課題番号：1209
東北大学大学院理学研究科
スラブ内地震の発生機構の解明
沈み込むプレート（スラブ）内の地震活動については、プレート境界地震や内陸地震に比べ、その発生機構の理解が遅れている。しかしながら、1993年釧路沖地震、1994年北海道東方沖、2001年芸予地震、2003年宮城県沖地震など大規模な地震がスラブ内でしばしば発生して大きな被害を及ぼすことから、スラブ内大規模地震の発生予測に向けたスラブ内地震の発生機構の理解は急務であるといえる。また、スラブ内の含水鉱物の脱水反応により生じた水などの流体は、脱水不安定説に見られるようにスラブ内地震の発生原因として重要であるとともに、マントルウェッジ内の二次対流として陸域下に達し、内陸地震の発生機構と深く関わること、また、プレート境界地震とスラブ内地震との相互作用が指摘されていることなどからも、スラブ内地震の発生機構の理解は重要な課題であるといえる。
以上のような観点から、詳細なスラブ内地震の震源分布・スラブ内の不均質構造をもとめ、流体との関連という視点を踏まえ、スラブ内地震の発生機構の理解を深めることを目的として、研究を行ってきた。スラブ内地震は建議の明確なターゲットではなかったため、これまで特に報告してこなかったが、次期計画の主要なターゲットの一つになると考え、18年度から報告する事とした。スラブ内地震の発生機構の理解を深めるための一環として、平成18年度は東北地方のスラブ内の活動を詳細に調べることに重点を置いた。
2003年宮城県沖地震などのスラブ内大規模地震の震源域およびその周辺の地震活動・地震波速度構造を詳細にもとめ、それらの特徴を明らかにする。また、より広い領域におけるスラブ内地震の活動の特徴やスラブ内不均質構造との関係を明らかにする。
スラブ内地震の発生機構として有力視されている脱水不安定説によれば、スラブ内の含水鉱物を多量に含む領域がスラブ内地震の空間分布を支配すると考えられる。脱水反応は温度と圧力に依存するため、一つの沈み込み帯においては、脱水反応は近似的に深さのみで決まることになる。脱水不安定説が正しければ、この脱水反応が生じたところで地震活動が高まるはずであるので、同じような深さで地震活動が活発化することが期待される。このような観点から、北海道から東北地方にかけての二重深発地震面の上面の地震をDouble Difference法（Waldhauser and Ellsworth，2000）によって再決定した結果を図1に示す。海岸線に沿った海底下で地震活動が高いのはプレート境界型地震が活発に生じているためであるが、それより内陸側に地震活動の高い領域が帯状に認められる。これを明確に示すために、図1左の枠内の地震について深さ5キロメートル毎の頻度分布を図1右に掲げてある。矢印で示したように70〜90キロメートルの深さで、どの領域でも地震活動が活発となっていることがわかる。
 |
| 図1．DD法によって再決定された二重深発地震面の上面の震源分布（Kita et al.，2007）。左図の枠内の深さ5キロメートル毎の震源の頻度分布を右図に示す。青線はプレート境界型地震の分布の西縁（Igarashi et al.，2001）。 |
さらに詳細に調べるために、東北地方中央部において、スラブ内地震のメカニズム解と高精度の震源分布、および温度・圧力条件から推定されている海洋性地殻の岩石の相境界との比較を行った結果を図2に示す。相転位が生じると体積収縮を起こすため、そこでは正断層型の地震が生じることが期待されるが、確かに、予想される相境界に沿って正断層型の地震が発生していることがわかる。また、破線よりも右側（海溝側）で地震活動が高い事がわかる。この破線の位置は、厳密にはそれぞれの相転位が完了する位置を示しており、相転位およびそれに伴う脱水は、この破線の右側で活発に生じていることになるため、この地震活動とメカニズム解の分布は相転位に伴う脱水反応でうまく説明できることがわかる。
 |
| 図2．東北地方中央部におけるメカニズム解の分布（Kita et al.，2007）。赤線と青線はメカニズム解のP軸とT軸を示す。赤線（P軸）が鉛直になっている地震が正断層の地震となる。破線はHacker et al.（2003）による岩石の相境界。 |
相転位は温度にも依存するため、もしスラブが冷たい場合には、より深いところで相転位が生じて、このような地震の帯よりも深いところで地震活動が活発化することが期待される。このような観点から関東の地震活動と地震波速度構造を調べてみた。図3に関東における上面の地震活動とスラブ直上10キロメートルにおけるP波速度偏差を示す。図の中央の北西南東に伸びる青い領域は、沈み込むフィリピン海プレートの先端が太平洋プレートと接している領域であると考えられる。この青い領域の南西側に地震活動の帯が見られるが、この帯は地震活動の等深線（赤線）とは斜交しており、青い領域（フィリピン海スラブ先端）と平行となっている。冷たいフィリピン海プレートと接している領域では太平洋プレートの温度が低下し、相転位の発生が遅らされて、そのために深部で地震活動が活発化していると考えれば、この現象は説明できる。この仮説が正しければ、地震活動に沿って脱水が生じているのであるから、そこでは低速度の領域が見られるはずであるが、実際に図3では活発な地震活動に沿った低速度の領域が認められる。
 |
| 図3．関東における上面の地震活動とスラブ直上のP波速度偏差（Hasegawa et al.，2007）。赤線は上面の地震の等深線を、赤三角は活火山を表す。 |
さらにこの仮説を検証するために、東北地方について詳細なトモグラフィ解析を行った。その結果を図4に示す。スラブの表面近く（黒実線）の図1で示した深さ70〜90キロメートルに相当する場所で、地震波速度が遅くなっている事がわかる。さらに、2003年の宮城県沖の地震（マグニチュード7.1）が発生したあたりは特に低速度域が顕著となっていることがわかる。
 |
| 図4．トモグラフィによって得られた、東北地方のP波速度構造（辻・他、2006）。挿入図のA〜Fの断面図を示す。図Dの星印は、2003年の宮城県沖の稍深発地震（マグニチュード7.1）を示す。 |
以上、見てきたように、スラブ内の脱水反応がスラブ内の地震活動を規定していることが観測事実から強く示唆される。ただし、もともとの含水鉱物がスラブ中に均質に含まれているとは限らないため、脱水反応によって生じた水の分布も、さらにはそれによって発生が促進される地震活動も不均質となると期待される。これまでの地震活動・地震波速度構造の研究からスラブ内の含水鉱物の生成過程として、1）海山を形成した深部からのプリュームによる生成（Kirby et al.、2004；菅ノ又・他，2006a）、2）海洋性地殻上部におけるプレート生成時における生成（Kita et al.，2006）、3）トランスフォーム断層（フラクチャーゾーン）に沿った生成（北，2005；Nakajima and Hasegawa，2006）が示唆されている。もし、1）の大規模なプリュームによる含水鉱物の生成が生じているのであれば、二重深発地震面の上面のみならず、下面の活動も同じような場所で活発化するはずである。このような観点から上面の活動と下面の活動の比較を行ったのが図5である。上面の地震が活発な領域と下面の活動が活発な領域がよく対応していることから、プリュームのような深部起源の含水鉱物生成過程が存在している事をこの結果は示唆している。
 |
| 図5．東北地方における上面（赤）と下面（青）の地震の震央分布（菅ノ又・他，2006a）。 |
以上見てきたように、相転位に伴う脱水がスラブ内地震の発生に非常に強く関わっていると考えられる。
長谷川昭・海野徳仁・岡田知己・松澤暢・中島淳一・他
有
U. S. Geological Survey: Stephen H. Kirby