した．本測定装置は，ヒーター
線を組み込んだプローブを試験体表面に押し当て，温度上昇値から熱伝導率を算出するものである．試料をコアカッターを用いて掘進方向に半裁し，測定面（コア中心縦断面）を研磨して平滑になるようにする．試験片の含水状態はいずれも室温乾燥状態で，1 試料につき 5 回繰り返し測定を行った．
4.6 鉱物組成分析
コア試料を整形して作成した研磨薄片を用いて，各試料
1,000 点の全鉱物モード測定を行った．測定結果を表 3-2（f）に示す．
砕屑性の非常に微細な鉱物組織を呈する試料について
は走査型電子顕微鏡 – エネルギー分散型 X 線分析装置（SEM-EDS）を併用し，薄片中に多く見られる数ミクロ
ン単位の鉱物は X 線マイクロアナライザ（EPMA）を用
いて鉱物を同定した．
4.7 全岩化学分析
誘導結合プラズマ発光分析法によって行った．分析対
象元素及び結果を，表 3-2（g）に，主要元素（g-1）微量元素（g-2）に分けて示す．表中空欄部分は分析対象から外れたものである．
4.8 X 線回折分析
断層コア試料中で確認された粘土中に含まれる鉱物を同定した．分析の結果確認された鉱物と存在量を表 3-2（h）に示す．分析条件は以下の通りである．
X 線管球：Cu
フィルター：モノクロメータ使用
電圧：40 kv
電流：30 mA
スリット系：DS = 1°
，SS = 1°
，RS = 0.15 mm or 0.45 mm
時定数：1 sec
走査速度：4 deg/min
チャート速度：40 mm/min
フルスケール：800 cps（ バ ル ク ），2000 cps（ 水 ヒ，
加熱，塩酸及びエチレングリコール
処理）
走査範囲：70°－ 2°（バルク），40°－ 2°（ 水ヒ），20°－2°（加熱，塩酸及びエチレングリコール処
理）2007 年 8 月

4.9 放散虫分析
カッティングス試料から，放散虫化石を抽出し分類学的鑑定を行い，岩石の堆積年代を求めた．放散虫分析を試みた試料と産出が確認された種，およびそれらから推定される地層の堆積時期を表 3-2（i）に示す．
放散虫の鑑定は，実体顕微鏡および走査型電子顕微鏡で観察して行った．得られた放散虫は一様に保存状態が悪いため，一部の鑑定結果には cfr.（非常にその種によく似ているの意味）を付した．
5.

現位置試験
掘削孔を用いて，岩盤の現場透水試験および水圧破砕法による応力測定を行った．水圧破砕によってできた孔内の亀裂を識別するため，型取りパッカー，BHTV 検層，
ボアホールレーダー検層も合わせて行った．
5.1 水圧破砕法による地殻応力測定
水圧破砕法による深部岩盤の初期応力測定を実施した．
水圧破砕法では，まず，ボーリング孔の測定対象深度にデュアルゴムパッカーを降ろし，2 つのパッカーエレメ
ントを膨張させて孔井壁面と密着させ，それらに挟まれた孔井の一区間（加圧区間）を隔離する．次に，加圧区間に一定流量で水を圧入して加圧，圧入を停止，圧力を解放する等の操作を繰り返し行うことにより，加圧区間の孔壁に孔井軸と平行なき裂（縦き裂）を初生，進展させる．この方法は一つのボーリング孔で異なる複数の深度で実施することが可能である．
岩盤の主応力軸の一つが鉛直なボーリング孔と一致す
ると仮定した場合，接線方向応力は最大水平圧縮方向で最小となり（圧縮方向を正とする），加圧区間内の試験圧力が次式の亀裂破砕圧 Pb と呼ばれる圧力に達すると最大水平圧縮応力方向に鉛直亀裂が形成される．
Pb = 3 Shmin - SHmax + T - Pp

（6）

ここに，
Shmin：最小水平圧縮応力
SHmax：最大水平圧縮応力
T：岩盤の引張強度
Pp：間隙水圧とする．
亀裂生成後に水の圧入を停止すると，亀裂から水が流出し試験圧力が降下するが，試験圧力が亀裂面の垂直方向の応力（＝最小水平圧縮応力）と等しくなった時点で圧力変化が平衡状態となる．この圧力はシャットイン圧
Ps と呼ばれ，次式で与えられる．
Ps = Shmin（7）

試験圧力を解放した後に再加圧すると，（6）式の引張強度 T = 0 とした状態で亀裂が開口すると考えられる．この
圧力は，再開口圧 Pr と呼ばれ次式で与えられる．

－ 10 －

根尾谷断層水鳥地区における深層ボーリング調査と地殻応力測定－山田ほか

表 3-2（a） 岩石物性試験結果．一軸圧縮・圧裂引張試験
Table 3-2（a） Results of the rock property test. Unconﬁned compression test and split test.

表 3-2（b） 岩石物性試験結果．三軸圧縮試験
Table 3-2（b）Results of the rock property test. Triaxial compression test.

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表 3-2（c） 岩石物性試験結果．超音波伝搬速度測定
Table 3-2（c） Results of the rock property test. Ultrasonic velocity measurement.

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根尾谷断層水鳥地区における深層ボーリング調査と地殻応力測定－山田ほか
表 3-2（d） 岩石物性試験結果．比重・吸水率測定
Table 3-2（d）Results of the rock property test. Density and absorption ratio measurements.

表 3-2（e）

岩石物性試験結果．熱伝導率測定
Table 3-2（e） Results of the rock property
test. Thermal conductivity
measurement.

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表 3-2（f）
岩石物性試験結果．鉱物組成分析
Table 3-2（f） Results of the rock property test. Mineral composition analysis.

表 3-2（g-1） 岩石物性試験結果．全岩化学分析：主要元素
Table 3-2（g-1）Results of the rock property test. Whole rock chemical composition analysis: major elements.

－ 14 －

表 3-2（g-2） 岩石物性試験結果．全岩化学分析：微量元素
Table 3-2（g-2）Results of the rock property test. Whole rock chemical composition analysis: trace elements.

根尾谷断層水鳥地区における深層ボーリング調査と地殻応力測定－山田ほか－ 15 －

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第 307 号

2007 年 8 月

表 3-2（h） 岩石物性試験結果．X 線回析分析
Table 3-2（h）Results of the rock property test. X-ray diffraction analysis.

表 3-2（i）
岩石物性試験結果．放散虫分析
Table 3-2（i） Results of the rock property test. Radiolarian analysis.
(m)������ �������

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Archaeodictyomitra minoensis (Mizutani),
Archaeodictyomitra sp., Eucyrtidiellum ozaiense(Aita), Obesacapsula lucifer (Baumgartner),
Ristola altissima (Rust), Ristola boesii (Parona),
Sethocapsa sp., Stichocapsa perampla (Rust),
Xitus gifuensis Mizutani, Zhamoidellum sp.
Parvicingula sp., Stichocapsa cf. robusta
Matsuoka, Stichocapsa sp., (Follicucullus
scholasticus morphotype II)
Eucyrtidiellum sp., Hsuum sp., Mirifusis
chenodes, Parvicingula sp., Stichocapsa robusta,
Stichocapsa sp.

(Conodont)
Archaeodictyomitra sp., Parvicingula sp.,
Protunuma sp., Sethocapsa yahazuensis,
Zhamoidellum mikamensie, Zhamoidellum sp.
Eucyrtidiellum cfr. pyctum, Sethocapsa sp.,
Tricolocapsa sp.
Cinguloturris cfr. carpatica, Eucyrtidiellum sp.,
Hsuum sp., Spumellaria gen. et sp. indet.,
Stichocapsa sp., Tricolocapsa sp., Xitus sp.
Sethocapsa sp., Tricolocapsa sp.
Archaeodictyomitra sp., Tricolocapsa sp.

Acaeniotyle sp, Archaeodictyomitra sp., Guexella
cfr. nudata (Kocher), Homoeoparonaella cfr.
argolidensis, Sethocapsa sp., Stichomitra sp.,
Tricolocapsa sp.
Hsuum sp., Stylocapsa sp.
NA－ 16 －

根尾谷断層水鳥地区における深層ボーリング調査と地殻応力測定－山田ほか

表 4-1
Table 4-1

水圧破砕法による応力測定に伴う試験圧力値
Values of breakdown and re-opening pressure of in-situ stress measurements byhydraulic fracturing method. The pressure was measured at the top of the borehole.

注）N：再開口回数，P：最高試験圧力，F：総送水量，R：戻り量．添え字は，0：パッカーセッ
ト時，b：最初の亀裂発生時，1 – 4：1 – 4 回目の再開口を表す．圧力の単位は kgf/cm2，流量の単位はリットル
Note : N：ordinal number of re-opening of hydraulic fracturing，P：maximum pressure during thehydraulic fracturing test，F：total amount of water supply，R：total amount of back ﬂow．Subscript
0：packer setting，subscript b：breakdown of hydraulic fracturing，subscript 1 – 4：ﬁrst – 4-th reopening of hydraulic fracturing. Unit of pressure and water ﬂow rate are kgf/cm2 and liter, respectively．

Pr = 3 Shmin - SHmax - Pp（8）（7）式と（8）式を用いて，亀裂のシャットイン圧，再開
口圧を圧力 – 時間曲線上で検出し，水平方向の各圧縮応力を求めることができる．亀裂の観察や岩石の物性，構造などの調査には孔井内物理検層，ボアホールテレビュ
ア，形取りパッカー等を用いる．
表 4-1 に，測定深度とパッカーセット時，亀裂破砕時
および再開口時の最高試験圧力と総送水量および戻り量の結果を示す．圧力は孔口における測定値である．試験－ 17 －

防災科学技術研究所研究資料

表 4-2
Table 4-2

第 307 号

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試験圧力・応力値と BHTV によって垂直孔（深度 0 – 800 m）および傾斜孔（全深度）にて検出された水圧破砕試験後の孔内亀裂
Estimated in-situ stress values by hydraulic fracturing method. Valuesof re-opening and shut-in pressure are calibrated at the depth of thehydraulic fracturing. Direction of maximum horizontal principal
compressive stress was determined by reading BHTV image ofhydrofracture induced by hydraulic fracturing.

注）Pp：間隙水圧，Pr：再開口圧，Ps：シャットイン圧，Sv：鉛直応力（地層密度 = 2.5 g/cm3 で算出），Shmin：最小水平圧縮応力，SHmax：最大水平圧縮
応力．圧力・応力の単位は MPa．
Note : Pp：pore pressure，Pr：re-opening pressure，Ps：shut-in pressure，Sv：
vertical principal stress（calculated by using the rock density of 2.5 g/cm3），
S hmin：minimum horizontal principal compressive stress，S Hmax：maximum
horizontal principal compressive stress．The unit of pressure and stress is MPa．

－ 18 －

根尾谷断層水鳥地区における深層ボーリング調査と地殻応力測定－山田ほか

箇所によって再開口の回数が異なる．測定値が長く抜けている深度区間があるが，その原因は水圧破砕のための区間（パッカー長約 3 m と加圧区間約 1 m）が破砕帯ゆえに確保できなかった場合と，逆に硬過ぎて地上ポンプ
水圧が 40 MPa でも水圧破砕による亀裂が生成できなかった場合がある．
図 6 に測定した全データの水圧破砕時と再開口時の試験圧力および送水流量の時間変化チャートを示す．圧力は孔口での測定値である．各試験箇所において，水圧破砕試験が適正に行われたかどうかを，図 6 のチャート上
で亀裂破砕を確認できるかによって判断した．
表 4-2 に，水圧破砕が適正に行われたと判断される試験の結果と再開口圧およびシャットイン圧の読み取り値を示す．試験圧力は試験深度における値に変換してある．
同じく表 4-2 に，読み取り値から計算される応力値を示し，図 7 に水平最小応力と水平最大応力の深度分布を示す．鉛直応力は地層密度 D = 2.5 g/cm3 を仮定している．
応力値は，深さとともに直線的に増加する傾向にある．測定最深部の 400 m 付近で最大水平圧縮応力（S Hmax）
が 約 16 MPa， 最 小 水 平 圧 縮 応 力（S hmin） が 約 10 MPa
である．
Shmin は，検層による岩石の平均密度（約 2.5 g/cm3）から計算された垂直応力（Sv）とほぼ同じ値であった．SHmax
は，深度にほぼ比例して増加するが，断層破砕帯に入ったと考えられる約 850 m 以深で急激に小さくなる．SHmaxの方位は，型どりパッカー，BHTV 検層，ボアホールレー
ダによって水圧破砕による亀裂を検出して求めた．
5.2 型取りパッカー
水圧破砕試験の後，可塑性合成樹脂製スリーブをパッカーによって孔壁に押し付け，亀裂の形状を写し取る型
取りパッカー調査を，垂直孔の 292.3 － 293.3 m，210.5 －211.5 m，227.0－228.0 m，564.5－565.5 m，840.5－841.5 m，906.5 － 907.5 m，931.5 － 932.5 m の 7 深度で行った．型
取りパッカー圧力は 120 － 150 KSC とした．
型取りスリーブのスケッチ図を図 8 に示す．浅い方か
ら 4 か所では水圧破砕による明瞭な新しい縦亀裂は見あたらなかったが，800 m 以深の 3 か所では SE–NW 方向に
縦方向の亀裂が読み取れた．
5.3 BHTV 検層
水圧破砕試験の前後に BHTV 検層を行った．破砕前
は全深度にわたり，破砕後は破砕箇所の周囲を対象とした．BHTV 検層では，流体で満たされた孔井の孔壁を音波で走査することにより，孔壁の状態を映像として表す．
BHTV ツールは，発信機と受信機の役割をするトランス
デューサと，地磁気を検出するマグネトメーターにより構成される．これらはツール内で毎秒約 3 回転の速度で回転し，孔壁の状態を音波で走査する．孔壁からの反射波について，アンプリチュード値（反射波強度）とトラ
ベルタイム（反射波到達時間）を測定する．アンプリチュー
ド値は反射波の強弱を表し，孔壁に亀裂などがあり照射波が吸収されると弱い値を示し，孔壁が硬質で亀裂がな
ければ強い値を示す．トラベルタイムはツールから孔壁までの距離に換算される．アンプリチュード値およびト
ラベルタイムを色調の変化に置き換え連続的に表示することにより，孔壁の状況をイメージングする．
イメージングされた孔壁の画像を付録 C に示す．
水圧破砕試験を行う前のフラクチャーの検出は，PC モ
ニター上の孔壁図において肉眼でサインカーブ状の濃淡を検知し，フラクチャーの方位・傾斜角を求めた．図 9 に，垂直孔の深度 0 – 800 m および傾斜孔にて検出できたフラ
クチャー方位・傾斜の深度分布図（アロープロット：a），
フラクチャー密度の深度分布図（b），フラクチャー方位
分布図（ローズダイアグラム c），フラクチャー方位・傾
斜分布図（ポーラープロット d）を示す．傾斜孔のポーラープロットにて，北 － 西 － 南西方向の傾斜角の一部が空白であるが，これは孔井傾斜補正の影響であり，実際にはこの傾斜角にもフラクチャーが存在すると考えられる．
破砕後の BHTV 検層を行った深度と，検層によって検出できた水圧破砕によって生じた亀裂の深度と方位を表 4-2に示す．SHmax 方位を示す亀裂の方位は，深くなるにつれて北 － 北東 － 東方向へと回転している．
5.4 ボアホールレーダ検層
垂直孔の深度 0 － 800 m においてボアホールレーダ検層を行った．ボアホールレーダ検層では，ボーリング孔内から岩盤内部に向けて発信した電磁波の反射と減衰が岩盤中の水分に非常に敏感である性質を利用し，ボーリ
ング孔井用に開発されたパルスレーダシステムを用いて，孔壁より奥に広がる岩盤中の破砕帯やフラクチャー，地質構造を検知する．今回は，中心周波数 60 MHz のパル
ス電磁波を用いて，トランスミッタ（Tx）とレシーバ（Rx）
を連結して同一孔内に降下し，フラクチャ，空洞などか
らの反射波を見るシングルホール反射法を用いた．
一定間隔（20 cm － 1 m）毎に停止しながら測定し，観測波形を並べてフィルタリング処理等を行い反射波の並びを検出することによって，無指向性のダイポールアン
テナを使った場合，フラクチャの角度と位置や空洞までの距離を知ることができる．また，良好な岩盤の場合には，指向性のダイレクショナルアンテナを使用して反射面の方位を決めることができる．ダイポールアンテナを用いてボアホールレーダ検層を行った深度は，15.0 － 286.5 m お
よび 305.7 － 790.7m，ダイレクショナルアンテナを用いたのは，20.0 － 284.0 m，386.4 － 421.4 m，431.4 － 511.4 m，561.8 － 570.4 m である．
測定・解析結果を図 10 に示す．図 10-a には，それぞれのアンテナに対して，測定値，バンドパスフィルター
処理した反射断面図，バンドパスフィルター処理と移動平均処理を施した反射断面図を示し，各処理によって認められた反射面を矢印で示した．各アンテナで認識された反射面の解析結果を表 5 と図 10-b に示した．破砕帯の内部において，いくつかの反射面が無指向性アンテナ・
指向性アンテナの双方で認識された．それらのうち，深度 396.1 m，512.4 m，572.9 m のものが明瞭であり，その走向は N10°
W で一致し，根尾谷断層等の走向とも調和的である．

－ 19 －

図6
Fig.6

水圧破砕法による破砕時と再開口時の試験圧力および流量の時間変化チャート．圧力は孔口での測定値
Variations of pressure and water ﬂow rate as s function of time during break down and re-opening of hydraulic fracturing experiment.
The pressure was measured at the top of the borehole.

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第 307 号
2007 年 8 月

図6
Fig.6

水圧破砕法による破砕時と再開口時の試験圧力および流量の時間変化チャート．圧力は孔口での測定値（つづき）
Variations of pressure and water ﬂow rate as s function of time during break down and re-opening of hydraulic fracturing experiment.
The pressure was measured at the top of the borehole（continued）.

根尾谷断層水鳥地区における深層ボーリング調査と地殻応力測定－山田ほか－ 21 －

図6
Fig.6

水圧破砕法による破砕時と再開口時の試験圧力および流量の時間変化チャート．圧力は孔口での測定値（つづき）
Variations of pressure and water ﬂow rate as s function of time during break down and re-opening of hydraulic fracturing experiment.
The pressure was measured at the top of the borehole（continued）.

防災科学技術研究所研究資料－ 22 －

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図6
Fig.6

水圧破砕法による破砕時と再開口時の試験圧力および流量の時間変化チャート．圧力は孔口での測定値（つづき）
Variations of pressure and water ﬂow rate as s function of time during break down and re-opening of hydraulic fracturing experiment.
The pressure was measured at the top of the borehole（continued）.

根尾谷断層水鳥地区における深層ボーリング調査と地殻応力測定－山田ほか－ 23 －

図6
Fig.6

水圧破砕法による破砕時と再開口時の試験圧力および流量の時間変化チャート．圧力は孔口での測定値（つづき）
Variations of pressure and water ﬂow rate as s function of time during break down and re-opening of hydraulic fracturing experiment.
The pressure was measured at the top of the borehole（continued）.

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根尾谷断層水鳥地区における深層ボーリング調査と地殻応力測定－山田ほか

図7

水圧破砕法によって求められた水平最小圧縮応力（□）と水平最大圧縮応力（●）の深度分布．
鉛直応力（◆）は地層密度 D = 2.5 g/cm3 と仮定
Fig.7 The maximum（●）and minimum（□）horizontal
compressive stresses as a function of depth measured
by hydraulic fracturing method. The vertical stress（◆）is equal to the lithostatic pressure assuming thedensity D is 2.5 g / cm3.

図8型取りパッカーによって写し取られた水圧破砕試験後に見られる孔壁の亀裂を示す型取りスリー
ブのスケッチ図Fig. 8 Sketches of fractures in the borehole wall induced by hydraulic fracturing and copied by impression
packers.

－ 25 －

（a）

図 9（a）（b） BHTV によって垂直孔（深度 0 － 800 m）および傾斜孔（全深度）にて検出された水圧破砕試験後の孔内亀裂分布図．
（a）フラクチャー方位・傾斜の深度分布図（アロープロット）．横軸はフラクチャーの傾斜角を表す．各点から延びた線の向きが傾斜方位を表す．上・右・下・左の順に北・東・南・西を表す．（b）フラクチャー密度の深度分布図．横軸は，深度 5 m あたりのフラ
クチャーの本数を表す．
Fig. 9（a）（b）Distribution of fractures of the borehole wall detected by BHTV（Borehole
Televiewer）logging in the vertical well（in 0 – 800 m depth range）and the inclinedwell（in the whole depth range）.（a）Azimuth and dip of the fractures as a functionof depth. The horizontal axis indicates dip of the fracture. Direction of bar of eachplot indicates azimuth of the fracture; top, right, down and left are north, east, south
and west, respectively.（b）Number density of fractures as a function of depth.
Horizontal axis indicates a number of fractures per 5 m depth section.

（b）

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図 9（c）（d） （c）フラクチャー方位分布図（ローズダイアグラム）．フラクチャーの傾斜方位ごとの本数を表す．円周上が 20 本（垂直孔）あるいは 160 本（傾斜孔）（d）フラクチャー傾斜方位・傾斜角分布図（ポーラープロット）．フラクチャーの傾斜方位および傾斜角の分布を表す．投影方向がローズダイアグラムとは逆になっている．
Fig. 9（c）（d）（c）Rose diagram of azimuth of the fractures. Radius of the circle indicates 20 and 160 fractures for vertical and inclined well,respectively.（d）Polar plot of strike and dip of the fractures by lower-hemisphere equal area projection.

根尾谷断層水鳥地区における深層ボーリング調査と地殻応力測定－山田ほか－ 27 －

垂直孔（深度 0 – 800 m）および傾斜孔（全深度）におけるボアホールレーダ検層の測定・解析結果図（a）無指向性，指向性アンテナによる測定値，バンドパスフィルター処理した反射断面図，バンドパスフィルター処理と移動平均処理を施した反射断面図．各処理によって認められた反射面を矢印で示した．
（b）各アンテナで認識された反射面の解析結果
Fig.10 Results of borehole radar logging in the vertical well（in 0 – 800 m depth range）and the inclined well（in the whole depth range）.
（a）Results of measurements by a directional and a non-directional antenna : raw data, data after band-pass ﬁlter processing and data after both of band-pass ﬁlter and moving averaging
processing. Arrows indicate detected reﬂection planes.（b）Compilation of reﬂection planes detected by a directional（D）and a non-directional antenna（UD）antenna.

図 10

防災科学技術研究所研究資料－ 28 －

第 307 号
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表5ボアホールレーダによる反射面解析結果
Table 5 Analysis of reﬂection surfaces by borehole radar.

－ 29 －

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第 307 号

2007 年 8 月

表5ボアホールレーダによる反射面解析結果（つづき）
Table 5 Analysis of reﬂection surfaces by borehole radar（continued）.

注）反射面の通し番号は，無指向性アンテナと指向性アンテナそれぞれ個別に付け，また深度 0 － 300mと 300 － 800 m それぞれに付けた（図 10 に対応する）．下線が付いたものは，無指向性アンテナ・指向性
アンテナの双方で読み取れた反射面を表す．D：down dip，U：up dip，Dip：反射面の傾斜角（水平 0°），
Rank：反射面の読み取り品質（A>B>C），方位：反射面の down dip の方位（0°が北），備考：無指向性ア
ンテナ・指向性アンテナの双方で読み取れた反射面付近のコア試料の状態
Note : Ordinal numbers are given separately to reﬂection surfaces observed by radars with a directional and a nondirectional antenna, within the depth interval of 0 － 300 m and 300 － 800 m（corresponding to Fig.10）. Surfaces
indicated by underlined numbers are observed by both of the directional and non-directional antenna. D：down dip，U：up dip，Dip：dip angle of reﬂection surface，Rank：quality of data for each reﬂection surface（high quality A>B>
low quality C）－ 30 －

根尾谷断層水鳥地区における深層ボーリング調査と地殻応力測定－山田ほか

表6掘削孔を利用した現場試験およびコア試料を利用した室内三軸圧縮試験による透水係数測定結果
Table 6 Results of in-situ permeability measurements in the borehole andlaboratory permeability measurements of recovered core samples.

5.5 非定常法による現場透水試験
応力測定とあわせて，間隙水圧測定，揚水試験，注水試験などの現地試験によって透水係数の測定を行った．
（1）間隙水圧測定：水圧破砕法による応力測定システムを利用して，掘削孔内の圧力を強制的に上昇させ，圧力の変化を経時的に測定する非定常法を用いた．
（2）揚水試験（孔内水位回復法）：地下水位の変化を利用する試験では，掘削の途中に，ケーシングが完了していない孔底の裸孔区間を利用して，孔内泥水を清水で置換した後に孔内水位を降下させ，回復水位変化を集録することによって透水率を測定した．
（3）注水試験（注水圧力遷移法）：地下水圧の変化を利用する試験では，掘削孔内にパッカーを設置することにより測定区間を区分し，地上からパッカーで囲まれた測定
区間内へ注水し，孔口にて送水後の圧力変化を集録することにより，地盤の間隙水圧測定を行った．シングルパッ
カーを用いた試験では，パッカー設置深度以深の裸孔区間の平均的な透水係数を求められる．デュアルパッカーを用いた試験では，2 つのパッカーで挟まれた深度範囲の局所的な透水係数を求められる．
表 6 に試験結果を示す．合わせて，室内三軸圧縮試験
によって得られた透水係数も載せた．図 11 に透水係数の深度分布と岩相との対応を示す．室内試験による値が概して小さくなっている．破砕帯が存在する深度範囲では，
局所的に透水係数が高くなっている．

－ 31 －

第 307 号

防災科学技術研究所研究資料2007 年 8 月

Permeability (cm/s)

Depth (m) Lithology

0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
10-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2

10-4

10-2

Permeability (cm/s)

Depth (m) Lithology

0
100
200
300
10-12

10-10

10-8

図 11

10-6

各種の試験手法によって得られた透水係数の深度分布．岩相との対応を見るため地質柱状図と比較した．
Fig. 11 Permeabilities in and around the borehole as a function of depth determined byvarious kinds of methods. The geologic column is described for a comparison with thepermeability data.

－ 32 －

根尾谷断層水鳥地区における深層ボーリング調査と地殻応力測定－山田ほか

Prevention No.310, submitted.
4）村松郁栄・松田時彦・岡田篤正（2002）: 濃尾地震と根尾谷断層帯－内陸最大地震と断層の諸性質－．古今書院，340 pp．
5）日本鉄道建設公団（1991）: 地質調査標準示方書．
6）岡田篤正・松田時彦（1992）: 根尾村水鳥および中付
近における根尾谷断層の第四紀後期の活動性．地学雑誌，101, 19–37．
7）脇田浩二（1991）: 谷汲地域の地質．地質調査所編，
地域地質研究報告．
（原稿受理：2007 年 5 月 10 日）

参考文献
1）池田隆司・阿部一郎・川西繁（1999）: 定方位コアサ
ンプリング装置及び定方位コアサンプリング方法．特許 No.2881758．
2）松田達生・小村健太朗・山田隆二・池田隆司（2007）:
根尾谷断層水鳥地区における CSAMT 探査による断層帯浅部比抵抗構造．防災科学技術研究所研究報告，No.71，23-40．
3）Matsuda, T., Omura, K., and Ikeda, R.（2007）: Geologicaland logging data of the NIED wells, Japan – active fault,
seismogenic zone, hingeline –. Technical Note of the
National Research Institute for Earth Science and Disaster

要

旨

本稿では，防災科学技術研究所が 1993 – 1996 年度に岐阜県根尾水鳥地区にて実施した根尾谷断層における活断層ドリリングの概要を報告する．同じ場所にて二本の孔を掘削した．1,400 m 長の主孔は，450 m までは垂直に掘削され，そこで 15°曲げられ深部において断層帯に達した．350 m 長の傾斜孔は地面に対して 55°の傾斜でまっす
ぐに掘削され，より浅い部分で断層帯に達した．これらの掘削孔を利用して，水圧破砕法による応力測定などの現位置試験を行い，ボアホールテレビューアによって掘削後と水圧破砕後の孔内の様子を比較した．また，いくつかの深度においてコアサンプルを採取し，それを用いて各種の室内物性試験を行った．
キーワード：根尾谷断層，活断層掘削，水圧破砕応力測定，岩石試験－ 33 －