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3.平成23年(2011年)東北地方太平洋沖地震

1.本震

 2011年3月11日14時46分に、宮城県沖を破壊の開始点として太平洋プレートと陸のプレートとの境界の南北約500km、東西約200kmの巨大な領域を約3分間かけて破壊したマグニチュード(M)9.0の「平成23年(2011年)東北地方太平洋沖地震」が発生した。この地震の規模は我が国の観測史上最大であり、また1900年以降に世界で発生した地震でも4番目に大きな地震であった。最大震度は宮城県栗原市の震度7であり、宮城、福島、茨城、栃木の4県に及ぶ広い範囲で震度6強を観測した。
 この地震により、東北地方の太平洋岸は最大で約5m東に動き、また最大約1m沈降したことがGPS観測により明瞭に捉えられている。また、宮城県沖における海底地殻変動観測では、最大で約31m東南東に動き、また約5m隆起した観測点もあった。さらに、詳細な海底地形調査により、本震震源近傍の海溝陸側斜面が東南東方向に約50m、上方に約7m移動したと推定されている。これらの海底地形調査と地殻変動観測データから、本震の破壊開始点付近から海溝にかけての領域のプレート境界浅部では最大50m程度の滑りを生じたと考えられる。深部でも1978年宮城県沖地震の震源域では同じ深さの別の領域より大きな滑りを生じた。
 地震波の解析でも上記の滑り分布の特徴が大局的には支持される。更に詳細に見ると、短周期の地震波はプレート境界深部の陸に近いところから多く放出され、強震動を引き起こした。福島県沖と茨城県沖の境界付近の領域でも短周期の地震波が放出されたことが確認されている。
 以上のように、この地震では広大な断層面が大きく滑り、波長の長い津波を発生させた。さらに、海溝近くでの特に大きな滑りによって短波長で極めて波高の高い津波を重畳させたと考えられる。津波の高さは場所によっては10mを超えたと推定されており、最大遡上高は約40mに達し、また海岸から内陸に最大約6kmまで浸水し、東日本の太平洋岸に甚大な津波被害が発生した。

2.余震・誘発地震・余効変動

 M7以上の余震は2011年10月末までに6回発生している。本震発生後、1時間以内に岩手県沖(M7.4)と茨城県沖(M7.6)のプレート境界地震と海溝軸の東側で正断層型地震(M7.5)が発生した。また、4月7日に逆断層型地震(M7.2)と7月10日に横ずれ断層型地震(M7.3)がスラブ内で発生した。一方、内陸では、4月11日に福島県南東部で正断層型地震(M7.0)が発生している。
 また、プレート境界で発生する余震は、滑りの大きな領域では活動度が低く、その周辺部に集中している。プレート境界の上盤・下盤のプレート内の余震は正断層型が卓越している。本震前と後の地震の発震機構解のデータを解析したところ、本震前のせん断応力は20MPa程度と極めて小さな値が見積もられた。しかもその大部分が今回の地震で解放されたことが明らかになった。プレート境界の摩擦係数が通常の岩石と大きく変わらない場合、この結果は、プレート境界の有効法線応力が静岩圧よりも一桁小さいことを意味する。これは海溝近くの大きな滑りの原因を考える上で、非常に重要な観測事実である。
 本震の直後から、日本の広い領域で地震活動が変化し、3月12日の長野県北部の地震(M6.7)、3月15日の静岡県東部の地震(M6.4)、4月11日の福島県浜通りの地震(M7.0)などの被害地震が発生した。東北地方では応力場が変化したことにより、これまで活動度が低かった場所で地震活動が活発化した。今回の地震に伴う静的応力変化は東北地方でも1MPa程度以下に過ぎないが、発生する地震の発震機構解は大きく変化しており、プレート境界と同様に、これらの地震活動が発生した断層の強度もかなり低い可能性がある。また、全国の約20の火山周辺において地震活動が活発化した。過去には869年の貞観地震の後、871年に鳥海山(秋田県・山形県)が噴火している。1896年の明治三陸地震(M8.2)の2か月後に内陸で陸羽地震(M7.2)が発生した事例もあり、今後、内陸の地震活動と火山活動が更に活発化する可能性がある。
 本震の滑り量は主として宮城県沖の海溝軸近傍で大きかったが、余効滑りは岩手県南部から宮城県にかけての海岸線のすぐ沖や千葉県沖で顕著である。今回の震源域の北隣りには1994年三陸はるか沖地震(M7.6)や1968年十勝沖地震(M7.9)の震源域があり、南隣りの房総沖では1677年に延宝地震(M8.0)が発生したことが知られている。今回の地震とその余効滑りによってこれらの震源域への応力集中が進むと、これらと同程度の地震が生じる可能性がある。また、海溝軸より東側においても本震直後の余震(M7.5)よりも大きな余震が起こる可能性がある。

3.本震に先行した活動

 2005年の宮城県沖の地震(M7.2)の後、宮城県沖から茨城県沖にかけて発生したM6.5以上のプレート境界地震は大きな余効滑りを伴うことが多かった。特に福島県沖で2008年7月19日に発生したM6.9の地震と2010年3月14日のM6.7の地震では、地震時よりも大きなモーメントの余効滑りを伴っており、これらの活動は、本震に先行するプレート境界での「固着の剥がれ」を示していた可能性がある。
 本震の破壊開始点の東から北東側では、2011年2月中旬から下旬にかけてM5クラスの4回の地震を含む群発的活動があり、その後3月9日のM7.3の地震(前震)に至った。この地震の余震のb値は極めて小さかったが、通常この付近で発生する地震のb値は小さかったこともあり、特に異常と考えなかった。地殻変動観測と地震観測データの詳細な解析により、本震の破壊開始領域に向かって前震の余効滑りが拡大したことが明らかになった。この前震の余効滑りはMw7.0相当とかなり大きいため、これが本震の破壊を励起した可能性が高いと考えられる。陸上のひずみ計や傾斜計のデータでは前震の余効滑りは捉えられているものの、本震の直前に加速する滑り(プレスリップ)が発生したことを示すデータは得られておらず、プレスリップが発生していたとしてもモーメントマグニチュード(Mw)は6.3以下と考えられる。ただし、前震活動域は本震の震源域の中に含まれていることから、前震活動とその余効滑りが本震の震源核形成過程である可能性が指摘されている。
 前述のとおりこの前震活動を含む領域ではb値は常に小さいが、長期的に見て次第に減少してきた傾向が見られ、特に5年ほど前から明瞭に低下していた。また、この頃から地球潮汐(ちょうせき)による応力変化と地震活動に明瞭な相関が現れていた。これらのことから、本震の破壊開始点近傍にひずみがたまり、大きな地震が起こりやすい状態になっていた可能性がある。
 そのほか、本震に先行した現象の例として、東北地方上空の電離圏において、本震発生の約40分前から最大1割近くに達する総電子数(TEC)の正の異常が報告されている。TECの異常の原因と本震の因果関係は不明であるが、同じ解析を2004年のスマトラ-アンダマン地震(M9.1)や2010年のチリ地震(M8.5)に適用すると同様の現象があったとする報告もある。

4.過去の巨大地震とテクトニクス

 三陸地域は、1896年明治三陸地震(M8.2)や1933年昭和三陸地震(M8.1)などによって、過去に何度も大きな津波に襲われてきた。宮城県南部以南でも、869年貞観地震や1611年慶長地震(M8.1)などによって大きな津波が押し寄せたことが知られている。津波堆積物調査により、これらも含めて450~800年に一度程度、大きな津波があったことが分かっているが、津波の規模や発生時期については、そのほとんどがよく分かっていない。ただし869年貞観地震については、津波堆積物の分布が比較的詳細に調べられている。その結果、宮城県南部の津波の浸水域が今回の地震の浸水域と似ており、少なくとも宮城県沖から福島県沖にかけてのプレート境界において、今回の地震と同程度の滑りが生じていた可能性が高いことが明らかになった。1611年慶長地震については三陸で大きな津波があったことは知られているが、津波堆積物の分布はよく分かっておらず、震源域の推定のためには更なる調査が必要である。
 地質学や地形学的知見として、東北地方太平洋岸は十万年程度の期間では隆起ないしほぼ中立的な状況であった。一方、数十年間の測地学的観測では地震時も含めて経年的に沈降していた。このため、この沈降を解消するようなプレート境界面の滑りなどがいつかは生じると考えられ、例えば、巨大地震の後に、陸域の下の深部プレート境界で巨大な余効滑りが生じて海岸が隆起する可能性が指摘されていた。しかし、今回の地震については、今のところ深部の余効滑りがそれほど大きくはなく、このままでは海岸が地震前の高さに戻るには非常に長い時間が必要となる。沈降現象を短期間で解消するためには、深部プレート境界で大きな地震またはゆっくり滑りが発生しなければならない。

5.マグニチュード9の地震規模に達した理由

 今回の地震の余震活動を利用して推定されたプレート境界の強度は、20MPa程度と極めて小さかったにもかかわらず、最大で50m程度の滑りを生じM9の地震が発生した。これは50mの滑り欠損を蓄積し得る摩擦強度があったことを意味している。このことはどのように考えればよいのであろうか。
 今回の震源域の幅は200kmもあったので、最大50m程度の滑り量があったとしても応力降下量はせいぜい20MPa程度であったと考えられる。つまり、20MPa程度の強度であっても、残留せん断応力がゼロになるまで滑れば、今回のような大きな滑りは説明できる。余震の発震機構解からは、本震時に広域のプレート境界の残留せん断応力がほぼゼロになるまで大きく滑ったとの考えが支持される。残留応力がゼロになるメカニズムとしては、摩擦発熱による間隙圧上昇や、滑りが海底まで達したことなどが考えられる。また、海溝近くで特に大きく滑った理由として、この領域の強度が周辺より大きかった可能性や海溝付近の上盤側の弾性定数が小さいことが原因している可能性がある。滑り域が広大になったのは、条件付安定領域(通常はゆっくり滑りが発生するが、大きな応力擾乱(じょうらん)を受けた時には高速滑りが生じる領域)が広域に及んでいたとする考え方もある。
 現時点では、まだどの地震発生モデルがより真実に近いのかは明らかになっておらず、別のモデルも含めて、今後検討する必要がある。

6.マグニチュード9の地震の発生可能性を現行計画の研究として取り組めなかった理由

 東北地方のような古くて冷たいプレートが沈み込んでいるところでは、プレートが重いために沈み込みやすく、プレート境界の有効法線応力が小さくなってせん断強度も小さくなるために、大きな地震は生じにくいとする考え方が1970年代に提唱されて、広く受け入れられてきた。一方、1990年代末から2000年代初頭にかけてのGPS観測により、東北地方は毎年2cm程度ずつ短縮していることが判明し、これを元にプレート境界の滑り欠損の蓄積速度を推定したところ、宮城県沖から福島県沖にかけての広い領域で滑り欠損の蓄積が進行していることが明らかになった。このため、将来、この領域で巨大な地震が発生する可能性を指摘した研究もあった。また、スマトラ-アンダマン地震以降、あらゆる沈み込み帯において超巨大地震の発生の可能性を指摘する研究もあった。
 しかしながら、東北地方では(1)普段の地震活動が活発で、特に小繰り返し地震活動が極めて活発である、(2)大地震の余効滑りが地震時滑りと同程度以上の規模となることが多い、という観測結果が得られておりプレート境界の固着が小さいことを示唆していた。また、約100年間の三辺三角測量の結果でも、東北地方の太平洋側では、宮城県北部沖などの大地震があったところを除いて、固着を示唆する東西方向の短縮がほとんど見られないことも指摘されていた。一方、宮城・福島県沖では1997年から2002年頃にかけてGPS観測で滑り欠損の蓄積速度が大きいことが検知されており、この時期には大きな地震も発生していなかったので、プレート境界の固着が大きいと思われていた。しかし、2008年からは、福島県沖で大きな余効滑りを伴う地震が続けて発生し、蓄積されていた滑り欠損はかなり解消されたと考えられていた。このように固着の状態は時間的に変化が大きく、短期間の観測データだけでは長期的なプレート間の滑り欠損の蓄積状況を正確に推定することが困難であった。
 今回の地震で大きな滑りが生じた海溝近くのプレート境界では、普段の地震活動が低調で、小繰り返し地震も発生していない。このことは、プレート境界がゆっくり滑っていたか、固着が大きかったのかのいずれかを示しているが、海溝付近のプレート境界の浅部の物性から、この領域では地震は発生せず、50mもの滑り欠損を蓄積できないと考えられていた。また、この領域は陸から離れているため陸域のGPS観測では固着の状態が正確に把握できなかった。これらが今回のような地震の発生の可能性を追究できなかった理由である。
 さらに、モデル化に用いられたのは近代的な観測データに偏っていて、これらが地質学的な時間の中ではごく短期間に過ぎないということを考慮した検討が不十分であったことも問題であった。例えば、単純なアスペリティモデルでは、貞観地震のような低頻度の巨大地震を説明できなかったにもかかわらず、その検討が十分ではなかった。また、M9の地震を発生し得る領域を特定するには、近代的な観測データだけでは不十分であった。

7.今後の展望

 自然災害は、災害誘因(ハザード)としての自然現象と社会の脆弱(ぜいじゃく)性の相乗効果として生じる。この災害誘因を正しく理解し、その予測を行うことが本研究の目指すところである。しかし、スマトラ沖や東北地方太平洋沖で超巨大地震が発生すると考えていた研究者は、世界的に見ても少数であり、データも限られていたことから検証が十分ではなかった。このような状況を打破するためには、超巨大地震が生じる可能性の有無を、世界中のあらゆる沈み込み帯において十分に検討していかなければならない。超巨大地震の発生ポテンシャルと発生サイクルを正しく評価し、減災に役立てるためには、まず、今回の地震の発生に至る過程と地震時の震源過程及び地震後の地殻活動を正しく理解するとともに、過去の履歴調査や構造探査の成果も活用する必要がある。さらに、今回の震源域以外の領域でも海溝付近の海底観測網を充実させて滑り欠損の状況を把握し、また地質調査により長期の地震活動履歴を明らかにしてゆく必要がある。津波被害の軽減のためには、海底地震観測網や海底津波観測網の充実が重要である。

(超巨大地震発生機構の解明)

 今回の地震において海溝付近で50mにも及ぶ巨大な滑りが生じた理由や、震源域が巨大となった理由について、幾つかの仮説が提案されている。これらの検証を今後進め、今回の超巨大地震の発生に至る過程を正しく理解する必要がある。この理解に基づき、これまでの単純なアスペリティモデルに固執することなく、長期的な活動履歴を説明できるような柔軟なモデルを構築する必要がある。具体的には、構造不均質性の効果や摩擦発熱などの動的効果を考慮したシミュレーションを実施し、観測データと比較することにより、プレート境界における地震の多様性や階層性についての理解を深めていくことが重要である。

(低頻度大規模地震の理解)

 超巨大地震の準備過程は、地球物理学的データが得られている期間よりも長期にわたっている可能性が高いことに注意する必要がある。このような極めて低頻度で生じる現象の理解のためには、古地震調査をこれまで以上に充実させる必要がある。また、超巨大地震は、まれにしか発生しないため、海外で発生した超巨大地震について、国際協力に基づく研究を推進することが重要である。さらに、このような低頻度の現象を予測するための統計的手法の開発も行う必要がある。

(長期的な余効変動の解明)

 地震後の余効変動は、今回の地震像を明らかにする上で重要なだけでなく、地震サイクルの全体像を明らかにする上でも重要であり、更にどこで大きな余震や誘発地震、火山噴火が起こる可能性があるのかを推定する上で重要である。特に地震発生直後は、変動速度が最も大きいと予想されるため、なるべく早い段階で詳細な測地測量・地殻変動観測・地震観測・火山観測を行い、後年のデータと比較するための基礎データを取得することが必要となる。
 地震前と地震時に生じた海岸部の沈降は陸域深部の余効滑りで解消されると考えられていたが、現時点まででは深部の余効滑りが顕著ではない。このままでは海岸部が元の高さに戻りそうもないことをどう理解すればよいのかが重要な問題となるため、海域及び陸域における地殻変動観測の充実は極めて重要である。なお、今回の地震の余効変動は数十年にわたって継続すると予想され、M9の地震の全貌を把握するためには、長期にわたるデータの蓄積が本質的に必要である。

(誘発活動の解明)

 今回のM9の地震の発生により、列島規模で応力場が変化し地震活動が広域に活発化した。このような誘発された現象と、本震と余効滑りに伴うひずみと応力の変化を比較することにより、内陸の非弾性変形と地震発生過程を詳細に検討することは、内陸地震の発生モデルを発展させる上で極めて重要である。

(ひずみの蓄積・解消過程の解明)

 今回、海溝付近で大きな滑りが生じたことが明らかになっている。このような地震時に大きな滑りを生じる可能性のある場所がほかにも存在するかどうかを、海溝軸に沿った滑り欠損の蓄積速度の分布から推定することが重要である。そのためにはまず、海溝軸近傍での海底地殻変動観測を多点で行うことが極めて重要である。海溝付近で滑り欠損が生じる原因と、ひずみエネルギーの解消過程を理解するためには、分岐断層の分布やその滑り履歴調査も含めた多面的な研究が必要であり、このためには、特に浅部の高解像度構造探査ならびに多点掘削調査や、海溝軸近傍での深部掘削調査が有効であると考えられる。

(先行現象の解明)

 今回の地震では前震活動が見られ、その余効滑りが最終的な破壊のきっかけとなったと考えられるが、これまで実験や数値シミュレーションで示されていたような、破壊直前に時間とともに加速していく破壊核形成過程は捉えられていない。これが今回の地震の震源域のように通常時の地震活動が活発な領域で特有の現象なのか、それとも本質的に破壊核は小さいのか、あるいは単純な破壊核形成モデルが自然地震には適用できないのかについて、今後検討していく必要がある。前述の通り、今回の地震に先行した現象が幾つか見付かっているが、それらが超巨大地震の発生と因果関係があったかどうかについて、他の超巨大地震の前の状況や何もイベントのない時期のデータとの比較から十分に検討していかなければならない。また、こうした観測データの解析だけでなく、物理的メカニズムを明らかにするための数値実験やアナログ実験、理論的考察等も重要である。

(津波予測の高度化)

 地震の伴う津波被害の軽減のためには、津波予測の高度化も重要な問題であり、今後、予測手法の開発と高度化に有効な観測網の構築が必要である。特に、海底水圧計観測による連続監視は、海岸における津波の高精度推定にも極めて有効であることが今回の地震で明らかになり、海底観測の技術開発を一層推進する必要がある。さらに、得られたデータの即時処理を含め処理技術の高度化が重要である。

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研究開発局地震・防災研究課

(研究開発局地震・防災研究課)

-- 登録:平成24年12月 --