西南日本内陸における歪・応力蓄積様式の解明

平成20年度年次報告

課題番号：1801

（1）実施機関名：

　京都大学防災研究所

（2）研究課題（または観測項目）名：

　西南日本内陸における歪・応力蓄積様式の解明

（3）最も関連の深い建議の項目：

　1.（1）イ．列島規模のプレート内の構造と変形

（4）その他関連する建議の項目：

　1．（2）イ．内陸地震発生域の不均質構造と歪・応力集中機構　

（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：

　内陸大地震の発生を予測するためには、その発生機構を明らかにする必要がある。近年の研究により、これまで無視されてきた下部地殻が内陸大地震の発生をコントロールしている可能性が指摘されている。本研究の第1の目的は、現在のところほとんど分かっていない下部地殻の物性と変形機構の解明である。地球物理学者の間では、下部地殻の強度は温度とともに急激に減少し全体的に流動することが一般的な考えだったが、内陸大地震の発生過程と発生場に関する考察により以下のような可能性が指摘された。下部地殻において水は断層帯に局所化している。そのため、断層帯の強度は周辺に比べて小さくなり、変形は断層帯に集中する。下部地殻の断層帯の変形により上部地殻の断層に応力が蓄積される。この考えの検証において鍵を握るのは、下部地殻における水の分布形態であるので、比抵抗構造情報をもとにした水の不均質な分布の解明を行う。さらに、列島規模における既存のデータのコンパイルと解析によりこの考えを検証する。
　本研究の第2の目的は、上部地殻の物性、特に断層の強度の解明である。上記の研究により、力を及ぼす側としての下部地殻の変形機構が解明されるので、同時に、受け側として上部地殻の物性の解明が必要である。なぜなら、例えば上部地殻が非弾性変形しているならば、下部地殻の断層帯がいくら変形しても、上部地殻の断層には応力は蓄積されないからである。また、上部地殻の断層の強度が大きいか小さいかは世界的な論争の的であるが、断層の強度の大小により、列島規模における応力場の不均質性の現れ方が大きく変わる可能性がある。強度が大きい場合は、上部地殻が主に応力を支えるため、上部地殻の断層に応力集中が発生する。一方、強度が小さい場合は、下部地殻が応力を支えるため、上部地殻の断層は周辺に比べてむしろ応力が小さいと考えられる。さらに、強度が小さい場合は、応力蓄積の程度をメカニズム変化等から検知できる可能性がある。そこで、地震のメカニズム解の解析等により、西南日本内陸の応力場とその成因を解明する。
　これらの知見に基づき、内陸地震の発生過程と発生場、特に大規模歪集中帯の変形機構を明らかにする。
　平成18年度に計画している長野県西部地震、鳥取県西部地震および兵庫県南部地震の断層の強度と断層周辺の応力場の空間変化の推定は本計画の重要課題の一つである。長野県西部の稠密観測は、上記の目的を達成するための基礎データを提供する。比抵抗構造調査に関しては、山陰での広帯域MT観測の測線を南側に延長し、より広範な比抵抗構造の把握を行う。

（6）平成20年度実施計画の概要：

　平成20年度には、山陰地方の地震帯のFEMモデリングをさらに進め、地震発生域の下限の広域的な変化の影響を推定し、地震帯の応力蓄積モデルを完成する。長野県西部において稠密観測を行うとともに、定常観測網のデータとの統合解析を継続して、断層周辺の広い範囲の応力場の推定を行い、応力場の不均一性と断層の強度を推定する。兵庫県南部地震の断層に関しても強度の推定を行う。比抵抗構造調査に関しては、鳥取―島根沖周辺で測線をさらに北側に延長しOBEM・OBEによる海底MT観測をし、それにあわせて、長周期MT観測を陸域でも実施する。

（7）平成20年度成果の概要：

　昨年度までに，山陰地方の地震帯とその周辺において，応力インバージョンによる応力場の推定とFEMによるモデリングを行い、地震帯において応力場の回転が起こっており、それは下部地殻の不均質構造により説明可能であることを報告した。下部地殻の不均質構造としては、ゆっくりすべりを起こす幅を持たない断層面および幅5kmのWeak Zoneの2通りを仮定したが、両者による違いは見られなかった。今回は、Weak Zoneの幅を押さえるために、その幅の効果を検討した。図1下に示すように，地震帯直下のWeak Zoneの幅を5,20,35kmと変えて，応力場の変化、特に最大主応力軸の回転を調べた．Weak Zoneの幅が広くなると応力場の回転が小さくなり，応力比も観測データより小さくなることから、その幅は20km以下であるとされた。

図1．Weak Zoneの幅と最大圧縮応力軸の回転との関係．横軸は地震帯からの距離．

　一方、Weak Zone以外の地殻は弾性体と仮定されているので，このシミュレーションにより，弾性層の厚さ変化の効果を見積もった．中国地方においては，山陰地方の地震帯付近では震源分布の下限が10km程度と浅いのに対して，山陽地方では20km程度まで地震が発生する．そのため，地震発生域の厚さの変化により，地震帯に応力集中する可能性があるからである．図1において、Weak Zoneの幅が35kmのときの応力場は観測値を説明しておらず、これは，弾性層の厚さ変化が非常に大きい場合での結果であるので，現実の中国地方の地殻の厚さの水平変化の効果は無視できることが分かった．これにより，地震帯における応力場の回転は下部地殻の不均質構造によると結論づけられた。
　長野県西部地域の稠密観測データを用いて応力インバージョンを行い，断層周辺の広い範囲の応力場の不均一性を調べた．その結果，推定断層面の上盤側の地震が群発的に起こっている領域で，最大圧縮応力の向きが局所的に変化している可能性があることが分かった．この付近では低速度異常および低比抵抗異常が推定されており，不均質構造に起因して応力場が乱れているものと考えられる．断層面上のすべり域から離れたところで応力場が空間的に変化することは，差応力が小さいことを反映していると考えられるため，長野県西部地震の断層の強度は小さい可能性が高いと推定される．また，兵庫県南部地震の余震についても，メカニズム解が揃っておらず不均質性が非常に大きいことが報告されていることから，断層の強度は非常に小さいと推定される．
　地下の流体流動は界面動電現象により流動電位を発生させ、地表面で自然電位異常として測定可能である。電位異常の時間変化の有無を調べるために、長野県西部の群発地震域において、長基線の連続観測を2007年から継続している。複数観測線において、10日程度の時定数をもつステップ状の電位変動が検出された。現在のところ、この変化に対応する地震活動の変化・地殻変動は見つかっていないが、広域にわたる電位変化は、地下の流動電位の流動形態の変化で解釈可能である。ただし、原因の同定には、観測の継続および他の観測データとの比較による更なる検討を要す。
　電位変化のモニタリングに加え、上宝観測所の磁場データに対するMT応答の算出も行った。長期間スタッキングにより、周期20秒～3000秒の帯域で良質な探査曲線が得られた。過去にこの地域で実施された広帯域MT観測結果と比較して、大幅に長周期側に推定範囲が伸びている。得られた探査曲線から、比較的深部（数10km）に低比抵抗領域が存在している可能性が高いと考えられる。
　山陰地域の特徴的な低比抵抗領域の下限と北限・南限を明らかにするため、2006年から日本海で海域・陸域での連携MT観測を開始し、現在までに以下の2本の測線に沿って観測を実施してきた。1） 鳥取県と兵庫県の県境付近沖の海域（経度134.3°E に沿った測線：Profile SW100）を含む測線と、2） 隠岐諸島周辺海域（経度133.4°Eに沿った測線：Profile SW200）の日本海を含む測線である。これらの測線に沿って、海域では海底磁力電位差計（OBEM）、および海底地電位差計（OBE）を用いた観測を、また、陸域においては、広帯域MT観測、ULF‐MT観測装置を用いた長周期MT観測を併用した観測を実施してきた。
　2006年から2007年にかけて観測を実施したProfile SW100では、海域においては大和海盆西縁にかけての約150kmの範囲で5観測点を設けた。また、陸域においては10観測点を設け、その測線の最南端は四国まで達している。2008年には、Profile SW200での観測を実施した。海域では隠岐ノ島を挟んで4観測点を設け、さらに、海域観測を実施するのに合わせて隠岐ノ島で長周期MT観測も実施し、海底では6月11日～7月29日の期間のデータを取得し、隠岐ノ島での観測により6月19日～10月1日の期間のデータを取得した。2008年までにデータを取得したProfile SW100測線に関しては、2008年度中に、ほぼ時系列解析を完了したが、岡山県の瀬戸内周辺の観測点では、ノイズの影響がひどく、遠方の磁場参照点を用いた通常のリモートリファレンス処理を適用してもノイズの影響を抑え、構造探査に使用できるようなMT探査曲線（見かけ比抵抗と位相曲線）を求めることが極めて難しい。しかしながら、実施した観測により各観測点でのノイズの状況を把握することができ、今後の観測計画の策定や、新しいノイズ処理手法を検討するための重要な資料を得ることができた。

（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）：

　Kawanishi, R., Y. Iio, Y. Yukutake, T. Shibutani, and H. Katao （2009）, Local stress concentration in the seismic belt along the Japan Sea coast inferred from precise focal mechanisms: Implications for the stress accumulation process on intraplate earthquake faults, J. Geophys. Res., 114, B01309, doi:10.1029/2008JB005765.
　Iio, Y., T. Shibutani, S. Matsumoto, H. Katao, T. Matsushima, S. Ohmi, F. Takeuchi, K. Uehira, K. Nishigami, M. Miyazawa, B. Enescu, I. Hirose, Y. Kano, Y. Kohno, K. Tatsumi, T. Ueno, H. Wada, Y. Yukutake （2009）, Precise aftershock distribution of the 2004 Mid‐Niigata prefecture earthquake‐‐Implication for a very weak region in the lower crust, Physics of the Earth and Planetary Interiors, 172, 345‐352, DOI: 10.1016/j.pepi.2008.10.014.

（9）本課題の5ヵ年の成果の概要：

　本研究の第1の目的は、下部地殻において断層帯に局所化した水の効果により、断層帯に変形が集中し、直上の上部地殻の応力が増加するという作業仮説の検証を通して、下部地殻の物性と変形機構を解明することである。山陰地方の地震帯とその周辺における応力場の精細な解析により、地震帯直下の下部地殻の非地震性の断層あるいはWeak Zoneの変形により、地震帯に応力集中することが分かった。また、比抵抗構造調査により、Weak Zoneでは顕著な低非抵抗異常が見いだされており、Weak Zoneは水により弱化されたと考えられる。ただし、低比抵抗異常は、地震帯の真下ではなく、少し南へずれているように見えており、Weak Zoneの幅と位置をより精度良く推定し、その変形特性を明らかにすることが課題として残った。
　本研究の第2の目的は、断層の強度の解明である。鳥取県西部地震の合同余震観測データの精細な解析により、余震域北部の断層の強度（静止摩擦係数）が0.45以上であること見いだした。長野県西部地域および兵庫県南部地域では、鳥取県西部地域に比べて、応力場あるいはメカニズム解の空間変化が非常に大きいため、強度はより小さいものと推定された。
　また、当初計画には上げられていなかったが、新潟‐神戸歪集中帯の中で発生した新潟県中越地震の余震データの解析により、余震域の中央部直下に非常に弱い領域（Very Weak Region）があることが推定された、
　これらの知見等に基づき、内陸地震の発生過程と発生場、特に大規模歪集中帯の変形機構は以下のように推定される。水によって弱化された下部地殻の変形により上部地殻の断層に応力集中またはひずみ速度の集中が起こされる。上部地殻の断層の強度が小さい場合は、下部地殻に加わる応力が大きくなるため、他の物性が同じでも、ひずみ速度が大きくなる。

（10）実施機関の参加者氏名または部署等名：

　京都大学防災研究所地震予知研究センター 飯尾・大志万・吉村・中尾・藤田・近藤・片尾・澁谷・西上・大見。
　他機関との共同研究の有無：
　長野県西部における研究は防災科学技術研究所・産業技術総合研究所・名古屋大学等との共同研究。山陰地域での研究は、鳥取大学、JAMSTEC等との共同研究

（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：防災研究所附属地震予知研究センター
　電話：0774‐38‐4200
　e‐mail：iio@rcep.dpri.kyoto‐u.ac.jp
　URL：http://www.rcep.dpri.kyoto‐u.ac.jp/