実験室の地震：反転する水
地震は、断層にかかる応力がその強度を超えたときに起きる。2つの岩盤ブロックが突然すべるのだ。水を含んだ断層では、岩石の間隙にある水の圧力（間隙水圧）が中心的な役割を果たす。間隙水圧が高いほどブロックどうしを押しつける力は弱まり、断層はすべりやすくなる。
すべりの最中には、2つのメカニズムが競い合う。
- 熱加圧（thermal pressurisation）。 摩擦が断層を温める。水は岩石よりはるかに大きく膨張するため、水圧が上がり、断層を「持ち上げて」弱める。大地震を駆動すると広く考えられているが、実験室で直接観測されたことはほとんどない。
- ダイラタンシー硬化（dilatant strengthening）。 岩石がせん断されて割れると、空隙ができる。水圧が下がり、ブロックどうしがより強く押しつけられ、断層は強くなる。破壊にブレーキをかける可能性がある。
野外では、2018年の台湾・花蓮地震（マグニチュード6.3）や2016年の熊本地震（マグニチュード7.0）の後、断層近くの井戸で水位が急速に低下した。では、どちらの効果が、いつ勝つのだろうか？
ミニチュア地震
パリの高等師範学校（École normale supérieure）地質学研究所のツァイユアン・ファン（Caiyuan Fan）、ハルシャ・バット（Harsha Bhat）、アレクサンドル・シュブネル（Alexandre Schubnel）のチームは、長さ85 mm、幅40 mmのウェスタリー花崗岩の円柱を用いた。岩石は450 °Cに加熱して割れ目を入れ、その後30°の角度でのこぎりで切って断層をつくり、その面をダイヤモンドペーストで研磨した。
- 6つの水圧センサー：4つは断層のすぐ縁（0.5ミリメートル以内）、2つは岩石内のより離れた位置。
- 高圧プレスで試料を30、45、60メガパスカルの有効封圧で締めつけ、水圧は25または45 MPaとした。
- 載荷はきわめてゆっくり（毎秒0.3マイクロメートル）。断層は応力をため込み、一気にすべる。これが実験室地震だ。ひとつの実験で100回以上の地震が起きた。
見えたこと
まず、熱加圧。直接観測された。
- 最初の地震では、すべりの間に水圧が上昇し、応力が下がるのと同時だった。
- 最初のイベントでは、応力降下が約2.2 MPa、水圧上昇が約7 MPa、すべりが約0.05 mm、水圧の上昇速度は最大で毎秒180 MPaだった。
- 熱加圧の理論モデルは、これらの上昇をよく再現する。
- 前兆： 水圧は破壊の50秒以上前から上がり始めたが、応力はほとんど変化していなかった。
次に、ダイラタンシーへの反転。
- 地震を重ねるごとに、水圧は上昇するのではなく低下し始めた。その幅は最大で約15 MPa、速度は最大で毎秒380 MPa。ある実験では、ほぼゼロにまで近づいた。
- ここでも前兆があった。水圧は破壊の10秒前から下がり始めた。
- この反転は4つの実験すべてで見られた。
速い、遅い、速い。 2つの段階の間にはゆっくり地震が起きた。速い地震より1〜3桁遅いものだ。最も透水性の高い試料では見られなかった。
なぜ断層は変わったのか
せん断帯は約0.05 mmから約0.4 mmへと、約10倍の厚さに成長した。熱はより多くの岩石に広がり、推定される温度上昇は約10度から0.2度に下がった。電子顕微鏡で見ると、断層には粉砕された岩石の斑点、摩擦で溶けた岩石の糸、そして平均深さ約60マイクロメートルの損傷帯があった。
意外なことに、後期の段階ではダイラタンシーがより強かったにもかかわらず、破壊はより速かった。ダイラタンシーだけでは断層は安定しない。ほかの弱化プロセスが働いているのだ。
限界
著者らは、天然の断層と比べる際には慎重であるよう求めている。これらの実験には、地震と地震の間に断層が回復（ヒーリング）する過程が含まれていない。また、4つのセンサーの値を平均しているが、センサーは不均一な圧力場を示している。
断層の状態をのぞく窓
著者らによれば、これはひとつの変化していく断層で、相反する2つの水圧応答と、速い地震からゆっくり地震までの幅を、初めて実験的に示したものである。熱加圧が大きく速い地震を常に支配するという考えに疑問を投げかけている。そして水圧のシグナルは、断層の状態をのぞく窓になりうる。