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1(2)内陸地震

「内陸地震」計画推進部会長 松本 聡(九州大学大学院理学研究院)
副部会長 高橋 浩晃(北海道大学大学院理学研究院)


内陸地震発生のモデル化を進め災害軽減に貢献するために,発生場と発生機構の解明,および発生予測に関する研究を推進した.また,空間的な地震発生ポテンシャルを推定する手法開発へ向けたアプローチの研究を開始した。
内陸地震発生ポテンシャル評価には日本列島内陸にかかる広域的なローディング,それに対する地殻応答,個別の断層へのローディングと断層強度が重要なパラメータとなる。2011年東北地方太平洋沖地震後の変動場を精密に観測することで,断層へのローディング機構や粘弾性構造などを推定する研究が行われた。地震学的データによる応力場の詳細な空間分布が明らかにされ,地質構造や下部地殻の低速度帯との対応が検討された。震源域周辺の詳細な地震波速度や比抵抗構造から内陸地震の震源が低速度域に囲まれた高速度域であること等が明らかになった.また,実験的な研究から,流体がレオロジー特性に及ぼす影響について検討が進んだ.日本列島基本構造モデルのコンパイルが進められるとともに,関連する研究課題を取りまとめて得られるパラメータを地震活動評価実験などへ利用する手法を検討することで,発生予測や災害誘因予測研究へのアプローチを開始した。

1.地震・火山現象の解明のための研究

(1)地震・火山現象に関する史料,考古データ,地質データ等の収集と整理

内陸地震の発生履歴を見出すため,根尾谷断層北端部(航空レーザ測量データ),阿寺断層(マルチコプターとSfM(Structure from Motion)- MVS(Multi-Video Stereo)技術),神城地震断層(地表地震断層調査,UAVによる写真撮影,細密DSMにもとづく変位量計測)(名古屋大学[課題番号:1702]),糸魚川-静岡構造線活断層系中部(古地震調査)(産総研[課題番号:5005])において,活断層形状,変位量に関するデータを取得した。

(2)低頻度大規模地震・火山現象の解明

ア.史料,考古データ,地質データ及び近代的観測データ等に基づく低頻度大規模地震・火山現象の解明

低頻度大規模地震現象の解明へのひとつのアプローチは,過去の大地震の痕跡を詳細に調査し,復元することである。とくに,個別断層が連動した活動は大規模地震へ直接つながるものであり,連動の条件を知ることが重要である。濃尾活断層系の黒津断層について航空レーザ測量(LiDAR)を行った。断層変位地形データの再検討を行った結果,同断層系の温見断層や根尾谷断層で推定されている活動間隔(それぞれ2200~2400年および2100~5000年)と比べて有意に長く,温見断層と根尾谷断層が連動するときにのみ黒津断層が活動する可能性があることが示された(名古屋大学[課題番号:1702])。複数の断層セグメントによって構成されている,糸魚川-静岡構造線活断層系の中部に位置する諏訪湖周辺のセグメント境界において古地震調査を実施した。従来,連動したと考えられていた約1200 年前の最新活動では連動しておらず,別々の地震が生じていたことが明らかとなった。一方,約3000 年前のイベントでは,同セグメント境界が連動する地震が生じた可能性が明らかとなった(産総研[課題番号:5005])。

(3)地震・火山噴火の発生場の解明

ウ)内陸地震と火山噴火

内陸地震発生場の解明のためには,日本列島を取り囲むプレート運動や沈み込みによって形成される広域の応力載荷とそれに対する内陸地殻の弾性・非弾性応答を観測・モデル化し,その特性を明らかにすることが求められる。また,地震発生に大きく寄与する,広域の応力載荷に対する個別の断層への応力集中メカニズムや断層強度低下メカニズムも解明する必要がある。特に東北地方においては,東北地方太平洋沖地震の地震時・余効変動とその応答を観測できることから,応答特性を知りうる重要な機会である。今年度は計画初年度であるので,研究計画に沿った地震・測地・電磁気観測が全国各地で進められた。

・東北地方の地殻応答
東北地方太平洋沖地震およびその後も変動が進行している今期計画の研究期間は,これらの現象を観測によりとらえて,定常的な活動下では検出できないレオロジー構造を推定する重要な機会である。今年度においては,地震,GNSS観測点の展開および今後新設する点の予備調査を行った。一方,現有のデータから地殻変動のシミュレーションを行い,不均一なひずみ速度分布を説明するモデル検討が進められた。2011年東北地方太平洋沖地震後1ヶ月から9ヶ月間(2011/4/23 - 2011/12/10)の余効変動データから東北日本弧のレオロジー不均質性を明らかにするために,Muto et al. (2013)の2次元レオロジーモデルを用いて粘弾性緩和過程の評価をおこなった(図1)。内陸の下部地殻やマントルウェッジに粘性不均質を導入したモデルがデータをよく説明しており,余効変動のパターンから島弧地殻の3次元の粘性率不均質性を推定できる可能性が高いことがわかった(東北大[課題番号:1203])。 また,高密度の地温勾配データから島弧海溝系の3次元粘性分布を推定するとともに,その構造モデルを仮定して地震時すべりを与え,粘弾性緩和過程の計算を行った。地震後9ヶ月間の粘性歪み分布から,震源の西部に相当する脊梁直下で顕著な粘性流動(伸張)が卓越する結果が得られた。これから期待される地表変位を考察すると,観測されている火山フロント直下での東向き変位成分の加速と局所的な沈降は脊梁直下の粘性流動に関連している可能性がある(東北大[課題番号:1203])。一方,粘弾性の応答関数(Fukahata & Matsu'ura, 2005, 2006)を用いて,海洋プレートの沈み込みに伴う島弧の変形運動について考察し,海洋プレートの沈み込みに伴う島弧地殻の変形メカニズムについての検討を進めた(京大防災研[課題番号:1905])。

・応力場・ひずみ速度場等,場の研究

-地殻構造と地震発生場
内陸地震発生場の理解には,ひずみ速度場,地殻構造,そして応力場を統一的に解釈することが重要である。本年度は従来得られている複数の地域における構造や地震活動を対比するためのデータ整理を進めた。また,個別の地域においての発生場の推定,それらのモデル化の試みが行われた。
各地域で行われてきた研究結果を整理し,日本列島の内陸地震発生域での地震発生域と地震波速度構造との関係について検証した。その結果,規模の大きい内陸地震に対して,大半の発生域で,断層深部下部地殻に低地震波速度域が存在し,大すべり域では高速度であることが示された。これらは地殻下部の低地震波速度域が強度弱化域に相当し,応力の集中や内陸地震断層の形成に影響をもたらすという仮説(Iio et al. 2002)と調和的な結果である(地震研[課題番号:1504])。地殻流体の起源を知る手がかりとして,構造線沿いに湧出する深部由来流体の調査,分析,解析が行われた。有馬温泉に産する有馬型塩水の調査より,これらの流体は沈み込むフィリピン海プレートから直接的にもたらされ,構造線沿いに上昇した可能性が高いことが明らかになった。これは,西南日本の前弧域に温かいフィリピン海プレートから流体が供給されている可能性を示す(京大防災研[課題番号:1905])。

-応力場
内陸で発生した微小地震の発震機構解から求められた列島規模の広域応力場は,第四紀以降のテクトニクスと整合的であること,ほとんどの活断層は現在の応力場に対してすべり易い方向に形成されていることが明らかになった(京大防災研[課題番号:1905])。一方で,以下に述べる詳細な応力場解析の結果として,低地震波速度域の存在が応力場を変化させている場合(京大防災研[課題番号:1907]),大規模なせん断帯が周辺の応力場を変化させる場合(九大[課題番号:2201]),活断層が密に分布する領域の断層近傍で応力場が急変している場合(産総研[課題番号:5008])が得られた。この結果から,応力場には強い空間不均質性があることが示された。
鳥取県西部地震震源域や1978年の三瓶山の地震(M6.1)の余震域では,応力逆解析から応力場の回転が推定され,これらが周辺の低地震波速度域と対応していることが示された(図2)(京大防災研[課題番号:1907])。九州では,中央構造線延長に当たる地質的なせん断帯では主応力軸が断層に直交していることが示され,非地震的せん断変形による応力緩和が場を変化させていることが明らかになった(図3)(九大[課題番号:2201])。関東地域では,およそ千個の発震機構解を用いた応力テンソルインバージョンにより応力場推定が行われた。その結果,応力方位が変化する境界の多くは地質構造線と良い一致を示し,数十kmほどのスケールで顕著に変化することが明らかになった(産総研[課題番号:5008])。また,2013年淡路島北部の地震震源域では,発震機構から本震前後の応力状態をモデル化する新たな手法の開発により,広域の差応力が高くない場において,断層近傍で地震発生前に応力集中が起こっていたことがわかった(京大防災研[課題番号:1907])。
これらの結果は,応力場の強い空間不均質性を示すとともに,絶対応力レベルが必ずしも高くないことを示唆する,地震発生ポテンシャルの評価にとって重要な知見である。

-地震発生場のモデル化
GNSSによって推定される変形場から応力場を理解するために,比較的広い範囲のブロック断層モデルを用いて,西南日本のGEONET速度場を説明する内陸断層と南海トラフのすべり・すべり欠損速度の同時推定を行った(図4)。測地学的には山陰や南九州に明瞭なブロック間相対運動が見出され,ひずみ集中帯を形成していることが明らかになった.しかし,対応するような連続した断層は見られず,長期的にはそれほど変位が累積していないことを示唆している(京大防災研[課題番号: 1907])。また,応力緩和の可能性が指摘された九州のブロック境界では,GNSSでの変位ベクトルと異なる主応力ベクトルが得られ,数年とさらに長い期間の地殻応答が異なることが示された(九大[課題番号:2201])。
新潟県佐渡市から阿賀町におけるGNSS繰り返し観測から,越後平野周辺では周辺域に比べて伸張ひずみが小さいことが分かった(図5)。広域的には東北地方太平洋沖地震の余効変動により伸張ひずみが観測されているが,この地域では,短縮変形が進行することで周辺部より伸張が小さくなり,ひずみ集中は遠方の外力(プレート間固着等)に関係なく進行していると解釈できる。さらに,地殻変動の再現シミュレーションにおいて,過去の内陸大地震の余効変動の影響を定量的に評価した結果,過去の大地震による粘弾性変形がひずみ集中の主成因と考えることは難しいことが分かった(国土地理院[課題番号:6001])。

・地殻強度低下メカニズム
地殻の強度低下は主に地震発生域における流体の挙動によって引き起こされると考えられる。このメカニズム解明を進めるには,1.地震活動の時空間分布変動の把握,2.地殻構造から類推される流体分布推定,3.地震発生域での流体圧推定,4.地殻中の流体拡散の推定,5.流体と地震活動のモデル化の5つの要素が必要と考えられる。

-東北地方太平洋沖地震後の地震活動変化
秋田県内における誘発地震発生域である森吉山周辺地域及び横手盆地北西縁地域などにおいて,東北地方太平洋沖地震(東北地震)前の活動の有無と誘発地震活動の関連を調査した結果,地域的に多様な変化を示すことがわかった(弘前大[課題番号:1101])。
東北地方全域の地殻構造のトモグラフィを実施し,2011年東北地方太平洋沖地震以後に活発化した地震活動との比較を行った(図6;Okada et al., 2014)。誘発地震(図6の黒点)は,上部地殻内の地震波速度低速度域に囲まれた高速度域内で発生しているように見え,その深部の下部地殻には地震波速度低速度域が確認できる。このことは,地殻深部に存在する流体が2011年東北地方太平洋沖地震以後,上部地殻内のそれほど流体の多くなかった領域に流入したことにより,地震活動が活発化したことを示唆している。これら誘発地震が活発化した場所では,地震活動域が次第に拡大しており,この原因が水の拡散によるものだと仮定すると,10<sup>-15</sup> m<sup>2</sup> 程度の浸透率で現象が説明できることがわかった(東北大[課題番号:1204],Okada et al., 2014a)。
いわき誘発地震帯での比抵抗構造,地震波速度構造および震源分布と比較した結果,誘発地震活動は,主として高比抵抗・高地震波速度の場所に発生していることが 明らかになった。ただし,いわきで2011年に発生したM7の地震の震源域の直下には低比抵抗・低地震波速度のパッチが存在しており,これは水の存在を示唆する。その水の移動による強度低下,ないしは水が存在することによる強度不均質による応力集中により,M7の地震が発生したと考えられた[東北大[課題番号:1204]。

-間隙流体圧推定および流体挙動の把握の試み
2008年岩手・宮城内陸地震の震源域における間隙水圧と法線応力の比の測定から,栗駒山の東方において相対的に間隙水圧の高い領域が推定され,この領域と地震時のすべり量が大きかった場所がほぼ一致することが分かった(東北大[課題番号:1204],Yoshida et al., 2014)。一方,2013年淡路島の地震(M6.3)前後の微小地震の発震機構解の詳細な解析より,地震発生前に震源域において応力集中があったことが示され,間隙水圧が静岩圧に近い状態であったことを明らかにした(京大防災研[課題番号:1907])。
御嶽山周辺域では,1984年長野県西部地震,1976年以降継続活発中の微小群発地震活動,御嶽山直下の火山性地震など多様な地震活動が観測される。地震発震機構トモグラフィ法(Terakawa et al., 2010)を基にして,これらの多様な地震活動を支配する地殻内の間隙流体の役割を明らかにするため,地震のメカニズム解から間隙流体圧場の時間発展を推定する手法(Terakawa, 2014)を開発した(図7)京大防災研[課題番号:1907]。

(4)地震現象のモデル化

ア)構造共通モデルの構築

構造共通モデル(コミュニティモデル)は,シミュレーション研究などでの活用をめざし,従来までに得られているさまざまな情報から作成される統一的な構造モデルである。既往の成果を可能な限り収集・整理し,下記の6つの要素についてのデジタルモデル(grid データ)の構築を進めた(地震研[課題番号:1505])。
 (1)地形・海溝軸モデルの構築
 (2)プレート境界モデルの構築
 (3)日本列島及びその周辺の震源断層モデルの構築
 (4)日本列島下のモホ面及び脆性・延性域境界モデルの構築
 (5)リソスフェア・アセノスフェア境界の構築
 (6)日本列島下の岩石モデル・レオロジーモデルの構築
このうち,(1)地形・海溝軸モデルの構築について,今年度は 国土地理院と水路部の地形・水深データを合わせて日本列島及びその周辺海域の500m メッシュの地形データを生成し,Alaska大による地形データをあわせてN12°-54°,E118°-164°の 500mメッシュ地形データを作成した。更に,産総研の提供する日本列島周辺の地質データ・重力異常データも同じメッシュ上で作成した。この地形データから千島-日本-伊豆小笠原海溝及び相模トラフ,駿河トラフ-南海トラフ-琉球海溝に沿った水深の最深点を5メッシュ間隔で自動的に探し出すプログラムを作成し,その検討を行った。
(5)日本列島下の岩石モデル・レオロジーモデルの構築を目的として,西南日本列島下の地殻構成岩石に関する初期モデルを検討した。高知県長岡郡に産出岩石より,地質温度計を用いた結果,斑れい岩と単斜輝岩の平衡温度はそれぞれ約980℃,1060℃と見積もられ,斑れい岩は下部地殻深部,単斜輝岩はモホ近傍もしくは最上部マントルで形成された岩石であると推測された。優黒質斑れい岩,角閃石-輝石斑れい岩,斑れいノーライトのP 波速度を鉱物化学組成と鉱物モード比から計算し,西南日本のP 波速度構造と比較した結果,斑れい岩ノーライトは下部地殻と同等の速度であった。一方,優黒質斑れい岩,角閃石-輝石斑れい岩は下部地殻のP 波速度よりも明らかに高速であり,下部地殻に局所的に分布する岩石であると推定される(地震研[課題番号:1505])。

イ)断層滑りと破壊の物理モデルの構築

断層滑りの物理モデル構築のためには断層周辺の応力や強度の振る舞いを知る必要がある。本年度は,実験および観測・観察においてこれらの基本的な挙動の解明が進展した。

・岩石の変形特性に及ぼす高間隙水・フュガシティの効果
下部地殻を構成する主要構成鉱物である斜長石多結晶の塑性流動強度に及ぼす水の効果を明らかにするために,下部地殻条件を再現できる固体圧変形試験機を用いて,剪断変形実験を行った。その結果,加えた水の量に応じて脆性破壊から破砕流動,塑性変形と変形挙動が変化することが明らかになった。これらのことより,天然の断層帯においても水の非平衡な拡散に伴い変形挙動が変化すると推察できる(東北大[課題番号:1204])。

・地熱流体と内陸地熱誘発地震
地熱開発にともなう誘発地震の発生メカニズムの解析と,超臨界状態での岩石の破壊挙動ならびに岩石と流体との相互作用に関する実験的検討として,水の存在下で圧力を急激に下げた場合の岩石内の状況をX線CTで詳しく観察した(図3)。その結果,減圧に伴う沸騰と断熱膨張による温度低下により,岩石にき裂が生じることが明らかになった(図8)。このことは,岩石は,流体の相変化(沸騰)に起因する熱応力でも破壊することを示している(東北大[課題番号:1204])。

・断層面の不均質性と内陸地震の多様性の起源
横ずれの地表地震断層の詳細調査から,断層長が短いところでは断層長とすべり量は比例するが,100kmを越えるあたりから,すべり量は頭打ちないし微増となることがわかった。また,断層の階層性に留意しながら,応力降下量(Δσ;MPa)と断層の長さ(L;km)との関係を調べたところ,Δσ = 79.0 L-0.519 で近似できることが明らかになった(京大防災研[課題番号:1905])

・断層周辺の流体挙動
野島断層におけるこれまでの注水実験(1800m深度および540m深度)やアクロス連続運転データの解析をすすめ,断層近傍でのクラック密度の減少による長期的な地震波速度の増加(強度回復)を示唆する結果が得られた(京大防災研[課題番号:1906])。

2.地震・火山噴火の予測のための研究

(1)地震発生長期評価手法の高度化

阿寺断層においてマルチコプターとSfM(Structure from Motion)- MVS(Multi-Video Stereo)技術を用いた変位地形の数値表層モデルの作成と変位量の計測を実施し,SfM-MVS技術を取り入れたソフトウェアを用いることで安価で容易に変動地形学的議論に耐えうる三次元地表データの取得できることが明らかになった。また,神城地震断層におけるUAVによる写真撮影と細密DSMにもとづく変位量計測から,従来の断面測量では見落とされがちな,活断層運動に伴う面的な地表変形の特徴を捉えられる可能性を指摘できた(名古屋大学[課題番号:1702])。糸魚川静岡構造線断層帯北部の神城断層と松本盆地東縁断層北部のセグメント境界付近で古地震調査を実施し,同地点の最新活動に伴う地震時変位量が約2mであることを明らかにした。さらに,2014 年11 月22 日に発生した長野県北部の地震に伴う緊急調査を実施し,地表地震断層の分布とセグメント境界末端付近の詳細形状,地震に伴う変位量分布を明らかにした(産総研[課題番号:5005])。

(2)モニタリングによる地震活動予測

地震活動予測には,対象地域の地殻構造と応力・強度状態とその時間発展を把握することが必要である。高い空間分解能を有する地殻応力図を整備することを目指し,将来発生する地震の規模や発生様式を評価する地震テクトニックマップ作成を進めるために,今年度は関東地方の詳細な地殻応力推定・活断層3次元構造解析を進めた。その結果,関東地方の応力場は顕著な非一様性をしめし,応力方位の変化する境界は地質構造線と対応を示すことが明らかになった。また,地震テクトニックマップの有効性と限界を確認するため,微小地震の発震機構解に基づき上町断層帯周辺における詳細な応力場推定を行った (Matsushita and Imanishi, 2015)。推定された応力場と断層深部形状をもとに活動性評価を行ったところ,断層帯北部の活動が低いことが示された。断層帯北部は地形地質学的に第四紀後期の活動が明瞭でないことが報告されており,それと調和的な結果が得られた(産総研[課題番号:5008])。

3.地震・火山噴火の災害誘因予測のための研究

(2)地震・火山噴火の災害発生機構の解明

過去地震による被害の再現の検討や将来の地震による被害想定を念頭に,2011年4月に北秋田市で発生したM5.0の地震の断層モデルと地下構造モデルの検討と課題の整理を行った(弘前大[課題番号:1101])。

4.研究を推進するための体制の整備

(2)研究基盤の開発・整備

ウ. 観測・解析技術の開発

精度の高い観測・測定装置の開発は,地震発生メカニズム解明のために重要である。レーザ技術を利用した広帯域地震計・傾斜計を観測井において設置可能にする改良を行い,高温環境下での実証実験を行った。高温でも低周波(0.2-10Hz)においては良好な特性を示すことが示された(東大地震研[課題番号:1522])。アクロス第二世代震源装置および海底掘削孔内震源の開発について,第二世代震源装置,海底掘削孔内震源のプロトタイプの性能評価を行った(名大[課題番号:1705])。地下水溶存ガスのうちヘリウム濃度を高精度で分析するために,第二安定領域で動作する四重極質量分析計の駆動電源を設計した。また,ガスを準連続的に抽出する装置も開発が完了した。汲み上げた地下水を,気密を保ったまま真空容器に導入し,減圧に伴う脱ガスを利用して溶存ガスを捕集し,その後地下水を放出する操作を,無人で行うことができるようになった(東大理[課題番号:1401])。

これまでの課題と今後の展望

これまで,内陸地震による災害軽減に資するために,全国の大学および関係機関は協力して,地震の発生場や発生機構を解明し,発生予測へ向けた研究を順調に進展させた。また,それらの成果を災害誘因の評価・予測研究への橋渡しするための研究も開始された。
2011年東北地方太平洋沖地震に伴う地殻応答を対象とした高精度の観測を継続し,断層強度の時間変化や応力集中機構のモデル化に資するデータを着実に取得することが重要である。特に,誘発地震の発生と地殻流体の関係,余効変動場の空間的不均質性への粘弾性構造の影響,震源メカニズムによる応力場の時空間特性,などの内陸地震発生に影響を与えるパラメータの推定を引き続き実施することが必須である。
内陸地震発生域において,下部地殻をも含めた地殻構造や地殻流体との関係を検討するためのデータの整理を開始したが,必ずしもその解釈は容易ではない。低地震波速度・低比抵抗領域と流体との関係,流体圧と地震活動の関係を定量的に比較していく必要がある。特に大すべり域や余震,誘発地震域と流体圧の関係を統一的に説明できる物理モデルを構築していくことが重要である。断層への応力集中機構に大きな役割を果たす地殻の弾性・非弾性構造のモデル化を観測・実験・シミュレーションなどを有機的に結合して様々な条件下での地殻の応答特性の解明を進める必要がある。
地震発生ポテンシャルを考える上で重要な地震活動のリニアメントや活断層との空間的,力学的関連性について,地震のソースフォルト推定の緻密化を含めた研究が必要である。その際には,地震波速度,比抵抗構造,重力,地質等のさまざまなデータを統合し,着実にコミュニティモデルの構築を進めることが必要である。
内陸地震研究からは,詳細な地震波や比抵抗の構造,応力場などのアウトプットが得られる。これらのデータを地震発生予測や災害誘因予測研究で活用するために,内陸地震研究から得られる結果を,逐次,予測研究で活用できるよう,関連部会との連携体制を継続することが求められる。内陸地震発生メカニズムの物理モデル構築には多くの課題が残されているが,それらを解決していく過程で得られたさまざまな情報を発信することを目指す。特に,地殻構造や地震活動の情報は統計的手法による地震発生予測研究,災害即時予測研究に寄与することが出来ると考えられることから,今後具体的に進めていく。

成果リスト

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藤牧良太, 2015, 微動を用いたAS-NET の観測点の振動特性の評価と地下構造推定, 弘前大学理工学部地球環境学科卒業論文.
Fukahata, Y., Y. Yagi, and L. Rivera, 2014, Theoretical relationship between back-projection imaging and classical linear inverse solutions, Geophys. J. Int., 196, 552-559.
Funning, G., Y. Fukahata, Y. Yagi, and B. Parsons, 2014, A method for the joint inversion of geodetic and seismic waveform data using ABIC: application to the 1997 Manyi, Tibet earthquake, Geophys. J. Int., 196, 1564-1579.
Hashima, A., Y. Fukahata, C. Hashimoto, and M. Matsu’ura, 2014, Quasi-static strain and stress fields due to a moment tensor in elastic-viscoelastic layered half-space, Pure Apply. Geophy., 171, 1669-1693.
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Hirauchi, K., and J. Muto, 2015, Observations of the slow rupture process in synthetic fault gouges, Earth Planets Space (in press).
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-- 登録:平成29年07月 --