プレート境界型地震の発生機構の解明

平成20年度年次報告

課題番号：1201

（1）実施機関名：

　東北大学大学院理学研究科

（2）研究課題（または観測項目）名：

　プレート境界型地震の発生機構の解明

（3）最も関連の深い建議の項目：

　1．（2）ア．プレート境界における歪・応力集中機構

（4）その他関連する建議の項目：

　1．（2）エ. 地震発生サイクル
　1．（3）ア．断層面上の不均質性

（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：

　5ヶ年の到達目標は、主として日本海溝沈み込み帯におけるプレート境界地震のアスペリティと準静的すべりの状況を把握し、プレート境界型地震の発生過程を詳細に解明することにある。
　GPS観測データからプレート間すべりの時空間分布を推定する際の分解能向上を進めるとともに、小アスペリティの破壊の規則性と複雑性を考慮することにより、相似地震解析によるプレート間すべり量の推定精度の向上を果たし、従来よりも高精度・高分解能のプレート境界面上における固着・すべり分布を得る。さらに、海域における海底地震観測とそのデータ解析を継続して進め、さらにsP depth‐phaseを援用することにより、千島・日本海溝のプレート境界地震発生領域における地震波速度構造の全貌を解明し、上記で得た固着・すべり分布との比較から、プレート間の固着・すべり状態を規定する地震学的構造上の要因の特定を図る。

（6）平成20年度実施計画の概要：

　東京大学・気象庁などと共同して日本海溝周辺において海底地震観測・人工地震探査を実施し、また、sP depth‐phaseデータを用いて、海底下の地震の震源を広域に再決定する。これらの結果から、太平洋スラブ内を含むプレート境界地震発生域の3次元地震波速度構造のイメージングを進める。また、沈み込みを開始する前の太平洋プレート内の不均質構造の解明を目的として、海溝海側領域における地震観測を前年度に継続して行う。
　増強整備が進んだ陸上GPS観測網のデータと従来の観測点およびGEONETのデータとの併合解析をすすめる一方、詳細な小繰り返し地震の解析により、現在の相似地震のスケーリング則の検証を行う。

（7）平成20年度成果の概要：

　平成19年度に日本海溝の軸部付近の陸側斜面および海側斜面において、エアガンと海底地震計を用いた人工地震探査を、東京大学、北海道大学、九州大学、千葉大学と共同で実施した。探査測線は海溝軸に平行で、海側80kmと陸側20km に位置する。平成20年度はエアガンの観測記録を用いて屈折法により2次元地震波速度構造を求めた。得られた最上部マントルの平均P波速度は海溝海側7.9km/sに対し、陸側では7.7km/sであった。この値は、陸側でのP波速度は北西太平洋海盆で得られた～8.2km/s（Shinohara et al., 2008）に比べて有意に小さい（図1）。このような沈み込みに伴う最上部マントルの速度の低下の要因として、最上部マントルの橄欖岩の蛇紋岩化が考えられる。マントル物質の蛇紋岩化に必要な水の供給経路として、アウターライズよりも陸側に分布する地塁・地溝構造を形成する断層が考えられる。速度異方性を無視して、P波速度の低下率から最上部マントルにおける蛇紋岩化率を推定すると、体積百分率で8～13％程度であり、この場合の最上部マントル中の水の重量パーセントを2％程度と見積もることができた。

図1　海溝軸からの距離による最上部マントルの平均P波速度。ITおよびORは本課題における陸側および海側側線の結果を示す。WP-2はShinohara et al.,（2008）による結果を示す。

図2　 （a） 小繰り返し地震データより推定された、2008年7月19日～7月31日のプレート境界上の準静的すべりの分布。黒い矩形は仮定した余効すべりの断層面。（b）　2008年7月の宮城県沖の桃色で示した矩形領域での余効すべり（青色）および、KNK観測点で観測したひずみ変化（赤色）。

　2008年7月19日に福島県沖で発生した、M6.9のプレート境界地震について、小繰り返し地震、体積ひずみ計の2つの方法でその余効すべりを捉えた（図2）。両者の時系列は、とてもよく似ており、同じ現象を捉えていると考えることができる。そこで、相似地震のスケーリング則の検証を行うため、両者を量的に比較した。小繰り返し地震データに基づき余効すべりが発生した領域、すべり量を設定し、観測点で期待されるひずみ変化と比較した結果、今回の場合、小繰り返し地震により推定した余効すべりは、実際の1/4程度に過少評価されている可能性があることがわかった。今後このような比較事例を増やすことで、相似地震のスケーリング則の高度化が期待される。
　sP depth‐phaseを用いて日本海溝から東北地方の太平洋沿岸までの約800個の海底地震を精度よく震源決定し、これらの海底地震と陸域下の約5000個の地震からのP波とS波の走時データ約26万個を使い、日本海溝から日本海沿岸までの東北日本弧全域の3次元P波とS波速度及びPoisson比の構造を推定した（図3）。その結果、前弧域下におけるプレート境界型大地震の空間分布と速度構造不均質と顕著な相関が見られた。また、島弧マグマに関係する低速度異常体はmantle wedge に鮮明にイメージングできた（図3）。

図3  断面ＡＢに沿うＰ波速度（a）,  S波速度（b）とPoisson比（c）の深さ分布。赤色は低速度と高Poisson比を、青色は高速度と低Poisson比を示す。白丸は断面から15km以内の地震を示す。

 

（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

　三品正明・立花憲司・三浦哲，孔井式歪計によって観測された福島県沖の地震に伴った余効変動 （2009），北海道大学地球物理学研究報告，72，印刷中
　Zhao, D., Z. Wang, N. Umino, A. Hasegawa （2009） Mapping the mantle wedge and interplate thrust zone of the northeast Japan arc. Tectonophysics （in press）.

（9）本課題の5ヵ年の成果の概要：

　準静的すべり域の状況を把握する目的で、日本海溝および千島海溝沿いのプレート間で発生する小繰り返し地震（相似地震）の解析を行い、1993年7月～2005年1月の準静的すべりの時空間変化を推定した。2003年十勝沖地震（M8.0）前の約10年間については、日本海溝沿いの深部（深さ50km程度）に存在する相似地震グループからは、比較的速いすべりレート（10cm/year程度）が推定されたのに対し、2003年十勝沖地震の震源域を含む千島海溝沿いでは、全域で比較的低いすべりレート（5cm/year以下）が得られた。2003年十勝沖地震の震源域近くにおいては、本震後相似地震活動が活発化し、準静的すべり（余効すべり）が推定された。そのすべり量は本震アスペリティの海溝側や東側で比較的大きい。2003年十勝沖地震後の準静的すべりの加速は、2004年11月29日にM7.1の地震が発生した根室半島沖付近まで達しており、準静的すべりの加速がこの地震の発生時期に影響を与えた可能性も考えられる。また、過去に発生した小繰り返し地震について詳細な再解析を行った結果、同一アスペリティが周囲の準静的すべりのすべり速度等の変化により、通常の単純な繰り返しとは異なる破壊様式を示しうることが明らかとなった。
　2008年7月19日に福島県沖で発生した、M6.9のプレート境界地震について、小繰り返し地震、体積ひずみ計の2つの方法でその余効すべりを捉えた。相似地震のスケーリング則の検証を行うため、両者を量的に比較した結果、この地震に関して小繰り返し地震により推定した余効すべりは、実際の1/4程度に過少評価されている可能性があることわかった。今後このような比較事例を増やすことで、相似地震のスケーリング則の高度化が期待される。
　GPS観測網のデータを用いた解析では、2003年10月31日の福島沖の地震（M6.8）、2003年十勝沖地震（M8.0）プレート境界で発生した大地震に伴う余効すべりを推定した。特に、2003年十勝沖地震（M8.0）にともなう余効すべりの時空間分布を求めた結果、余効すべりは本震の破壊域から南西・北東方向に伝播したことが分かった。さらに十勝沖地震の震源域の東端から約100km離れた釧路沖において、2004年11月29日と12月6日にそれぞれ発生したM7.1、M6.9のプレート境界地震を、北東側に進展した余効すべりが誘発した可能性を示した。また本震発生以前の2000年6月から2003年8月までのGEONET観測点における変位3成分の時系列からすべり欠損分布の時間変化を求め、2003年十勝沖地震が1952年の地震の再来であると仮定して、1952年以降に蓄積されたすべり欠損量を求めた。その結果、2003年十勝沖地震では51年間に蓄積したすべり欠損のほとんどを解消したことが分かった。すなわち、十勝沖地震に関してはアスペリティモデルが良く成り立っていることを示した。
　宮城県沖においては、「宮城県沖地震パイロット的重点調査観測」との連携の下、人工震源を用いた探査を、東大・北大・千葉大・九大・海洋研究開発機構と共同して実施した。これらの観測に基づき、根室沖、青森沖、三陸沖、宮城沖および福島沖において、広域の地震波速度構造に関する研究を行った。
　青森県沖のP波速度構造では、1968年十勝沖地震のアスペリティのうち、1994年には破壊しなかった北西側のアスペリティの範囲でプレート境界直上のマントルウエッジ部分が周囲に比べ高速度であった。三陸沖においては、従来の研究で指摘されてきたような、非地震すべりの卓越域とアスペリティの棲み分けと対応する地震波速度構造を明らかにした。特に、1989年および1994年三陸沖はるか沖地震のアスペリティ（Yanamaka and Kikuchi, 2004）の広がりは、プレート境界において沈み込む海洋性地殻と島弧下部地殻が接している部分と良い一致が見られた。また、宮城県沖地震の震源域から福島県沖についても、プレート間地震のアスペリティの分布に対応するような地震波速度構造不均質を見いだすことに成功した。1978年および2005年の宮城県沖地震の破壊域の範囲では、プレート境界上盤側のマントルウエッジ内の地震波速度は隣接する南北の領域に比べて高速度であった。一方で、沈み込む海洋性地殻には、地震の破壊開始点の近傍で高Vs異常域が存在することを示した。このようにプレート境界地震のアスペリティとマントルウエッジの高速度域との対応関係は青森沖から福島沖にかけて見られることから、プレート境界型地震のアスペリティに共通する特徴である可能性が高い。
　日本海溝の軸部付近の陸側斜面および海側斜面において、エアガンと海底地震計を用いた人工地震探査を行った。屈折法により求めた最上部マントルのP波速度は海溝海側7.9km/sに対し、陸側では7.7km/sであった。この値は、陸側でのP波速度は北西太平洋海盆で得られた～8.2km/s（Shinohara et al., 2008）に比べて有意に小さい。沈込みに伴う最上部マントルの速度の低下の要因として、最上部マントルの橄欖岩の蛇紋岩化が考えられる。マントル物質の蛇紋岩化に必要な水の供給経路として、アウターライズよりも陸側に分布する地塁・地溝構造を形成する断層が挙げられる。P波速度の低下率から最上部マントルにおける蛇紋岩化率を推定すると、体積百分率で8～13％であり、この場合の最上部マントル中の水の重量パーセントは2％と推定された。
　太平洋沿岸の海底下で発生した地震についてsP depth‐phaseを用いて震源決定し、これらの海底地震と陸域下の地震の走時データから日本海溝から日本海沿岸までの東北日本弧全域の3次元P波とS波速度及びPoisson比の構造を推定した。その結果、前弧域下におけるプレート境界型大地震の空間分布と速度構造不均質と顕著な相関が見られた。また、島弧マグマに関係する低速度異常体はmantle wedge に鮮明にイメージングできた。

（10）実施機関の参加者氏名または部署等名：

　藤本博己・趙大鵬・松澤暢・三浦哲・日野亮太・伊藤喜宏・内田直希・他
　他機関との共同研究の有無：有
　北大・東大・千葉大・九大・海洋研究開発機構・海上保安庁　約40名

（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：東北大学大学院理学研究科　地震・噴火予知研究観測センター
　電話：022‐225‐1950
　e‐mail：zisin‐yoti@aob.geophys.tohoku.ac.jp
　URL：http://www.aob.geophys.tohoku.ac.jp/