宮城県沖地震の発生過程の解明

平成20年度年次報告

課題番号：1206

（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：

　宮城県沖地震の発生過程の解明

（3）最も関連の深い建議の項目：

　2.（2）エ. その他特定の地域

（4）その他関連する建議の項目：

　1.（2）ア. プレート境界域における歪・応力集中機構

（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：

　5ヶ年の到達目標は、宮城県沖地震の震源域周辺において、地震および地殻変動の海底観測の重点的な推進と陸上観測網の充実、そして海陸データの有機的な統合によって発生準備過程にある地震の高度なモニタリングを実現するための方法論の基礎を確立することにある。本年度は、GPS観測と小繰り返し地震（相似地震）観測の統合により、宮城県沖プレート境界における準静的すべりの時空間発展を準リアルタイムに把握することを実現する。さらに、宮城県沖地震の震源域周辺における海底地震観測を継続し、小地震の震源位置とそれらの発震機構解を高精度に推定することにより、モニタされるプレート間すべり状態と小地震の発生機構との関連についての理解を進めるとともに、固着・すべり域に固有な地震波速度構造の高精度・高分解能化を図る。

（6）平成20年度実施計画の概要：

　準静的すべりの時空間発展の準リアルタイム・モニタリングを実現するために、GPS観測および相似地震観測のデータを準リアルタイムで処理するためのシステムの開発と実用化のための改良を継続して進める。本学では陸上GPS観測点の増強を、宮城県内を中心とした地域で平成15年度に行っており、これらのデータと従来の観測点およびGEONETのデータとの併合解析を進め、それにより得られる地表の変位速度場を用いた逆解析を高度化し、プレート間すべり分布の時空間変化を即時的に検知できるようなシステムの開発を目指す。また、リアルタイム収録されている地震波形データから小繰り返し地震を同定し、その位置とすべり量を高精度準リアルタイムで推定するための自動処理手法の開発を継続する。
　宮城県沖の海域における自己浮上式海底地震計を用いた繰り返し観測による微小地震観測を継続して実施し、既存のデータと併せて解析を進めることにより、プレート境界近傍における地震波速度の分布の詳細を解明するとともに、アスペリティ周辺に発生するプレート内地震の活動度の実態解明を目指す。

（7）平成20年度成果の概要：

 小繰り返し地震波形の自動処理によるプレート境界すべりのモニタリングにより、2008年のはじめから、宮城県沖南部～茨城県沖の海溝に近い領域で、非定常すべりがあったことがわかった。主なすべりは、2008年5月8日の茨城県沖M7.0と、2008年7月19日福島県沖M6.9の地震の後に起こっているが、これら2つの地震の前の2008年2月ころから宮城県沖南部～茨城県沖の海溝に近い領域の一部ですべりレートが高いように見える（図1）。すべての期間のすべり分布を比べると、準静的すべりの加速は、宮城県沖南部～茨城県沖南北の海溝沿いの領域をすべて覆う広い領域にわたることが分かった。
　準静的滑りの時空間発展の準リアルタイム・モニタリングのための時間依存逆解析手法の改良を行なった。時間分解能向上のために、時間領域における区間の長さを可変として、最適な区間分けを滑りの時空間発展と同時に求める手法を開発した。また宮城県沖における数値計算シミュレーションを行ない、観測誤差が小さければ、与えた滑りをほぼ正確に再現できることを確認した。また、誤差を大きくした場合でも、滑りイベントの開始時刻は正しく推定されており、手法の妥当性を確認することができた。
　宮城県沖では、東京大学地震研究所および気象庁地震火山部と共同で長期繰り返し海底地震観測を平成14年度以来行っており、本年度もこの観測を継続して実施した。今年度は、こうした海底地震観測データを用いて、2005年8月16日に宮城県沖で発生したM7.2の余震活動に関する研究を継続して行った。特に、陸上観測と海底地震観測で得られた走時から求めた詳細な三次元地震波速度構造（Yamamoto et al. 2008）を用いて、震源分布および発震機構解を求め、それらの空間分布に見られる特徴を抽出した。2005年8月16日の地震の震源域周辺域で発生した余震の多くは、概ね沈み込むプレートと陸側のプレートの境界付近に分布するが、明らかにプレート境界周辺に幅を持った分布をしめす。一方で、小繰り返し地震は、プレート境界のごく近傍に震源が決定された。また、プレート境界以外でのすべりを示す発震機構解を示す余震に着目し、それらの空間分布を調べた。その結果、2005年の本震の破壊域では、プレート境界に沿って上盤側ではダウンディップコンプレッション型、下盤側ではダウンディップエクステンション型の発震機構解の余震が卓越するように見える。すなわち、上盤側における沈み込むプレート境界に沿った圧縮場と下盤側の伸張場を示唆する。プレート境界を介した発震機構解の空間変化は、本震の地震時すべりによる震源域周囲への応力再配分を示す可能性が高い。

図1　小繰り返し地震データより推定されたプレート境界でのすべりレートの分布。a-d はそれぞれ、1993-2007年、2008/1/1-2008/5/8（茨城県沖M7.0の地震前まで）、2008/5/8-2008/7/19（福島県沖M6.9の地震前まで）の期間のものである。赤星は、2008年5月8日茨城県沖M7.0の地震および、2008年7月19日福島県沖M6.9の地震の震央を示す。黒太線はフィリピン海プレートの北東限、挿入図はフィリピン海プレート上面でのすべりレートを示す。

図2　三次元速度構造を用いて求めた震源分布(a)とA-B断面図(b)。コンターは山本（2007）によるプレート境界の同深度線を示す。黄星と赤星は2005年8月16日に発生した本震とM5.5以上の地震の震央および震源を表す。赤丸は相似地震の震源を示す。上盤側(c)と下盤側(d)の余震のP軸(赤)およびT軸（青）の分布。ローズダイアグラムはP・Ｔ軸のプランジの頻度分布を示す。

（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）：

　Ito, Y., H. Fujimoto, Y. Osada, M. Kido, H. Tsushima, R. Azuma, K. Suzuki, T. Tsuji, and N. Nakayama （2008）, Detection of multi‐scale slow earthquakes by using Ocean‐bottom seismic and geodetic observation, JAMSTEC Data Site for Research Cruises, http://www.jamstec.go.jp/cruisedata/yokosuka/e/YK08‐06.html
　Yamamoto, Y., R. Hino, K. Suzuki, Y. Ito, T. Yamada, M. Shinohara, T. Kanazawa, G. Aoki, M. Tanaka, K. Uehira, G. Fujie, Y. Kaneda, T. Takanami, and, T. Sato（2008）, Spatial heterogeneity of the mantle wedge structure and interplate coupling in the NE Japan forearc region, Geophys. Res. Lett., 35, L23304, doi:10.1029/2008GL036100.

（9）本課題の5ヵ年の成果の概要：

　宮城県沖地震の発生が予測されている海域において、「宮城県沖地震パイロット的重点調査観測」との連携の下に、東京大学地震研究所および気象庁地震火山部と共同で長期間の繰り返し海底地震観測を重点的に実施した。観測期間中である2005年8月16日に宮城県沖でM7.2の地震が発生した。本研究では、震源の直上に設置した海底観測網によりこの地震を観測することに成功した。得られた海底地震観測点のデータは、陸上観測点のデータと併合処理を行って、8月16日の宮城沖の地震（M7.2）の前後に発生した地震と発震機構解の分布、および震源域周辺の地震波速度構造を求めた。さらに宮城県沖地震の震源域周辺の海陸プレート面の形状、プレート間の地震性、非地震性すべりに対応して発生する余震とそれらの発震機構解の特徴を明らかにした。その結果以下のことが明らかになった。

（1）2005年の地震と1978年宮城県沖地震の余震分布を再決定した結果、2005年の余震域は1978年の余震域の一部と完全に重複する．すなわち、2005年の地震は1978年の地震の際の破壊域の一部を再破壊したものであり、多くの部分が未破壊のまま残されている可能性が高い。こうした余震域の部分的な重複関係は、1936年や1937年の宮城県沖地震と1978年宮城県沖地震との間にも見られ、宮城県沖においては複数のアスペリティが組み合わせを変化させながら繰り返し破壊を起こしている可能性を示した。

（2）余震の発震機構解は、多くが本震と同様な低角逆断層型であるが、それとは異なるタイプのものも含まれている。特に、本震の破壊域の東縁では、節面の走向方向は本震と同様であるが、傾斜角が大きく異なる高角逆断層型の地震が数多く発生している。 こうした地震は、低角逆断層型の発震機構解をもつものに比べわずかに浅い震源をもつ傾向にあり、上盤側のプレート内で発生している可能性が高い。

（3）プレート境界で発生した可能性の高い地震は、主に2005年のM7.2の地震のアスペリティ近傍と余効すべり量が特に大きな領域内に集中して発生した。一方で余効すべり量の大きな領域の周辺で発生した地震の多くはプレート境界よりも、わずかに浅い分布を示す傾向にあり、それらの発震機構解はプレート境界で発生する地震とは異なる発震機構解を示すことが分かった。さらに、プレート境界で発生する地震は、主に余効すべりのすべり速度が大きい期間に発生する傾向にあることが分かった。

（4）宮城県沖地震の震源域から福島県沖にかけての領域においては、プレート間地震のアスペリティの分布に対応するような地震波速度構造不均質を見いだすことに成功した。1978年および2005年の宮城県沖地震の破壊域の範囲では、プレート境界上盤側のマントルウエッジ内の地震波速度は隣接する南北の領域に比べて高速度であることを示した。一方で、沈み込む海洋性地殻には、地震の破壊開始点の近傍で高Vs異常域が存在することを示した。

　発生準備過程にある地震の準リアルタイムモニタリングの実現に向けて、GPS観測データおよび小繰り返し地震の準リアルタイム処理技術を開発した。GPS観測データについては、GEONETと東北大学のGPS連続観測点のRINEXファイルをGIPSYの精密単独測位法を用いて半自動的に解析できるシステムを開発し、北緯36度以北の全観測点の変位データが得られるようになった。こうして得られたGPS連続変位記録を用いて、時間依存逆解析手法により東北地方下のプレート境界面上における固着状態の再評価を行なった。その結果、推定された固着域の分布から1994年三陸はるか沖地震の震源域における固着の回復、低角逆断層型のプレート境界地震の西限より深部における弱い固着域の存在が再確認された。さらに、この深部における固着が、余効すべりの解析結果から示唆されていた通り、2005年の宮城県沖地震以後の期間において解消されていることを明らかにした。
　小繰り返し地震を用いたプレート間の準静的すべりのモニタリングのため、リアルタイムで収録されている連続波形記録から小繰り返し地震を自動で抽出するシステムを開発して運用した。得られた結果は、ホームページ等で適宜公開した。小繰り返し地震のモニタリングの結果、宮城県沖を含むモニタリング領域全域で、多数の小繰り返し地震を抽出した。それらの結果から、特に、2008年のはじめから、宮城県沖南部～茨城県沖の海溝に近い領域で、非定常すべりがあったことがわかった。主なすべりは、2008年5月8日の茨城県沖M7.0と、2008年7月19日福島県沖M6.9の地震の後に起こっているが、これら2つの地震の前の2008年2月ころから宮城県沖南部～茨城県沖の海溝に近い領域の一部では、大きなすべりレートが観測された。

（10）実施機関の参加者氏名または部署等名：

　藤本博己・海野徳仁・松澤暢・日野亮太・三浦哲・伊藤喜宏・内田直希・他
　他機関との共同研究の有無：
　東京大学（金沢敏彦・他4名）、気象庁（青木元・他4名）
　海洋科学技術開発機構（金田義行・他3名）

（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/