内陸地震の発生過程の解明

平成20年度年次報告

課題番号：1202

（1）実施機関名：

　東北大学大学院理学研究科

（2）研究課題（または観測項目）名：

　内陸地震の発生過程の解明

（3）最も関連の深い建議の項目：

　1．（2）イ．内陸地震発生域の不均質構造と歪・応力集中機構

（4）その他関連する建議の項目：

　1．（1）イ．列島規模のプレート内の構造と変形

（5）本課題の平成16年度からの5ヵ年の到達目標と、それに対する平成20年度実施計画の位置付け：

　歪速度集中域でかつ内陸地震発生域でもある、東北日本脊梁近傍の千屋断層から宮城県にかけての領域における内陸地震の発生過程を解明することを5カ年の目的とする。最終的には、内陸の応力場の生成原因をGPSと地殻応力データをもとに解明し、地殻内流体の分布と挙動および断層周辺における応力集中の状況とあわせ、内陸地震発生のモデル化とその検証を行う。
　平成20年度は、新たなデータを追加し、これまでに得られている結果の信頼度を向上させる。また、宮城県北部歪集中帯、奥羽脊梁山脈歪集中帯、新潟‐神戸歪集中帯の三つの領域における不均質構造の共通点・相違点から、歪集中帯の深部構造の特徴を明らかにする。さらに、GPSで得られている歪速度分布や広帯域MT観測によって得られた比抵抗構造を含めて、それぞれの結果を総合的に比較・検討し、内陸地震発生のモデルを提唱する。

（6）平成20年度実施計画の概要：

• 脊梁山脈に沿う歪集中帯を横断する既存の広帯域MT観測測線でのデータに補充観測を実施し、比抵抗分布と歪速度分布との関係をより詳しく調べる。
• GPS等により得られている地殻変動データに基づき、跡津川断層周辺をいくつかの弾性ブロックに分割して、各ブロックの回転 運動とブロック境界のすべり欠損速度の推定を試みる。
• 宮城県北部歪集中帯の地殻・最上部マントルの微細構造を推定する。
• 跡津川断層周辺の三次元地震波速度構造を推定する。
• 火山性深部低周波地震発生域の不均質構造を明らかにする。

（7）平成20年度成果の概要：

●　東北脊梁山脈を横断する広帯域MT観測

　2008年岩手・宮城内陸地震の震源域において、広帯域MT観測を計画通り実施した。観測は多数の機関の協力で行われ、観測データの解析は秋田大学を中心に現在行われている。これまでに得られた結果では、3カ年間に顕著な比抵抗変化はなかった。本震震源域の東部の深さ5km付近には、顕著な低比抵抗域がある、などであるが詳細は解析中である。震源域を通る既存の比抵抗断面において、余震分布との詳細な対比が行われた。断層面および余震分布域は高比抵抗域にあり、地震波速度の高速度分布域に対応していることが明らかにされた（図1）。

図1　2008年岩手・内陸地震震源域を通る比抵抗断面とその近傍起きた余震の分布．

●  宮城県北部の微細構造

　2008年岩手・宮城内陸地震の発生に伴い、宮城県北部から震源域をカバーする領域において、多数の機関の合同観測を元に詳細な余震分布と三次元地震波速度構造を推定した（図2）。本震断層に対応すると考えられる西傾斜の傾斜角約40°の余震の並びと、震源域中央から南にかけて東傾斜の余震の並びが見られ、本震震源付近では西傾斜の余震の並びに対し上盤側が下盤側に比べて低速度である。この結果は今回の地震の原因となった断層がかつて日本海拡大時に生成された断層（正断層）であり、それが反転運動したものである可能性を示している。
　今回の地震の震源域は高速度域に位置するが、それは栗駒山・焼石岳・鳴子火山といった火山へと向かう低速度域に囲まれている。この低速度域は深部から火山にいたるマグマあるいは高温流体の経路を示すものであると考えられ、地震発生過程がそれらのマグマや流体の分布と密接に関わっていることを示唆する。

図2．S波速度構造と余震分布。白星、白丸は本震および余震を、三角は火山を示す。（a‐d）S波速度偏差の鉛直断面図．地表の四角は活断層の地表トレースを示す。（e）深さ24kmにおけるS波速度偏差分布。黒＋は深さ20kmより浅い地震、破線で囲った領域は余震活動が低調な領域、太線は活断層を示す。

●  2008年岩手・宮城内陸地震に関係する地殻変動解析　（地震発生に伴い，跡津川断層における解析から変更）

　2008年岩手・宮城内陸地震発生の八ヶ月前から、震源域北端部を通る出店断層横断測線において、原子力安全基盤機構（JNES）の内陸の活断層調査に基づく震源断層評価手法の検討事業によってGPS連続観測が開始されており、地震時並びに地震後の変動に関して、特に震源域北部で詳細を把握することができた。さらに、震源域南部ではGPS大学連合に属する諸大学により臨時観測点が設けられ、稠密な観測網が構築された。解析の結果、地震時には出店断層は滑っていなかったが、地震後にはゆっくり滑りイベントが発生したことが明らかになった。また、余効滑り及び出店断層上でのゆっくり滑りに関して、GPSデータから得られた変位時系列をもとに時間依存逆解析を行い、滑り分布の時空間発展を推定した。地震時変動についても同じ断層モデルで解析を行った。出店断層において積算20cmを超えるゆっくり滑りがあったこと、また、本震断層においては地震時滑りと余効滑りで領域の住み分けが見られることが分かった（図3）。

図3．（左）地震時滑り分布と、（右）余効滑りの積算値の分布、および観測された水平変位・変位速度と推定値から計算されたものとの比較。右側のパネルには左側の地震時滑り分布の等値線を青実線で示している。青と赤の破線はそれぞれ北側及び南側の断層面の等深線。黒点は余震、黒の実線は活断層の地表トレース。

●  跡津川断層周辺の三次元地震波速度構造

　全国の大学で行っている合同観測のデータを用いて、地震波速度トモグラフィを行った結果，断層東端の立山や西端の白山の火山地域には最上部マントルから地表付近まで連続的に低速度域が存在し、最上部マントルと下部地殻ではVp/Vsが大きいこと、火山地域の間の断層に沿っては、大局的には東部～中央部が低速度、西部が高速度となっていること、断層中央部～東部において地表から深さ7km付近まで地震活動が低調な領域では、地震発生層以深に非常に顕著な低速度域がみられ，それは最上部マントルか繋がっているようにもみえること、などが明らかになった。低速度域直上では，地震発生層の下限が局所的に深くなっていることから、この低速度異常は高温によるものとは考えられず、深部からの流体によって生じていると推測される。

●　火山性深部低周波地震発生域の不均質構造の解明

　東北地方の火山下で発生している火山性深部低周波地震の震源域周辺の詳細な地震波速度構造を推定した結果、これまで低速度領域の近傍で発生していると考えられてきた低周波地震は、むしろ高速度域の中で発生しているようにみえることが明らかになった。低周波地震はマグマの移動が直接の原因ではなく、マグマから吐き出された水によって引き起こされている可能性が高い。

（8）平成20年度の成果に関連の深いもので、平成20年度に公表された主な成果物（論文・報告書等）：

　三品正明・坂中伸也・市原寛・西谷忠師・茂木透・上嶋誠・小川康雄・山谷祐介・2008年岩手・宮城内陸地震（Mj7.2）震源域の比抵抗構造と地震後の比抵抗観測、2008年　地球電磁気・地球惑星圏学会　第124回総会・講演会予稿集、A003‐008.
　岡田知己・海野徳仁・長谷川昭・2008年岩手・宮城内陸地震緊急観測グループ （2008）, 2008年岩手・宮城内陸地震, 科学, 78, 978‐984.
　新居恭平、東北日本の火山地域における地震活動と地震波速度不均質構造、東北大学修士論文,2009.
Ohta et al., Coseismic fault model of the 2008 Iwate‐Miyagi Nairiku earthquake deduced by a dense GPS network, EPS, Vol. 60, No. 12, 1,197‐1,201, 2008.
Iinuma et al., An aseismic slow slip on an inland active fault induced by a nearby shallow event, The 2008 Iwate‐Miyagi Nairiku Earthquake（M7.2）, EPS, submitted, 2009.
Nakajima, J., and A. Hasegawa, Existence of low‐velocity zones under the source areas of the 2004 Niigara‐Chuetsu and 2007 Niigarta‐Chuetsu‐Oki earthquakes inferred from travel‐time tomography, EPS, 60, 1127‐1130, 2008.
Xia, S., D. Zhao, X. Qiu, The 2007 Niigata earthquake: Effect of arc magma and fluids. Phys. Earth Planet. Inter. 166, 153‐166, 2008.
Sun, A., D. Zhao, M. Ikeda, Y. Chen, Q. Chen, Seismic imaging of southwest Japan using P and PmP data: Implications for arc magmatism and seismotectonics. Gondwana Res. 14, 535‐542, 2008.
Gupta, S., D. Zhao, M. Ikeda, S. Ueki, S. Rai, Crustal tomography under the Median Tectonic Line in Southwest Japan using P and PmP data. J. Asian Earth Sci. in press, 2009.
Zhao, D., M. Santosh, A. Yamada, Dissecting large earthquakes in Japan: Role of arc magma and fluids. Island Arc, in press, 2009. 

（9）本課題の5ヵ年の成果の概要：

　本課題の成果により、2004年新潟県中越地震、2007年新潟県中越沖地震、2008年岩手・宮城内陸地震の震源域直下の下部地殻・最上部マントルには低速度域が存在すること、本震および余震は主に高速度域で発生していること、本震時にすべりが大きかった領域は高速度域に対応すること、震源域にはマントル起源のヘリウムが上昇してきていること、などが明らかになった。脊梁山脈を中心とした歪集中帯では、地震波の低速度域と低比抵抗分布とがよい一致を示す。一方、新潟‐神戸歪集中帯下においても下部地殻と最上部マントルに顕著な低速度領域が分布することがわかってきた。これら一連の結果は、最上部マントルからの流体の供給による下部地殻の強度低下が、内陸における歪の蓄積にきわめて重要な役割を果たすことを示唆しており、これまで我々が提唱してきた内陸地震発生モデルの妥当性を示している。一方で、内陸地震に伴う地殻変動データの解析により、主に断層深部で余効変動が進行すること、一部の断層では非地震的なゆっくりすべりが進行していることも明らかになり、断層面上での摩擦特性が深さによって異なることが示唆される。これらの成果は、内陸地震発生モデルの高度化に不可欠な地震発生層下の不均質構造や断層面上での摩擦特性を考慮に入れた数値シミュレーションに有益な情報を提供できると期待される。

（10）実施機関の参加者氏名または部署等名：

　海野徳仁・趙大鵬・松澤暢・三品正明・岡田知己・矢部康男・太田雄策・中島淳一・他
　他機関との共同研究の有無：有
　跡津川断層周辺の構造推定：全国の大学の合同観測として実施
　2008年岩手・宮城内陸地震に関わる研究：
　（地震観測）北大、弘大、地震研、東工大、名大、京大、高知大、九大、鹿大、防災科研、JNES
　（GPS観測）北大、名大、京大、九大、鹿大、JNES
　（広帯域MT観測）　秋大、北大、地震研、東工大

（11）公開時にホームページに掲載する問い合わせ先：

　部署等名：東北大学大学院理学研究科　地震・噴火予知研究観測センター
　電話：022‐225‐1950
　e‐mail：zisin‐yoti@aob.geophys.tohoku.ac.jp 
　URL：http://www.aob.geophys.tohoku.ac.jp/