金曜日セミナーのトップへ戻るFollowing the pioneering work of Seno and Yamanaka (1996), we further explore the effects of intraplate oceanic ('hot spot') magmatic processes on the physical mechanism for seismogenic failure in the lower zone of double seismic zones. At the active end of the Hawaiian hotspot volcanic chain, mantle earthquakes occur to depths of 60-70 km with a peak in occurrence at 30-40 km below the seafloor an magnitudes to 6.2. Compelling evidence from measurements of the compositions of gases emitted during eruptions and gases trapped in ultramafic xenoliths brought up by Hawaiian magamas indicates that CO2 is the dominant secondary magmatic fluid and water is thought to be largely recycled meteoric water or seawater from sediments. Wishire and Kirby (1989, Tectonophysics) have argued that such mantle earthquakes are facilitated by CO2 released from ascending mafic magmas. As the CO2 trapped along fractures and faults cools with plate cooling, olivine is expected to react with CO2 to form the mineral magnesite. In the present paper, we propose that during subduction, earthquakes in the lower zone of the double seismic zone under Tohoku are facilitated by the release of CO2 during shear heating of weak magnesite in faults and fractures.
地震とは，地球内部の質量分布の再配置ということでもあり，それは地球の重力ポテンシャルに永久的な変化をもたらす．したがって，地震の前後で，重力加速度の値に微小な変化が発生するはずである．こうしたコサイスミックな重力変化は，いくつかのイベントについて地震前後の重力測定から実際に検出され（Tanaka et al., 2001），ディスロケーション理論（Sun & Okubo, 1993, 1998）に基づいた計算値とよく一致していることが示されている．
2003 年 10 月 26 日の十勝沖地震（ Mw8.0 ）は，この効果が重力連続観測によって明瞭に検出された最初の例となった（Imanishi et al., 2004）．国内 3 か所（江刺・松代・京都）の超伝導重力計観測点における重力変化の理論的予測値は 1 マイクロガル以下という微小量であったが，超伝導重力計による観測結果は予測値をほぼ正確に再現した．このことは，超伝導重力計ネットワークによる精密重力観測が，他の観測手段と組み合わせることにより，地震断層パラメタの推定などのテクトニックな問題にも応用できる可能性を示している．
南海トラフ沿いのプレート境界大地震は、９０年から１５０年程度の発生間隔で繰り返し起こってきたことが歴史資料等により知られている。また地震の起こり方は毎回同じではなく、紀伊半島を境にして東西で別々のM8クラスの地震が１日から２年の間隔を置いて起こることもあれば、東海から四国までで一つの地震として起こることもある。このような巨大地震の発生間隔のゆらぎや連動が偶発的なものではなく、そのメカニズムを我々が知ることができれば、次の南海トラフ沿いの巨大地震の発生時期や規模、その発生までの過程で起こる現象を予測する手がかりを得ることができる。
本研究では、岩石実験にもとづいた摩擦法則に従う摩擦特性をプレート境界面が持つと仮定し、プレートの沈み込みを境界面での一定速度の食い違いでモデル化して大地震発生サイクルの数値シミュレーションを行った。また、摩擦特性の不均質分布をプレート境界面の深さ等に従って与えた。その結果、南海トラフ沿いの巨大地震発生パターンが定性的に再現されるとともに、地震間に蓄えられた歪みが地震で完全には解放されない場合に、繰り返し間隔のゆらぎや連動・非連動が生じることがわかった。
Knowledge of the seismic structures at the top of the Earth's inner core is important for deciphering the physical process responsible for the inner-core growth. Previous global seismic studies have focused on structures 100 km or deeper within the inner core. In this presentation I will present constraints on seismic velocity and attenuation variations just beneath the inner-core boundary, derived from differences in the travel time and waveform between waves reflected at the inner-core boundary and those transmitted through the inner core.
We found a surprising difference in both seismic velocity and the attenuation at the top of the inner core between the EASTERN and WESTERN hemispheres. Seismic waves travel faster in the EASTERN hemisphere than they do in the WESTERN hemisphere. More intriguingly, the velocity and attenuation appear to be anti-correlated in the top of the inner core, with the faster hemisphere having higher attenuation. I will discuss possible interpretations and implications of this hemispherical difference in velocity and attenuation.
東京首都圏を擁する関東地域は，丹沢・伊豆半島の衝突と海溝三重点に挟まれた特異な地域である．そのため想定被害地震のタイプも多種多様である．ただし，これらは現在用いられている石田（1992）のプレート構造によるところが大きく，構造が変われば地震シナリオも見直されるべきであろう．
本研究では， 3 次元震源分布・地震波減衰構造等の再検討を通じて，以下のような新しいプレート構造を提案を行う．
1995 年以降、多くの地球ダイナモシミュレーションにおいて地球磁場の特徴（卓越した双極子成分、逆転等の時間変動）を定性的に再現されてきた。しかし、地球磁場の起源である外核における対流は外核の形状の空間スケール (L=1000km) から、境界層における拡散のスケール (L=0.1m) までの多様な空間スケールを持つと考られており、地球ダイナモシミュレーションにおいてはこの広い空間スケールを直接取り扱うことは、現在はもとより、近い将来についても不可能であると考えられる。このため、ダイナモシミュレーションを実施する際には、このため、大きなスケールの現象に着目し、空間解像度以下の小スケールの現象大規模な速度、磁場に与える影響をモデル化することが必要となる(SGSモデル)。さらに、外核で予想されるレイノルズ数（慣性項と粘性の比）は10^8のオーダーに達すると考えられる一方、外核の対流には非線形項である電磁気力が大きな役割を果たしていると考えられるため、電磁気力に対しても SGS モデル化が必要と考えられる。
ほとんどのダイナモシミュレーションにおいては、この乱流のモデル化に対して一様な乱流粘性や、Hyper diffusivity を用いてシミュレーションを実施してきた。しかし、外核内の対流は、自転軸及び、磁場の方向に大きなスケールの構造が形成されることが予想されるために、等方的な乱流粘性モデルでは充分に乱流の影響をモデル化できないことが考えられる。
我々は、ダイナモシミュレーションに対するより現実的な SGS モデルを構築するため、Sub-grid scale の乱流の影響と、表現可能な小スケールの現象が与える影響との相似性を仮定した Similarity モデルの一種である、Gradient モデルをダイナモシミュレーションに適用した。本モデルでは、 MHD 方程式系の 4 種の非線形項に対応する SGS 項を基礎方程式に追加し、回転系における水平平板モデルを用いて、高解像度の直接シミュレーション (Resolved DNS)、低解像度の直接シミュレーション (Unresolved DNS) 及び SGS 項を適用した Large Eddy Simulation (LES) を実施し、本モデルの妥当性を検討した。その結果、Resolved DNS の場合には存在しなかった小スケールの構造が Unresolved DNS の場合には観測されたのに対し、 LES の場合には Resolved DNS の場合の結果に類似した速度場、磁場の空間構造が得られた。
このことから、本モデルは基本的に Sub grid scale の現象を再現することが可能であると考えられる。
大地震が起きるたびに，震源近傍の記録は「地震スケールで起きてもよい現象とその限界」を教えてくれる．Super-shear rupture や永久変位に関する理解，Dc の直接推定法の提案などは，高密度観測に裏打ちされていると言っても過言ではないだろう．
最近では，大スケール現象の高分解能表現を得意とする強震動解析によって，絶対応力場の推定も試みられるようになり，「すべり終ったアスペリティは，次のアスペリティとしてまた振舞えるのか？」という地震学的な問題についても解決の糸口を与えつつある．
発表では，広範囲高密度観測の波形解析による震源過程の直接的描像や，震源物理が拘束できる地震動の上限値などの題材をもとに，強震動解析から見た震源物理／震源物理から見た強震動解析，双方のブレイクスルーについて展望を述べる．
The high resolution and low noise level of superconducting gravimeters (SGs) data at frequencies less than 1 mHz have allowed the high quality observation of the degree harmonic two seismic mode 0S2, the so-called “football mode”, and the first detection, by stacking, of the degree one seismic mode 2S1 after the Mw = 8.4 Peru earthquake that occurred on 2001 June 23rd (Rosat et al.,GRL, 2003).
The recent Sumatra-Andaman earthquake of magnitude Mw > 9 on 2004 December 26th has strongly excited the low-frequency seismic modes and, in particular, the degree one 2S1 mode is observed for the first time without any stacking. This mode corresponds to the first overtone of the sub-seismic mode 1S1, the so-called Slichter triplet (Slichter, Proc. Nat. Acad. Sci., 1961).
The core-sensitive mode 3S2 and the fundamental radial mode 0S0 were strongly excited. This means that the earthquake radiated energy preferentially towards the core.
The possibility that this huge earthquake has triggered the translational motion of the inner core to a significant level to be observed on the Earth’s surface is discussed. We also show high-resolution analyses of the gravest seismic modes using time-varying gravity data recorded on the Earth’s surface by the SGs of the Global Geodynamics Project (GGP) and the SG installed at Kamioka (Japan).
The seismic normal modes of frequency less than 1 mHz, which are related to the whole Earth, are one way to improve the density profile inside the Earth without any trade-off with elastic parameters as their frequency splitting is directly linked to the 1D density structure (Widmer-Schnidrig, BSSA, 2003). Moreover their splitting possesses high sensitivity to the 3D density structure in the Earth’s mantle and core, so their observation can also help to constrain the Earth’s lateral density structure.
マイクロサイスムは、地震波の観測当初から知られていました。その研究の歴史は７０−８０年になります。このセミナーでは
をレビューをまじえながら報告します。
The 26 December 2003 Mw 6.5 Bam (Iran) earthquake killed more than 26000 people and destroyed about 80% of the building stock in the city. No large earthquakes are known to have happened in Bam prior to the 2003 event.
In this study we use Envisat-1 InSAR data and broadband teleseismic recordings to determine the source parameters for the Bam earthquake. The Envisat-1radar interferograms provide almost a complete picture of the coseismic surface deformation in this earthquake, both the pattern in areas away from the fault and the fine details near the fault rupture. We use radar data acquired from both ascending and descending orbits, which is important for reducing trade-offs between estimated model parameters. The teleseismic P-and SH-waveform data come from 16 broadband seismic stations of the IRIS and GEOSCOPE worldwide seismic networks. Our results show that tele-seismic solutions of the spatially variable slip in the Bam earthquake are clearly inconsistent with the observed InSAR data, which points to the importance of using these data together in interpretations. The effective fault length and width are about 15 and 10 km, respectively, suggesting a rather compact, high-stress drop event.
近年のマントル電気伝導度構造研究の重要なキーワードは「水」である。オリビン中に溶解した水素イオンが電気伝導度を大きく引き上げることは理論的に予測されている(Karato,1990)。ただしそれは室内実験では未だ実測されていない。
しかしながら、東太平洋海膨における MELT (Mantle Electromagnetic and Tomography experiment; 1996-1997) 実験で得られた海底MTデータの再解析は、「電気伝導度異方性」と「部分溶融」というキーワードを加えて、マントル中の水の存在とその電気伝導度構造への影響をより強く示唆するとともに、地震学的研究やダイナミクスモデリング研究と合わせて、東太平洋海膨拡大のダイナミクス解明に大きく貢献した (Evans et al., 2005; Baba et al., 2005)。
本発表では、まず「水」「電気伝導度異方性」「部分溶融」の 3 つのキーワードがどのように関連し、マントルダイナミクスの議論に用いられているのかをMELT実験データの研究成果を通して紹介する。
海底電磁気探査によるマントルダイナミクス研究の次なるステップは,観測対象を広げ、「水と電気伝導度の関係」を通して個々の海域におけるマントルの特徴をまとめ、一般化することである。
現在３つの海底電磁気観測計画が、(1) 中部マリアナ海域、(2) 北フィリピン海、(3) 北西太平洋で進行中である。
これらは個々の研究がそれぞれ重要な地学現象の解明を目標としていると同時に、MELT実験で強く示唆された水の影響が
へも拡張可能であるかどうかを検証する上で絶好のフィールドを対象としている。
このうち北西太平洋における実験は、最近になって注目されつつある、プレート境界ともホットスポットとも関連しない新種の火山活動「プチスポット」の実態と成因の解明にむけた地球物理学・地球化学総合観測計画の一翼を担うものである。
本発表の後半では、プチスポット研究に対する海底電磁気探査の取り組みと最新の成果を紹介する。
2004 年スマトラ沖地震の破壊域は南北約 1000 km にも及び、地震によって発生した大津波はインド洋各国に甚大な被害を与えた。津波は断層運動による海底の地殻変動によって発生するので、津波の規模は地震破壊域の広さに依存する。それでは、この「破壊域の広さ」は一体何に支配されるのだろうか。この問いに答えるには、地球物理学的な探査や調査が豊富である南海トラフが最良の場所である。そこで、発表者は過去に南海トラフで発生した 1944 年東南海・ 1946 年南海地震に注目し、津波波形インバージョンをもちいて、それらの震源過程を詳細に検討した。その結果、 1944 年東南海・ 1946 年南海地震の破壊域は、プレート境界面の不整形形状や、プレート境界面から派生する分岐断層などとよい相関がみられた。
Great advances in understanding of the complex Earth system as well as in computational tools, permitting accurate numerical modelling and forecasting, are transforming the geoscience. These advances have a strong impact on the studies of geohazards and show significant potentials to be applied to serve the sustainable development of society. Specific representation of seismic hazards is derived from primary models of geodynamics, stress generation, earthquake occurrences, strong ground motions and based on the recognition of earthquake-prone nodal areas and probabilistic earthquake predictions. A computational approach to the following problems will be discussed during the seminar:
ここ 10 年ほどの数値計算理論と計算機環境の目覚しい進歩のもと 3 次元電気伝導度構造のモデリングが行われるようになり、従来から指摘されていたように1次元構造解析のみによる解釈の欠点が浮き彫りになってきた。今まさに3次元電気伝導度構造解析が本格化する節目の時期にあたっている。
このことは電磁気的な不均質構造がわかるという以上に、他の地球科学的な構造と対等に比較できるようになるという点でその意義は大きい。
これを火山の理解に適用するには、計算技術もさることながら、観測もそれに見合った体制を整える必要がある。特に電磁気的な探査が得意とする、熱異常や流体の存在といった火山の特徴的な構造をいかにとらえるかが今後求められることになる。
発表では、これまでの業績紹介に加え、 9 、 10 月に行われた浅間山電磁気構造探査や無人ヘリによる空中磁気測量試験などについても内容紹介をおこない、今後の研究方針をお話しする。
我々の研究室では、熱対流や破壊、粉体の摩擦などを題材に非平衡・非線形系の研究を行っている。そこでの興味は、対称で均一な系が動的不安定性により、どのように対称性を破り不均一になるのか、またその時に現れるコヒーレント構造や特徴的なダイナミクスは一般にどのようなものであるか、さらにゆらぎや変動の特徴はどう表されるかという点である。セミナーでは、最近のこの分野の動向も含めて地球科学に関連すると思われる話題を中心に議論する。
米国ユタ州のキャニオンランズ国立公園ニードルズ地区は、顕著に発達した正断層群とグラーベンで知られている。その特異な地形の成因の解明や断層間相互作用の観察を目的として、構造地質学的な研究が従来から行われてきた。しかし、主として現場へのアクセスの問題のために、いま現在進行中の地殻変動の実態はまったく分かっていなかった。ここでは、干渉合成開口レーダー(干渉SAR)を用いて、ニードルズ地区で進行中の地殻変動を検出したことを報告する。
現在日本列島には防災科学技術研究所・気象庁・大学などにより，高密度に高感度および広帯域地震計が設置されている．ここでは，これらの観測点で得られる地震波形データを利用し，相似地震活動の解析および地殻構造推定を行った結果を紹介する．まず，各観測点で得られる地震波形の相似性を基に日本列島とその周辺で発生する相似地震を抽出し，その活動の時空間分布の特徴を調べた．プレート境界で定常的に繰り返す相似地震はその周辺域の準静的すべりに対応していると考えられる．解析の結果，このような地震は東北日本沈み込み帯では広く分布しているが，西南日本地域ではほとんど存在せず，多くはプレート内部でバースト的に発生するのみであることが明らかとなった．次に，遠地地震を用いたレシーバー関数解析を日本列島下のいくつかの地域で行い，地殻・最上部マントルの地震波速度構造の推定を試みた．モホ面の深さは海岸付近で浅く山地で深くなっていた．この傾向は従来の研究から得られている結果と一致している．ただし，厚い堆積層の影響がある地域や，明瞭な変換波が見えない観測点下の深部構造の推定にはまだ検討の余地がある．
Lava dome eruptions commonly display fairly regular alternations between periods of high and low or no activity with time scales typically of weeks to years and sudden transitions between effusive and explosive activity. We develop a transient model of the magma flow in a volcanic conduit from an open-system magma chamber with continuous replenishment. The model incorporates gas exsolution, bubble growth, gas escape through the magma and decompression induced crystallization and considers variations in magma temperature, water content, conduit diameter, phenocryst size, chamber volume and magma rheology. Calculations show the presence of periodic variations in discharge rate due to the transition from a stable regime, when discharge rate is low and crystals grow efficiently leading to high magma viscosity, to another stable state, when discharge rate is high and crystallization is negligible. The difference in discharge rates between these regimes can be several orders of magnitude; periods are similar to the observed time scales and mainly depend on the chamber volume. The system shows strongly nonlinear responses to the variation of governing parameters. If magma has a Bingham rheology pauses in discharge rate occur between peaks of discharge which are much higher than for the case of Newtonian rheology.
Large changes in discharge rate and eruptive behaviour can occur as the consequence of small changes in magma temperature, water content, phenocryst size distribution or conduit diameter.
伊豆・小笠原列島の南端に位置する小笠原硫黄島は、最近数百年間の隆起量が約 120 m という隆起率が非常に大きいカルデラ火山である。この変動はイタリアの Campi Fregrei や米国の Long Valley Caldera と同様、カルデラ形成後の Resurgent doming と考えられている。このような大変動の原因を理解することは、科学的興味のみならず、噴火の危険性を評価する火山防災のためにも重要である。硫黄島の変動を把握するため、防災科学技術研究所では約30年間にわたって測量を行ってきた。ここでは測量結果からわかった変動の様子と 1998 年以降の重力測定結果およびこれらの観測から考えられる硫黄島の地殻変動源について、最近の成果を紹介する。
測量結果から硫黄島には 2 種類の主要な変動パターンがあることがわかった。一つは硫黄島中央部の定常的な沈降（収縮）で、この沈降域の周囲を定常的な隆起域が取り巻いている。二つ目は 10 年に 1 回程度発生する島全体に及ぶ大規模な隆起変動である。 2001 年から 2002 年に発生した大規模隆起では、島内で最大約 1.6 m の隆起が観測された。これに伴う島内の相対的な重力変化は、地殻変動に関与した物質の密度が 1100〜1700 kg/m3 の範囲であることを示しており、密度はやや低いがマグマの関与を示唆している。まだ予備的な段階のモデル化であるが、硫黄島の地下のマグマシステムについて議論する。
Based on the superposition of seismic waves and the Central Limit Theorem, we have laid the basis for a unified picture of earthquake variability from its recording in the ground motions to its inference in source models (Lavallee and Archuleta, 2003, 2005; and Lavallee et al., 2006). This theory stipulates that the random properties of the ground motions and the source for a single earthquake should be both distributed according to a Levy law. Furthermore, using these two principles, one can show that the frequency of large, spatially-varying slip values is related to the frequency of large amplitudes in ground motion by a single parameter the Levy index.
The 2004 Parkfield earthquake is the best-recorded earthquake in history for the density of near-source data. It provides an ideal candidate for evaluating and validating the theory discussed above. For this purpose, we used a source model computed for the Parkfield earthquake by Custodio et al. (2005). We compiled the parameters of the stochastic model of the source and compared to the random properties of the peak ground acceleration (PGA). As predicted by the theory, we found that the tails of the probability density functions (PDF) characterizing the slip and the PGA are governed by a parameter, the Levy index, with almost the same values close to 1. The PDF tail controls the frequency at which extreme large events can occur. These events are the large stress drops-or asperities-distributed over the fault surface and the large PGA observed in the ground motion. Our results suggest that the frequency of these events is coupled: the PDF of the PGA is a direct consequence of the PDF of the asperities. As far as we know, this is the only model available that unifies the statistical properties from the source to an important parameter (PGA) of the ground motions. The results obtained for the 2004 Parkfield earthquake are in good agreement with our investigation of the random properties of the source model and PGA of the 1999 Chi Chi earthquake.
今後の地震予知研究の発展について希望的観測を述べる．東海地震はプレスリップを捉えることによって予知しようとしているが， 2003 年十勝沖地震の際にはプレスリップが捉えられなかった．プレスリップを捉えられるようにするために地殻変動の観測精度を上げる努力を続けることは重要である．
しかし，他の可能性についても研究者が萌芽的なアイデアをいくつも出し，そのうちの一部を実らせよというスタンスで研究を進めていくことも重要であろう．セミナーでは，現時点では有効かどうか全く自信がないが，ひとつのアイデアを提案する．また，数値シミュレーションによる地震発生直前予測の思考実験を行い，どのような研究を重点的に推進していくべきか議論する．
地球のマントルの深部特に下部マントルについてこれまで地震学的に分かっている観測事実を最初に概観します。そして地震波トモグラフィーに代表される地球物理的な手法で描かれたマントル深部の姿と、中央海嶺やホットスポットの火山岩について行なわれた多様な地球化学的研究の結果を統一的に説明しようとした近年のいくつかのモデルについてレビューします。
次に、下部マントルの構造に関して近年新たに加わった地震学な情報源である地震波の散乱体について、最新の知見を紹介します。そして地震波の散乱体となる比較的小規模（10km程度）の不均質な構造が下部マントル中央において広範に分布している様子を示し、マントル深部にそのような不均質構造をもたらす機構、および地球深部の諸モデルとの関連について議論します。
マントル深部の対流は物理的考察から必然的に起こっているとされますが、その詳しい様子については、地球物理学的な手法による確かな観測的制約は未だ少ないのが現状です。講演の最後に、マントル深部の対流による岩石の変形を我々はどのように診ることができるかという観点に基づいて行なった最近の地震波形のアレイ解析結果を紹介します。