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1(4)地震先行現象・地震活動評価

「地震先行現象・地震活動評価」計画推進部会長 中谷正生(東京大学地震研究所)


現行計画には地震発生を予測するためのいくつかのアプローチが含まれている。地震先行現象・地震活動評価部会では,種々のモニタリングデータから断層面の滑り・応力等を推定し滑りの物理的予測モデルと対比するための研究,地震発生との因果関係に合意のとれた物理モデルがなくても,経験則として地震発生の予測に役立つ情報があるのかを統計的に吟味する研究,あるいは先行現象と目される事象の地震発生に対する物理的意義を解明するための研究を行っている。

2.地震・火山現象の予測のための研究

(2)モニタリングによる地震活動予測

地殻変動に代表される系統的なモニタリングデータは,物理法則にしたがって断層滑りの時空間履歴を計算・予測するモデルとあわせて地震発生の予測に使うことが原理的に可能である。しかし,物理モデルの細部状態(応力の現在値分布や摩擦特性の分布など)を観測から予測に必要な精度で決めておくことは困難だから,観測値をモデルに代入しての将来予測とはいっても,むしろ物理モデルを通じて観測されたイベントの意味するところを診断するといった方がいいかもしれない。例えば,大地震の破壊域となる固着した断層の一部が先行的にゆっくり滑り,それが加速・拡大して本震に至るという震源核モデルは,物理モデルからモニタリングデータを診断するために最も重要なてがかりの一つである。しかし,例えば東北地方での巨大地震の固着域の一部が破壊する大地震の発生から示唆されるような大小の固着域の階層的配置(東京大学理学系研究科[課題番号:1402],Ide and Aochi, 2014)を考えれば,脆い小アスペリティの破壊が丈夫な大アスペリティの破壊すなわち大地震の核形成を代用してしまう地震(カスケードアップ地震)の可能性(Noda et al., 2013)はよく検討されなけらばならない。本年度は,南海トラフ沿いの巨大地震シミュレーションにおいて紀伊半島沖に小アスペリティがあった場合の効果(図1)を検討し,小アスペリティが小さいほどプレスリップが小さくなり,巨大地震がカスケードアップ地震として発生するという結果をえた。また,かなり小さなアスペリティでも,東海地域の固着の剥れが弱い段階では東海地域の割れ残りという現象を起こし得ることも示された (気象庁[課題番号:7006],弘瀬ほか,2015)。
一方,2011年東北地方太平洋沖地震(以降,3.11地震)が顕著な例(Kato, 2012)であるが,大地震の破壊域ではなくその周辺,特に深部延長が大きな先行的ゆっくり滑りをおこすという可能性が近年世界的に注目されている。スロースリップは大地震に先行する時期にしかおこらないわけではないが,モニタリングによる地震発生の予測可能性を問うという観点では,そのようなものも含めて把握する能力を上げる必要がある。GNSS測地データの精緻な解析(気象庁[課題番号:7006])によって2000年,2005年の銚子付近の群発地震にスロースリップが伴っていたことがわかった。また南海トラフ沿いの地域については2003年四国東部,2005—2009年四国中部,2013年四国中部において小規模な長期的スロースリップがおこっていたことがわかった。さらに,南海トラフの短期的スロースリップ発生域での平均滑り速度分布が求められた(産総研[課題番号:5007])。GNSSによる監視技術を向上させるとともに,体積ひずみ計の補正法にも改良を加え(気象庁[課題番号:7006]木村ら, 2014),銚子沖や房総半島沖のいくつかの事例で検出能力を確認するとともに,これまでひずみ変化なしとされてきた伊豆半島東方沖の地震活動に伴う変化を多数見いだした。さらに,2013年から発生しているのではないかと指摘されている東海地方の長期的スロースリップに関してはひずみ計記録のスタッキングにより対応する変化を検出した(気象庁[課題番号:7006],弘瀬ら,2015)。さらに,固着状況の変化は,プレート境界の音響的性質によってもモニタリングできることが理論と実験から示唆されている(Kame et al., 2014)。東海地域において,複数のアクロス送信点からの観測結果を説明できる浅部からフィリピン海プレート境界にいたるP波及びS波の地下構造モデルを推定した(気象庁[課題番号:7006],國友ほか, 2014)。
地下水位の観測も鋭敏なひずみ観測になっていることが期待され,複数の井戸で地下水・地殻変動を同時に観測する観測点(産総研[課題番号:5007])が,四国~紀伊半島周辺に現在16点あり,さらに数点の増設をめざしている。本年度は,地下水応答特性の基礎調査として,地震の前後で道後温泉の地下水位が4m以上上昇した2014年伊予灘の地震(M6.2)に際して,水頭拡散率は地震前後で有意に変化しなかったことを示した(産総研[課題番号:5007],小泉ほか, 2014)。また,台湾の地震時地下水位変化の解析から,地震動の寄与の周波数依存性が不圧地下水と被圧地下水で違うことを明らかにした(産総研[課題番号:5007],板場・落, 2014)。
測地観測で直接的に検出するには小さすぎるスロースリップでも,テンプレートを用いた類似波形の検索による微小地震活動の同定から発生が示唆される場合があり,本年度はこの手法によって多くの事例がみつかった。あとに本震と目されるものを伴う例では,2014年チリ・イキク地震(M8.2)(東北大学[課題番号:1206],Kato et al., 2014),2009年ラクイラ地震(M6.3)(東北大学[課題番号:1206],Sugan et al., 2014)があり,後者では本震破壊開始点近傍に低b値もみられた。さらに,3.11地震の直後に房総沖でスロースリップがおこったこともこの方法で検出された(東北大学[課題番号:1206],Kato et al., 2014)。また,必ずしもゆっくり滑りを伴なっていないかもしれないが,多数の地震波形が重畳していてもイベントを見わけることができる類似波形検索は前震や余震の時空間発展をこれまで考えられなかったほど詳細に追うことを可能にし,2007年能登半島沖地震(M6.7)の余震域が既存の断層系を割り進むかのように拡がっていく様子( 東北大学[課題番号:1206],Kato et al., 2014)や,2014年長野県北部地震(M6.2)の前震・余震の時空間発展(東北大学[課題番号:1206])などを明らかにした。
断層の滑りモデルを介さずに,経験的に大地震の発生と関係するのではないかとされているパラメーターに中・短期的なb値の低下がある。b値の物理的解釈にしっかりしたものはないが,差応力と逆相関するという岩石破壊実験からの説(Scholz, 1968)は有名である。逆断層地震のb値が低く正断層のそれが高いという事実も指摘されており(Schorlemmer, 2005),応力等のマッピング手段にもなりうることが近年,世界中で注目されている。本年度は,全世界の沈み込み帯でb値はどう分布するのかが調査され(東京大学理学系研究科[課題番号:1402],Nishikawa and Ide, 2014),スラブ浮力が高くてプレート境界面が強く押しつけられている地域ほどb値が低いという傾向が認められた。また,各地域において,余震期間でも平常時でもおおむね同程度のb値が得られることも判明した。さらに,日本海溝から沈み込む太平洋プレート沿いに関しては深さ200km程度までのb値分布(図2)が求められ(東北大学[課題番号:1206],Tormann et al., 2015),大局的なテクトニクスを反映した差応力の強弱を描き出すことがうかがわれる結果が得られたが,それによって個々の巨大地震の発生領域を特定することは困難にみえる。さらに,3.11地震の滑り域の活動の時間変化をみると,地震後しばらく高くなっていたb値がほぼ平常値に近いレベルまで戻っていることが見いだされた。b値や大森則等の地震の統計的性質の由来について,多体系物理の観点からの洞察を得ることを目的として,物理学者のグループによるアナログ実験と数値シミュレーションを開始し,本年度は予備実験を行った(東京大学地震研究所[課題番号:1512])。
地震活動の統計的モデルによって,将来の日本周辺の地震発生数期待値の時空分布を事前に予測し,予測期間経過後に実際におこった地震の分布との一致度を検証するCSEP JAPANでは,3.11地震の発生を含む時期に対して提出された予測手法の評価を終えた。あたりまえのことかもしれないが,予測期間が1日(図3),3ヶ月,1年のどのクラスにおいても,3.11地震の前と後では地震活動の様相が大きく変化したことを反映して,各手法間での成績の順序が入れかわった(東京大学地震研究所[課題番号:1511])。一方で,地震活動の特徴から前震である可能性の高いものを見分けるとして提唱されているアルゴリズムを群発活動が特徴的な伊豆地域に事後適用してみたところ,M5以上を予測対象として予知率68%,適中率23%程度と良好な成績がえられた(気象庁[課題番号:7006])。また,繰り返し性が明確である小繰り返し地震に対しての予測可能性を調査し,2010年までに限れば良好な予測成績が得られることが確認された(気象庁[課題番号:7006],岡田, 2015)。地震活動のデータを用いるにあたってしばしば問題になるのがカタログの精度であるが,カタログの地震捕捉率を時系列で詳細に評価する手法が開発された(東北大学[課題番号:1206],Iwata, 2014)。また,Hi-NetやF-netによってメカニズム解整備が開始される以前の1985-1998年の地震についてJUNECによって取得された波形に基づきM2までを網羅するメカニズム解カタログが作られた(東北大学[課題番号:1206],Ishibe et al., 2014)ことは今後の研究に大きく資する(東北大学[課題番号:1206],Ishibe et al., 2015)と期待される。
長期的な地震の危険度予測において,応力蓄積プロセスは大きな手掛りになると考えられる。地震活動度の高い南アフリカの大深度鉱山において,岩石強度からほど遠くない高い差応力までの絶対応力測定の技術が確立し,実際にM2-3程度の地震を起した断層の周辺岩盤での測定データが数例えられ,また,ひずみ変化の連続データも得られている(立命館大学[課題番号:2401])。

(3)先行現象に基づく地震活動予測

先行現象に基づく地震発生の予測は,たいていの場合,経験的に地震に先行することが多いと思われる異常が観測データに認めれたときに一定の時空間に対してアラームをONにするという形でなされる。観測項目や異常の判定方法は多岐にわたるが,予測の成績自体は予測作成の手法にかかわらず定量評価できるべきものであり,そのための理論的基盤作りを開始した(東海大学[課題番号:2501])。従来,地震予知の世界でよくおこなわれてきた成績評価は,あたったアラームの回数,空振りにおわったアラームの回数,アラームが出ずにおこった地震数などを四分割表にまとめ,予知率や的中率(宇津, 1977)を求めるというものであった。この評価手法が有効であるためには,アラーム(異常)と地震はともに稀にしかおこらず,一つの異常とそれにともなうアラーム期間が終らないうちに次の異常が起ることはないという前提が必要だが,地震先行現象として研究されている多くの観測項目についてこの前提は満たされない。異常が頻繁な(ひとつの異常に引き続いて設定するアラーム期間より異常の発生間隔が短い)場合を考えると,ある地震の先行現象として実質ひと続きの現象であったとしても,四分割表には多数回の異常として算入され,以下に示すように成績評価に偏りを生じ得る。例えば極端なケースを考えると,1週間連続して閾値を超えたデータを1時間ごとに異常判定してアラームをだせば168回のアラームがだせることになる。アラーム期間が異常判定の間隔よりずっと長ければ,この168回のアラームはほとんどがオーバーラップしたものなのに,アラームの回数を任意に水増すことができ,野球にたとえると,1打数1(あるいは0)安打とみるべきものが,168打数168(あるいは0)安打とみなされて,高い有意性(あるいはその逆)があると評価されてしまうのである。異常をどの程度こまぎれに数えるのが妥当かという問いに客観性をもって答えるのは難しい。そこで,異常の回数を数えるという操作を一切行わずに,予測の成績を評価する方法を採用することにした。アラームON-OFF型の予測のアウトプットは,必ずその手法で対象とする時空間の全体をアラームONとOFFの領域に塗り分けた予測マップとして表現できる。実際におこった地震がアラームONとされた時空間を選好する傾向(Zechar and Jordan, 2008)がどの程度あったか,その選好の程度や,それがランダムに(あるいは比較基準とする手法によって)ONとOFFに塗り分けた場合に比べて有意に高いのか,は地震カタログと予測マップから必ず一意に計算できる。この評価法は,気象予測等の評価でよく用いられている。次年度からは具体的なコーディングとケーススタディを行う。また,今年度は,予測期間の中途における予測マップの更新を評価においてどう扱うかについての理論的考察も行った。
以上の評価方法に関する議論では,予測マップがどのような手法で作られたかは問題にしなかった。本当に事前に出された予測を評価するのであればそれを問題にする必要はなく,まぐれでは取れないほどの好成績を収めた手法は本物といってよい。しかし,実際に評価例を増やし有望な手法をみつけるためには,過去のデータに基づいて予測マップを作り,それを過去の地震と比べて評価する必要がある。この場合,予測者は実際にいつどこで地震がおこったかを知っているわけだから,好成績がとれるように予測手法を調整できる。予測手法の改善とは調整を行うことともいえるから,調整を一概に咎めるべきではないが,データから予測マップを作成する手順が恣意的に見えるものであれば,過去を振り返って行われた予測に関しては,仮に好成績を上げても,それがほんものかどうかには大きな疑問符がつく。手順がフェアなものであるかについては当面主観的に判断するしかないだろうが,ひとつのアプローチは(成績は悪くてもよいから)なるべく単純な手順によって予測マップを作るということである。普通,地震予知を研究するものは「なるべくよくあたるノウハウをみつけることが使命である」と考えるから,心理的障壁の高い作業であるがあえてやってみた。日高地方の地震に先行して発生する傾向が主張されているVHF帯電波伝播異常現象(Moriya et al.,2010)について,2012年1月1日から2013年12月31日までの二年間における,えりも観測点での見通し外放送局からの受信電波強度の時系列から,単純な閾値による異常判定を行い,それから一定期間内に地震がおこったかどうか調べたところ,対象をM4.5以上の地震に絞れば,ランダムなリファレンスに比べて約2.5倍地震が発生しやすいという結果がえられた(図4)。まだ,対象時空間をON-OFFにぬりわけた予測マップを作成しておらず,異常の回数カウントに基づくものなので,有意性の評価はしていない(東海大学[課題番号:2501])。
先行現象(候補)を広い範囲にわたって系統的に収拾することは,普通,観測点の設置・維持を伴うから拡充は困難であり,またデータの蓄積を待たねばならない。しかし,大気中ラドン濃度については,もともと放射線管理施設で義務づけられた排気モニタリングデータを使うことができ,かなりの期間にわたって過去のデータも保存されている。そこで,医薬系の施設を中心にデータ収集のネットワークを構築しそのデータを解析している(東北大学[課題番号:1207])。本年度は,新たに5機関がネットワークに加わった。各機関での測定法は必ずしも同じではないが,順次慎重な較正作業を行っており,信頼性の高い計測であることが確認されている。データ解析においては,日変動・年変動を気象要因等に基づく補正でとりのぞいて,その残差を地殻変動と比較すべきものとしてとりだす手法が軌道にのりはじめた(東北大学[課題番号:1207],Hayashi et al., 2015)。残差の変動は電子基準点の水平移動から求めた地域の地殻ひずみ速度のトレンド変化に呼応して起っているようにみえる(図5)が,その対応をきちんと評価するにはいたっていない。一方電磁気異常に関しては,高知県南西部にULF帯地磁気およびVHF帯電波伝播異常の観測点を設置し,同地域にさらにもう一点を設置作業中である(東海大学[課題番号:2501])。また,中断していたVLF帯パルス電磁波観測再開の準備を始め,Asada et al. (2001)の特性を再現する装置(図6)を試作した(東海大学[課題番号:2501])。
三陸地方では,1933の大地震時に数月ほど先行していくつかの井戸で水位低下と混濁がみとめられている(吉村,2004)。五葉温泉では3.11地震の3.5年前からの源泉モニターデータがあり,そこで地震の3ヶ月前に水位と水温が大きく低下し地震発生までその状態が継続していたことがわかった(東京学芸大学[課題番号:2930],Orihara et al., 2014)。このような大きな変動は,データのある3.5年間にこの一度だけであった。また,1933年の地震に先行する変動があった正源寺では1ヶ月前から水位低下したいたこともわかった。仙台市の井戸でもやはり1ヶ月前から水位低下が記録されていたものがあった(東京学芸大学[課題番号:2930])。東北太平洋沖地震に関する先行現象についてまとめたものを論文化した(東海大学[課題番号:2501],Nagao et al., 2014)。
南海地震では過去数回において地震直前(一週間単位)の井戸の水位低下が伝承され,とくに最近回のものについては非常に具体的な証言が多数あり(中村,2009),数mの水位低下が推定されている。これに関しては海岸部の10cm程度の隆起(Linde and Sacks, 2002)で説明できるとする説(梅田・板場,2013)も出されているが,同じ地震で多数目撃された直前(半日程度)の数mまでの海水面低下については,その空間・時間分布が複雑でまだ解釈が提出されていなかった。今年度,目撃証言の補強と仔細な検討によって,振動性の変動があったと考えるべきと結論され,小さな津波が地震に先行して起っていたという解釈が提案された(産総研[課題番号:5007],梅田・板場,2014)。
本震破壊直前(時間オーダー)に極微小な前震が多数,破壊開始点に集中しておこる現象が最近になって存在が明らかになりはじめた(Bouchon et al., 2011, Doi and Kawakata, 2012)。普通の地震カタログでの捕捉率が低いためまだ報告例が少いが,直前の物理的先行現象として大きな可能性を秘めている。波形相関法による検索でみつかることが多いが非常に時間のかかる処理であるため,周波数領域での相関が利用できないか検討を始めた(立命館大学[課題番号:2402])。また,岩石破壊実験において主破壊に先行しておこるAE活動から,波形の類似したイベントのクラスタが検出され,このような現象の物理的意味のヒントとなることが期待される(立命館大学[課題番号:2402],Yoshimitsu et al., 2014)。一方で,従来型の前震活動の原因であると解釈されることもある,空間的に拡大する準静的プレスリップが観察できるような大きな滑り面を用いた室内実験において,前震が活発におこる場合とほとんどおこらない場合が載荷装置の剛性でコントロールされているらしき結果が得られた(図7)。今後の研究によって従来型の前震の物理的理解が進むかもしれない(立命館大学[課題番号:2402],Kawakata et al., 2014, Doi et al.,2014)。また,駿河湾内での微小地震検知能力を向上させるためにOBS観測を実施し,この地域の検知率が大幅に向上した。(東海大学[課題番号:2501],馬場ほか, 2014)。
先行現象である可能性のある地震活動変化としては,本震破壊の近傍時空間に集中する前震以外にも,もっと広域・中期的な静穏化/活発化が従来より検討されている。eMAP法といわれる定量的解析手法を,国内のM7クラス以上の地震を対象に適用してみると,静穏化域の位置,大きさ,先行時間に地震規模との相関がみられた(気象庁[課題番号:7006],吉川, 2015)。また,新たに2015年スマトラ地震(M9.1)の13年前からの静穏化(図8)が見いだされた(東北大学[課題番号:1206],Katsumata, 2015)。このとき静穏化した領域は,本震震源域の深部延長が先行的に長期的スロースリップを起こしていたとすると,応力的な説明がつく。また,3.11地震による2008年岩手・宮城内陸地震の余震の静穏化については,メカニズム解の考察からクーロン応力によると解釈できることが示された(東北大学[課題番号:1206],鈴木ほか, 2015)。一方で,広域・中期的な活動の特徴が,地殻の臨界状態における多体系のふるまいとして捉えられるのではという観点からナチュラルタイム解析というものが提案され,日本全域をまとめてみた地震活動の変化が日本でのいくつかの大地震の前に特徴的な様相を示していたことが指摘されていた(Salris et al., 2013)。今年度は,その特徴的な様相をもたらした地震変化が,そのあとおこった大地震の震源域周辺であったことをデータ解析から示した(東京大学地震研究所[課題番号:2931],Salris et al.,2015)。

これまでの課題と今後の展望

本年度は計画の初年度であったが,多くの研究課題はそれぞれの機関で従前から積み上げてきた研究であり,多くの具体的成果があった。地震発生の予測可能性という問題に正面から取り組んだ成果が多く,計画の意図に非常によく沿った方向での研究がなされている。また,それぞれの専門分野のデータだけでなく,全国で行われたさまざまな他研究の成果やデータとあわせて冷静な検討が行われている課題が多く,全国的な共同研究の中に,地震発生の予測を特に意識した課題を位置付けたことの効果がでているように見受けられる。今後とも,科学的に冷静な視野をもって行なわれる限りにおいては,幅広い可能性を排除せず,また,積極的に他分野の進歩をとりいれて研究を加速することが重要である。

成果リスト

馬場久紀, 平田賢治, 山崎明, 対馬弘晃, 勝間田明男, 前田憲二, 上野寛, 青木重樹, 小林昭夫, 中田健嗣, 木村一洋, 弘瀬冬樹, 藤田健一, 長尾年恭, 自己浮上式海底地震計(OBS)を用いた駿河湾石花海周辺海域における連続地震観測,東海大学海洋研究所研究報告, 36, 2015(印刷中).
Cattania, C., S. Hainzl, L. Wang, F. Roth and B. Enescu, 2014, Propagation of Coulomb stress uncertainties in physics-based aftershock models, J. Geophys. Res., 119, 7846-7864, doi:10.1002/2014JB011183.
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後藤美加子,安岡由美,長濱裕幸,武藤 潤,井原勇人,向 高弘, 2014, 和歌山における大気中ラド ン濃度変動. 第 51 回 アイソトープ・放射線研究発表会 (東京) 2014年7月7日.
Han, P., K. Hattori, M. Hirokawa, J. Zhuang, C.-H. Chen, F. Febriani, H. Yamaguchi, C. Yoshino, J.-Y. Liu and S. Yoshida, 2014, Statistical analysis of ULF seismomagnetic phenomena at Kakioka, Japan, during 2001-2010, J. Geophys. Res., 119, 4998-5011. doi:10.1002/2014JA019789.
Hayashi, K., Kobayashi, Y., Yasuoka,Y., Nagahama, H., Muto, J., Omori, Y., Suzuki, T., Homma, Y., 2014, Anomalous change in the atmospheric radon concentration, Proceedings of the 15th Workshop on En- vironmental Radioactivity prior to the 2011 Tohoku-Oki Earthquake in Japan, p.23-28, Kotaro Bessho, Keiko Tagami, Koichi Takamiya and Taichi Miura (eds.), held at KEK, Tsukuba, Japan March 6-8, 2014, High Energy Accelerator Research Organization, November 2014, Tsukuba, 391p.
林 孝積,小林由布香,安岡由美,長濱裕幸,武藤 潤,大森康孝,鈴木俊幸,本間好,山本文彦,高橋 克彦,向 高弘, 2014, 東北地方太平洋沖地震に先行する大気中ラドン濃度異常変動 第 15 回「環境放射能」研究会, 2014年3月7日.
Hayashi, K., Yasuoka, Y., Nagahama, H., Muto, J., Ishikawa, T., Omori, Y., Suzuki, T., Homma, Y., Mukai, T., 2015, Normal seasonal variations for atmospheric radon concentration: A sinusoidal model. Journal of Environmental Radioactivity (J. Environ. Radioact.), 139, 149-153.
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