2011年3月11日14時46分、東北地方の下に沈み込む太平洋プレートと陸側プレートとの境界において、マグニチュード（M）9の東北地方太平洋沖地震が発生した。この超巨大地震は、南北約500km、東西約200kmの広大な領域を約3分間かけて破壊し、東北地方を中心に甚大な津波・強震動被害を引き起こした。この地震の震源域では、過去約200年間はM7～8クラスの地震が繰り返し発生していたに過ぎず、なぜ今回の地震の場合はM9にまで大規模化したのかについて明らかにすることは、極めて重要な問題である。本研究計画では、この問題の解明に向けて研究に取り組んでいる。今年度は、この地震の先行過程や震源像についての理解が深まり、地震発生モデルの検討が進むとともに、現在進行中の現象（誘発地震や余効滑り）に関する研究も順調に進んでいる。
室内実験や数値シミュレーションにより、大地震の発生直前には、プレスリップと呼ばれるプレート境界面上で加速する滑り現象が起きることが予想されている。しかし、今回の地震に関しては地殻変動データ等からそのようなプレスリップは観測されていない。一方、地震活動に関する詳細な研究に基づき、本震発生の約1か月前から、破壊開始点の北側で群発的な前震活動が生じていたことが分かった。この前震活動を詳しく解析することにより、本震の破壊開始点へ向かって前震の震源が移動していることが、ほぼ同じ領域で、2度にわたって起きていたことが示された。
震源の移動速度は、1日あたり2～10km程度であった。このような現象は、プレート境界面に沿ってゆっくり滑りが本震の破壊開始点へ向かって伝播していると解釈できる（図1）。特に、3月9日に発生したM7.3の最大前震後の2度目のゆっくり滑りについては、海底圧力観測によっても明瞭に捉えられている（図1）。これらの本震前に生じたゆっくり滑りの伝播が、本震の破壊開始点に応力の集中を引き起こし、超巨大地震の発生を促した可能性のあることが初めて示された。さらに、2度目のゆっくり滑りの伝播速度、滑り量、滑り速度は1度目に比べていずれも増加しており、より応力を集中させたと考えられる。
2度目のゆっくり滑りについては、約2日間という短い期間に、M7.0の地震に相当するエネルギーが解放されたことが分かった。このエネルギー解放の速度は、これまで観測されたゆっくり滑りに基づく経験則によって予想される値よりも一桁ほど大きいことが明らかになった。ただし、このようなゆっくり滑りの伝播によって巨大地震が発生するためには、巨大地震を引き起こすことのできる十分な弾性エネルギーが蓄えられている必要がある。したがって、巨大地震が発生する可能性を検討する際には、その領域に蓄積されている弾性エネルギーを精度良く把握することが何よりも重要である。そのためには、今後、海陸の地殻変動観測網や地震観測網のデータを長期にわたって蓄積し、プレート境界面上の滑りのモニタリングを継続することが不可欠である。また、世界各地の沈み込み帯についても比較研究を実施し、ゆっくり滑りによる応力集中と地震発生との関連性等について知見を深める必要がある。
本震発生の約40分前から、震源域上空の電離圏で全電子量（TEC）が最大1割近く増加する異常現象が観測された。同様の異常は、2004年のスマトラ－アンダマン地震（M9.1）や2010年のチリ地震（M8.8）でも確認され、地震のマグニチュードが大きくなると先行するTEC異常の大きさが増加する傾向も示された。しかしながら、このTEC異常の原因とM9クラスの地震との物理的な因果関係は未解明であり、今後更に事例を積み上げ、物理的メカニズムを明らかにしていく必要がある。
陸上の地震・地殻変動観測網に加え、海域での海底地殻変動・津波観測網のデータにより、本震発生時の滑りの特徴が詳細に捉えられた。特に、宮城県沖には本震発生の数年前から海底地殻変動観測網が構築されており、巨大地震の地震時滑りを震源域直上において捉えることに世界で初めて成功した。宮城県沖の日本海溝寄りの海域で、最大約31mの東南東向きの水平変位と約5mの隆起が捉えられ、陸域では牡鹿半島において最大約5mの東向きの水平変位と約1mの沈降が観測された（図2）。このように、宮城県沖で特に大きな変位が生じ、海溝に近づくほど変位量が増加していること、また、東北地方が全体的に東西方向に引き伸ばされたことがわかった。得られた観測データに基づいて地震時滑り量を推定したところ、プレート境界浅部では、最大約80mに達する大きな滑り量が推定された。
地殻変動・強震動・津波・遠地実体波データを利用した地震時滑りのインバージョン解析により、プレート境界での地震時滑り量は均一ではなく、本震の破壊開始点付近から海溝にかけての広い領域で20m以上に達していたことが明らかとなった（図3）。解析手法や使用するデータによって、大きく滑った領域の位置や形状、滑りの最大値、破壊の伝播方向が異なり不確実性を伴うものの、本震の破壊開始点（震源）付近から海溝にかけての領域で大きな滑りが生じたことは、どのモデルにおいても共通して見られる特徴である。このような大きく滑った領域の存在は、津波データや地震前後の海溝陸側斜面の地形変化等の解析結果から見ても妥当であると考えられる。
今回の地震では、過去に発生したM7～8のプレート境界地震の複数の震源域を含む、プレート境界の広大な領域が断層運動を起こし、特に宮城県沖の海溝近くの浅部で巨大な滑りが生じたと考えられる。地震波の詳細な解析により、陸に近いプレート境界深部からは周期が数秒以下の短周期の地震波が、海溝軸近傍の浅部からは長周期の地震波が放出されたことが推定されている。このことは、プレート境界の滑り現象を支配している摩擦特性が深さとともに変化していることを意味していると考えられる。
地震波トモグラフィー解析により、東北地方太平洋側の海域下におけるプレート境界直上の地震波速度を詳細に調査した結果、宮城県沖では高速度異常を、その北隣、南隣の岩手県沖、及び福島県沖では低速度異常を示していることがわかった（図4）。高速度異常域は本震時の滑り量が特に大
きい領域とほぼ一致しており、プレート境界周辺の構造の違いに起因する摩擦特性の違いが滑り分布に関連している可能性がある。
海溝寄りのプレート境界浅部で20m以上もの大きな滑りが生じた理由として、大きく分けて下記の3つのモデルが考えられる。すなわち、1）海溝寄りの位置に摩擦強度の高い領域が存在するモデル、2）断層滑りに伴う摩擦発熱による間隙水圧の上昇、断層滑りが海底まで達したこと、断層運動時の高速滑りに伴う摩擦強度の極度な低下などの理由により、それまで蓄積されていた応力がゼロ近くになるまで急激に低下したモデル、3）アスペリティの階層モデル、である。現時点では、どのモデルがより真実に近いかはまだ明らかになっておらず、今後モデルの高度化を進めつつ、研究を推進する必要がある。
滑り分布や余震活動に関する研究から、宮城県沖のプレート境界では、これまで蓄積されていた滑り遅れが、広域にわたってほぼ解消される現象が起きた可能性が考えられる。地震時に大きく滑った領域内ではプレート境界型の余震はほとんど発生しておらず、上盤側と下盤側において正断層型の余震が卓越している。本震前後の地震の発震機構を解析したところ、本震発生を契機として応力の主軸が大きく回転したことが明らかになった。このような観測事実に基づき、本震前のせん断応力は20MPa程度と、岩石のせん断破壊強度の数100MPaに比べて極めて小さく、しかもその9割以上が今回の地震で解放されたことが明らかになった。この結果は、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と仮定した場合、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。
本震の発生直後から、日本全域で地震活動が変化した。例えば、本震により生じた表面波が、地下で応力変化を起こしながら日本列島を伝播していく際に、各地で地震を誘発していたことが分かった。ただし、どこでも地震が誘発されたわけではなく、予め地震が発生するのに十分な応力が蓄積されている状態において、表面波による変化が地震発生のきっかけとなる最後の一押しとなったと考えられる。
東北地方では東西圧縮の応力場が緩和されたことにより、本震発生前には地震活動が活発であった領域において地震活動が低調になったり、それとは逆に、それまで活動度が低かった場所で地震活動が活発化した事例が複数報告されている。地震活動が活発化した領域における発震機構を調べた結果、多くの地震活動はΔCFFの変化で説明できることが判明した。今回の地震に伴う静的な応力変化は、震源域に近い東北地方でも1MPa程度以下に過ぎないが、本震後に発生した地震の発震機構は大きく変化しており、プレート境界と同様に、内陸地震断層の強度もかなり低いことが示唆された。なお、このような誘発地震の発生原因については、地殻流体の関与も指摘されている。
上記のような状態においては、火山活動が活発化する可能性もある。東北地方太平洋沖地震と同様に巨大地震であったと考えられる貞観地震（869年）の後の871年には鳥海山が、915年には十和田火山が噴火している。東北地方太平洋沖地震の4日後には、富士山の南麓下の地下約10kmの深さで左横ずれ断層によるM6.4の地震が発生し、富士山の火山活動との関連で注目を浴びた。この地震による富士山の地下のマグマだまりへの影響を計算したところ、変位量にして数cm、体積ひずみ量にして地球潮汐による変化の10倍程度であることが示された（図5）。
陸域のGPS観測により、本震発生直後からプレート境界で大規模な余効滑りが発生していることが推定されている。本震発生から1年以上が経過した現時点でも、余効滑りは次第に減速しているものの、依然として継続している（図6）。本震の滑り量は、主として宮城県沖の海溝寄りで大きかったが、余効滑りは岩手県南部から宮城県にかけての海岸線周辺直下や千葉県沖のプレート境界において顕著である。すなわち、余効滑りは本震時に大きく滑った領域ではあまり起きておらず、プレート境界の深部延長で大きくなっている。なお、海溝付近の浅い領域における余効滑り分布については、固着域の推定と同様に陸域の観測網だけから精度良く推定できない。これを改善するためには海域での地殻変動観測のデータの収集が必要である。
過去10万年程度の地質学的データから、東北地方の太平洋沿岸は0.1mm／年程度の速度で隆起していることが報告されている。一方、東北地方太平洋沖地震発生以前の少なくとも数十年間は5～10mm／年の速度で沈降し続け、また本震と同時に更に最大約1m沈降した。本震後は、余効変動により少しずつ隆起し続けているが、本震前の標高まで未だ回復していない。このことは、今回の超巨大地震によってもなお、蓄積されていた滑り遅れの全てが解消したわけではないことを意味する。
陸上のGPSで観測されている余効変動は時間の経過とともに減速しており、このままの変動速度では、数十年たっても地震時の沈降が回復せず、滑り遅れが保持されることになる。したがって、本震発生によって直接誘発された今回の余効滑りとは別の大きなゆっくり滑り、もしくは、海岸付近直下のプレート境界面上において大地震が発生することによって残存する滑り遅れが解消される可能性が考えられる。この短期的な沈降と長期的な隆起の問題を解決するためには、長期的な地殻変動や地震活動のモニタリングが不可欠である。
東北地方太平洋沖地震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（図6）。今後、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めば、これらと同程度の地震が発生する可能性がある。また、海溝軸の東側においても、本震直後に発生した正断層型の最大余震（M7.5）よりも大きな余震が起こる可能性が指摘されている（図6）。さらに、関東地方下に沈み込む太平洋プレート上面でも、余効滑りが継続しており、本震直後ほどではないものの、通常よりも速い速度で沈み込んでいる。その上に位置するフィリピン海プレートもその影響を受けており、地殻活動のモニタリングを通して、このような現象についても今後研究を進める必要がある。
研究開発局地震・防災研究課
-- 登録：平成25年02月 --