大地震の発生過程

加藤愛太郎 and Yehuda Ben- Zion(University of Southern California, Los Angeles)

Nature Reviews Earth & Environment, https://doi.org/10.1038/s43017-020-00108-w, (2020).

https://rdcu.be/caT5j  (オンライン アクセス可能)

地震は,地下で断層がずれ動くことで発生します。大地震がどのように発生するのか,つまり,断層がどのようにして動き出すのかという基本的な問題は,長年の間,謎のままです。大地震が始まる過程は,異なる時間・空間のスケールで進行する変形が関与しているため,とても複雑であり多様性にも富んでいます。本総説では,最近の観測・理論・実験的研究の成果をもとにして,大地震の発生過程について統合的なモデルを提案しています。

まず,前震と呼ばれる大地震の発生直前に近傍で生じる地震活動に着目して,既往研究により提唱されてきた3つの地震発生モデルの特徴をまとめています。次に,地震・測地データの分析により,いくつかの大地震(2019年リッジクレスト地震など)の発生前(数年前)に見られた,地下の広域変形が震源域周辺へと徐々に集中(局在)化した例を示しました。大地震の発生直前においては,移動を伴う前震活動やスロースリップが同時に発生することで,断層面近傍に変形の集中(局在)化が進み,大地震の発生を促進した例(2011年東北地方太平洋沖地震や2014年チリ北部地震など)についても議論しています。このプロセスは時間とともに段階的に進む点が特徴です。そのため,変形だけを見ていても,大地震の精度の高い直前予測は難しいことを意味します。この特徴は,断層のずれがなめらかに加速的に増加するという既往モデルの再考の必要性を提示しています。天然の断層はギクシャクとした断続的な動きをしやすく,力が十分たまっていれば小さな前震(破壊)でも大地震を引き起こすことが考えられます。

論文の後半では,スロースリップと地震発生の関連性に加えて,不均一の強い構造をもつ断層面を用いた近年の室内実験や理論研究にもとづいて,大地震発生に至るプロセスの多様性について議論しています。最後に,大地震に至る過程の多様性を説明できる統合的な地震発生モデルを提案するとともに,大地震の発生過程を理解する上で不可欠な今後の研究の見通しについて述べています。

図: 大地震の発生過程を示すモデル。(a) 地下の広域変形が,(b)震源域周辺へと徐々に集中(局在)化し,(c) 大地震の発生直前に前震活動やスロースリップが同時に発生することで,断層面近傍に変形の集中(局在)化が進み,大地震の発生が促進される。

日本海における確率論的津波ハザード評価

Iyan E. Mulia, 石辺岳男(地震予知総合研究振興会), 佐竹健治, Aditya Riadi Gusman (GNS Science), 室谷智子(国立科学博物館)

Earth Planets Space 72, 123 (2020). https://doi.org/10.1186/s40623-020-01256-5

 日本海東縁部では、過去100年間に1940年積丹半島沖の地震、1964年新潟地震、1983年日本海中部地震、1993年北海道南西沖地震といった大地震(M>7)によって津波が発生し、日本海沿岸に大きな被害をもたらしてきました。

 文部科学省受託研究「日本海地震・津波調査プロジェクト」の一環として、日本海沿岸における津波の高さを確率論的に評価しました。すなわち、日本海で大地震を起こすと考えられるすべての断層からの津波を考慮し、各沿岸においてある期間内に想定される津波の高さを求めました。

具体的には、「日本海における大規模地震に関する調査検討会」(国土交通省・内閣府・文部科学省)によって同定されている60の活断層を対象に、断層面上のすべりの不均質性を考慮した7万通り以上のシナリオを想定し、それらによる沿岸での津波高さをシミュレーションしました。過去の津波との比較からシミュレーション結果の不確定性を見積もり、地震活動カタログに基づいて、それぞれのシナリオの発生確率を計算し、それらを足し合わせることによって、日本海沿岸の約150の市町村ごとの津波高さを確率論的に求めました。 結果の図を見ると、想定される津波の高さは東北地方~北陸地方で高く、西南日本では低いことがわかります。今後100年間に想定される津波高さ(図下)は最大3.7mですが、500年(図中)だと最大7.7m、今後1000年間(図上)では最大11.5 mと高くなります。さらに、各沿岸での津波高さに寄与する断層を調べると、西南日本における津波は遠方の活断層による寄与が大きく、北海道~北陸地方では近傍の活断層による寄与が大きいことがわかりました。

日本周辺における超低周波地震活動とプレート境界のカップリングとの関連性

馬場慧1・武村俊介1・小原一成1・野田朱美2
1: 東京大学地震研究所、2: 防災科学技術研究所

Geophysical Research Letters, https://doi.org/10.1029/2020GL088089

沈み込む海洋プレートのプレート境界面の固着域、すなわち巨大地震が発生しうる場所の周辺部では、通常の地震のほかに、スロー地震と呼ばれる、通常の地震よりもゆっくりとした断層破壊現象が発生しています。本研究ではスロー地震の一種である超低周波地震を用いて、プレート境界の固着状態(カップリング)を詳しく調べました。

巨大地震発生域の深部・浅部で発生する超低周波地震の理論波形を、3次元速度構造モデルを用いて計算し、これをテンプレートとする広帯域地震観測網F-netの連続波形記録との相互相関解析から、西南日本の超低周波地震を網羅的に検知しました。その結果、西南日本では、浅部と深部の超低周波地震はそれぞれプレート境界の深さ5–10 kmと30–40 kmで発生し、特に浅部での活動が活発なことがわかりました(図1a)。 本研究で検出された西南日本の超低周波地震と、既往研究(Baba et al. (2020, Journal of Geophysical Research; Solid Earth)で検出された東北日本の超低周波地震について、その活動度からモーメント解放レートを推定して、プレート境界のカップリングの空間分布と比較しました(図1)。浅部超低周波地震によるプレート境界の地震モーメント解放レートの値分布は、深部超低周波地震のものより大きくなっており、プレート境界浅部の不均質性が強いことが示唆されます。また、浅部超低周波地震の活動度とプレート境界のカップリングの程度には負の相関があり、カップリングの弱い領域ほど活発に活動していることがわかりました(図2)。さらに、流体が多く存在すると示唆される、地震波速度の遅い領域の周辺で超低周波地震活動が活発であることも明らかになりました(図1)。流体が豊富な領域では,プレート境界の摩擦強度が低く、カップリングが弱いことが考えられます。

図1 (a)西南日本と(b)東北日本のモーメント解放レート。青線は各地域のすべり欠損速度((a): 10 mm/year間隔, (b): 30 mm/year間隔)、薄青線は各地域の地震波速度の遅い領域を表す。
図2 (a)浅部超低周波地震(VLFE)と(b)深部超低周波地震の、モーメント解放レートの常用対数(縦軸)とカップリング率(横軸)の関係。浅部超低周波地震では、モーメント解放レートとカップリング率の間に負の相関が見られる。

三陸沖光ファイバーケーブルを振動センサーとして用いた海洋性堆積層の探査

Spica, Zack J.1, 2, 西田 究2, 悪原 岳2, Pétrélis, François2, 3, 4, 5, 6, 篠原 雅尚2, 山田 知朗2

1ミシガン大学, 2地震研究所, 3パリ高等師範学校,4フランス国立科学研究センター,5ソルボンヌ大学, 6パリディドロ大学

Spica, Z. J., Nishida, K., Akuhara, T., Pétrélis, F., Shinohara, M., & Yamada, T. (2020). 
Marine sediment characterized by ocean‐bottom fiber‐optic seismology. Geophysical Research Letters, 47, e2020GL088360. https://doi.org/10.1029/2020GL088360

地面の揺れから地震や火山現象に迫り、そして揺れの伝わり方から地球内部構造を明らかにするために、これまで地震学は数少ない地震計のデータからいかにこれらの情報を引き出すかという点に苦心しながら発展してきました。今世紀に入り爆発的に地震計の数は増えており、日本だけでも数千点の地震計が設置されるようになりました。地面の揺れを点からではなく面とし捉える時代に突入しつつあります。そこで注目されている技術が分散型音響センシング(DAS)です。この手法では、既存の光ファイバー通信インフラを数千個の地震センサに変換することが可能となります。まさに地震計測の可能性を点から線へと広げる新しい計測手法です。 本研究では、1996年に三陸沖の海底に設置された光ファイバーケーブルを用いて、DAS計測を実施しました(図1)。このケーブルシステムは、120 kmのケーブルに3成分加速度計3台(図1の〇:SOB1~3)と圧力計2台(図1の□)を備えています。陸上から約100kmの距離まで、スペアの光ファイバー(図1の灰色と黒色で示した線)を用いて、2019年2月13日から約46時間DAS計測を実施しました。これは約19000点で海底面の振動を計測したことに相当します。解析には陸上から約50kmまで(図1の灰色部分)の約9500チャンネルのデータを用いました。この新しいタイプの計測によって、光ファイバーケーブル直下の堆積層の地震波速度構造を探査することに成功しました(図2)。
本研究の大きな特徴は、地震が引き起こした海底面の振動ではなく、海洋波浪起源の振動(脈動)を用いた点です。脈動のDAS計測から海洋性堆積層の構造を明らかにしたことは初めてのことです。この手法は、地球上に張り巡らされた海底光ファイバーケーブル網に適応が可能であり、今は通信に使われていない空きケーブルを有効活用できる可能性も示唆しています。

図1: 三陸沖光ファイバーケーブル
図2 (A) 光ファーバーケーブル500点毎の脈動のパワースペクトル密度。(B)本研究で推定された堆積層のS波速度構造。(C) 脈動の自己相関解析 (0.8〜4.5 Hz)から得られた地下構造反射断面。(D) 地震によるS波の到来を示した図。断層帯を特徴づける可能性のある逆V字型は、赤い矢印と赤いクエスチョンマークで示されています。(D) 全パネルの観測結果を組み合わせた海底構造を地質学的に解釈した図。

自然地震波の解析で明らかとなった沈み込む堆積層内の高間隙流体圧

悪原 岳1 , 辻 健2 , 利根川貴志3

1 東京大学地震研究所, 九州大学工学研究院, 3海洋研究開発機構

Geophysical Research Letters, 47(15),  https://doi.org/10.1029/2020GL088280

沈み込み帯の地下構造の推定には、一般的に、エアガンによって発生させた人工地震波を海底地震計やストリーマーケーブルと呼ばれる受信機で捉えたものを用います。人工震源波ではなく、自然に起こる地震の波形を用いる場合もあります。しかし、自然地震は毎回波の形が変わるうえに、人工地震波に比べて波長が長いため、細かな地下構造を調べるには不向きであると考えられてきました。

前回の研究(新しい地震波形解析手法の開発、Akuhara et al., 2019)では、海底地震計で記録された自然地震の波形から、短い波長の変換波や反射波を抽出する新しい解析手法を開発しました。今回は、抽出された波形を用いて、地下の地震波速度構造を推定する解析(波形インバージョン解析)を行いました。その結果、自然地震波形を用いても、人工震源に匹敵する細かい解像度で地下構造を推定できることが分かりました。

 この波形インバージョン解析には、紀伊半島沖に設置された海底ケーブル地震観測網のデータを用いました。一般的な波形インバージョン解析では、どのくらいまで細かな構造を推定するか、解析者の主観であらかじめ決めておく必要があります。今回の研究では、解像される構造の細かさを主観に頼らずに、波形の複雑さによって客観的に決定できるよう、現代的な統計学の手法を採用しました。その結果、これまでは人工震源を使った探査でしか解像できなかった、プレート境界面上の厚さ1 km 程度の細かな堆積層を、統計的に有意に解像できることが分かりました(図1a:観測点KMD13の真下、深さ6 kmあたり)。  今回の解析の結果、沈み込む堆積層のP波とS波の速度比が、とても高い値を示すことが明らかとなりました。P波/S波速度比は、堆積層に含まれる流体の圧力が高いほど、高くなることが知られています。高い流体の圧力によって、この場所では断層面がすべりやすくなり、スロー地震(図1bのオレンジ色星印)が発生する一因になっていると考えられます。

図 1 (a)人工震源探査で得られた沈み込み帯の地下構造と本研究で得られたP波/S波速度比(Vp/Vs)の比較。(b)本研究で結論づけられた上図の解釈。

房総半島下における正断層タイプの地震の発生メカニズム

橋間昭徳1・佐藤比呂志1・佐藤利典2

1東京大学地震研究所, 2千葉大学理学研究院

Earth, Planets and Space, 72, 79, https://doi.org/10.1186/s40623-020-01201-6 Published: 3 June 2020

房総半島(千葉県)は、ユーラシアプレート下へのフィリピン海プレートと太平洋プレートの二重のプレート沈み込みによる隆起運動で形成されました。

沈み込んだフィリピン海プレート内部では、正断層タイプの地震がたびたび起きています。2019年にはMw4.9の地震があり、関東地方の広い範囲で揺れが感じられました。このようなプレート内地震は都市部に大きな被害をもたらす可能性があります。

プレート内地震は、プレートが沈み込む過程で内部に徐々に蓄積された力(応力)を解消しようとして起きるものと考えられています。どのように応力が蓄積されるかをモデル化して定量的に見積もることが、地震活動の解明にとって重要です。

そこで、本研究では、房総半島および関東地方下のプレート内地震の発生の仕組みを解明するため、図aに示したモデルを用いて二重のプレート沈み込みによってプレート内部に形成される応力を計算し、地震活動との関係を調べました。

モデル計算によると、プレート内の応力は房総半島周辺で水平伸張的となりました。計算した応力で実際の地震活動を説明できるか確かめるため、関東地方で発生した地震に対してクーロン破壊関数(ΔCFF)という物理量を求めました。ΔCFFは地震断層にかかる応力が断層破壊を引き起こす値(破壊強度)に近づいたかどうか示す指標です。ΔCFFの値が正(+)であれば、地震を引き起こしやすい応力であることを示します。

図bに計算から求められたΔCFFを示します。ΔCFFは房総半島下で発生する正断層タイプの地震に対し正(赤色の記号)となりました。また、南方のフィリピン海プレート内の横ずれタイプの地震、伊豆半島の島弧衝突域の逆断層タイプの地震などに対しても、広く正となりました。

以上の結果は、本研究の応力形成モデルによって、房総半島および関東地方での実際の地震の発生をよく説明できることを示しています。今後、さまざまな地域の多様な地震活動の解明に向け、このような応力形成モデルの研究を進めていくことが重要です。

図の説明 (a) 房総半島(BP)と関東盆地(KB)周辺の地形とプレート沈み込みモデル。等深度線(0, 10, …, 40 km)で表したプレート境界面上にプレート沈み込み運動を与え、プレート内部に生ずる応力場を計算。ビーチボール記号は2019年5月25日のMw 4.9正断層タイプの地震。挿入図は鉛直断面でみたモデルの概念図。地下構造として弾性-粘弾性二層構造を仮定。(b) モデル応力と実際の地震から計算したクーロン破壊関数(ΔCFF)。ビーチボール記号は2003年から2019年9月までの地震を表す。ビーチボールの色は各地震に対するΔCFF。赤色は地震を引き起こしやすい応力がかかっていることを示し、青色は逆を表す。挿入図はΔCFFの値に対する対象領域内の地震の頻度分布。

3次元地下構造の影響を考慮した南海トラフ沿いの地震の震源メカニズム推定

武村俊介1・奥脇亮2・久保田達矢3・汐見勝彦3・木村武志3・野田朱美3

S. Takemura1, R. Okuwaki2, T. Kubota3, K. Shiomi3, T. Kimura3 and A. Noda3 (2020). Geophysical Journal International, 222 (2), 1109-1121, doi:10.1093/gji/ggaa238

1東京大学地震研究所, 2筑波大学, 3防災科学技術研究所

地震が発生すると、国内外の地震計で記録された地震波形の長周期成分を用いたセントロイドモーメントテンソル(CMT)解析が行われ、地震発生後10-30分程度で、発生時刻、位置、規模とメカニズム解(断層面上のすべり方)が推定される。推定されたCMT解は、地震学の基礎情報としてだけでなく、震源断層の評価や津波発生予測などの災害対応においても非常に有用な情報となる。

多くのCMT解析は、計算の簡便さから深さ方向の地震波速度変化のみを考慮した1次元構造モデルを用いて行われるのが一般的である。しかし、海域で発生した地震の場合、海洋プレートや海洋堆積物などの海域特有の地下構造の影響で地震波の伝わり方が複雑になるため、1次元構造モデルでは正確なCMT解を得ることが難しい。海底地震観測網の記録を利用することで、より正確な解析も可能だが、観測期間が2011年以降に限られている。

そこで、本研究では3次元地下構造モデルを用いたスーパーコンピュータによる地震波伝播シミュレーションに基づいて、陸域に敷設された防災科学技術研究所のF-netの波形記録を用いた高精度なCMT解析(3次元CMT解析)を実施した。解析対象とした地震は、2004年4月〜2019年8月に南海トラフ周辺で発生した中規模地震である。

本研究による3次元CMT解析(図の上段)の結果と従来の1次元解析(F-netカタログ:図の下段)を比較したところ、特に海域で発生した地震において地震メカニズムと深さに大きな差が現れた(図)。近年の地震について海底地震計を用いた解析結果と比較したところ、本研究による3次元CMT解析が、従来の1次元解析結果と比べ精度良くメカニズムと深さが推定できることを確認した。

本研究の手法(陸域地震計+3次元CMT解析)により求められた、2004年4月以降の15年間におよぶ南海トラフ沿いの地震カタログは、今後、スロー地震や測地学的に推定したフィリピン海プレートのすべり遅れと比較を進めることで、南海トラフのすべり特性の解明に貢献するものと期待される。

なお、本研究で推定した3次元CMT解析で得られた地震カタログは https://doi.org/10.5281/zenodo.3674161 にて公開しています。

銅線電話網を用いた大地震の断層調査‐ニュージーランドでの共同研究‐

上嶋 誠

 地震予知研究センターの上嶋誠教授らのグループは、ニュージーランド地質調査所(GNS)と現地電話会社Chorusとの共同研究で、ニュージーランド北島Gisborne周辺域で銅線電話網を用いたネットワークMT観測を開始しました。ニュージーランド北島に東から沈み込むヒクランギ沈み込み帯では、巨大地震やスロースリップイヴェントが繰り返し発生しています。また北島中央部には世界でも有数の火山地帯が分布しています。
 今回の調査は、銅線を用いた電話網を用いて地中の電気伝導度を調べることで、沈み込み帯の構造を詳細に把握し、他の構造探査データと合わせて大地震やスロースリップイヴェント、火山噴火の発生可能性を探ることを目的としています。

 本共同研究の現地観測のようすは新聞に報道され、またGNS・Chorus・地震研究所によりYouTubeビデオが制作されました。こちらからご覧いただけます。

霧島山新燃岳の噴火と関連した深部低周波地震

栗原亮・小原一成・竹尾 明子・田中優作 東京大学地震研究所

Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 124, 12, https://doi.org/10.1029/2019JB018032

火山の地下深部(20–30 km)では、深部低周波地震と呼ばれる通常の地震に比べて低周波の地震波を放出する地震が発生していることが知られています。この深さは通常の火山性地震が発生する深さ(数km程度)と比べて深く、地下深部から地表までのマグマの供給に関係していると考えられています。日本では気象庁が通常の地震と合わせて深部低周波地震の観測を行い地震カタログに登録されています。しかし、深部低周波地震は一般的にマグニチュードが小さく、検出および震源決定が難しいため、霧島山では深部低周波地震と噴火を含む火山活動との関係は知られていませんでした。

                   我々は深部低周波地震と噴火の関係を調べるため、過去に観測された深部低周波地震の波形と似た波形を探すマッチドフィルタ法という手法を用いて、2004年4月から2018年12月までの期間で深部低周波地震の網羅的な検出を行うとともに、深部低周波地震の震源位置の再決定とグループ分けを行いました。

                   その結果、2011年1月の霧島山新燃岳での準プリニー式噴火の前後の期間に、深部低周波地震の数が増加していることがわかりました。その増加は2009年12月頃に開始し、2011年9月頃に終了しており、地殻変動の推移とよく対応していました(図)。グループ分けの結果、この期間内に増加した深部低周波地震は、別の期間に発生している深部低周波地震と比べて震源位置がやや深く、その波形はより低周波の成分が卓越していることがわかりました。さらに、深部低周波地震の震源位置が噴火の推移と対応して変化していることもわかりました。また、2017年から2018年の霧島山新燃岳および硫黄山で発生した噴火の際にも深部低周波地震が増加していることがわかりました。

                   これらの結果から、2011年の霧島山新燃岳の噴火の約1年前から地下深部よりマグマの供給が行われていたことがわかりました。本研究で明らかになった、噴火前後における深部低周波地震の震源位置は、地下深部からのマグマの供給ルートの解明の手がかりとなることが期待されます。

図(a) 国土地理院GEONETの2観測点間で計算された地殻変動 (b) 気象庁の地震カタログでの霧島山付近での深部低周波地震の累積個数 (c) 本研究で検出した深部低周波地震の累積個数。矢印は深部低周波地震が増加した期間を示す。

北海道・東北地方太平洋沖における、超低周波地震の網羅的検出

馬場慧1・竹尾明子1・小原一成1・松澤孝紀2・前田拓人3・ 1: 東京大学地震研究所、2: 防災科学技術研究所、3: 弘前大学理工学研究科

Journal of Geophysical Research, Solid Earth, https://doi.org/10.1029/2019JB017988

 巨大地震が発生するプレート境界面の固着域の周辺部では、通常の地震のほかに、スロー地震と呼ばれる、通常の地震よりも遅いすべり速度で断層破壊が起こる現象が発生しています。スロー地震は巨大地震と共通の低角逆断層のメカニズム解を持つことから、巨大地震の発生と関連している可能性が指摘されています。スロー地震の中には、低周波微動、スロースリップイベント、超低周波地震(Very Low Frequency Earthquake; VLFE)があり、本研究で解析を行ったVLFEは、0.02-0.05 Hzの周波数帯で観測されています。本研究では、VLFEを用いて北海道〜東北地方の太平洋沖におけるプレート境界面のすべりを明らかにすることを目的にVLEFの検出を行いました。解析では、3次元速度構造モデルを用いた理論波形をテンプレートとし、これとF-net波形データの相関係数を計算するマッチドフィルター法を用いました。この手法は、任意の位置にスロースリップの仮想震源を設定できるという利点があります。

 その結果、十勝沖、及び岩手県沖と茨城県沖では、それぞれ2003年9月26日の十勝沖地震(Mw 8.0)と2011年3月11日の東北地方太平洋沖地震(Mw 9.0;以下、東北地震)の後に、それらの地震のアフタースリップによると考えられるVLFEの発生数の急激な増加が見つかりました。一方、宮城県沖〜福島県沖では東北地震後にVLFEの活動の静穏化が見られました。これは、宮城県沖〜福島県沖が東北地震の断層面の大すべり域の縁にあたり、東北地震によって蓄積していた歪みが解消されたためと考えられます。また、十勝沖地震後の十勝沖〜青森県沖および東北地震前の宮城県沖では、数ヶ月〜1年程度の間隔でVLFEがバースト的に発生する活動が見られ、これはプレート境界面のわずかなすべりを反映している可能性があります。

図1 各グリッド毎の仮想震源(スロー地震)の検出個数の分布。色が濃いほどスロー地震が多数検出されたことを示す。 ○印は大地震、⭐︎印は先行研究で検出されていたVLFEの震源を表す 。
図2 本研究の結果を模式的にまとめた図。巨大地震の大滑り域の内部(図のオレンジ色の部分)では、数ヶ月間隔でバースト的なVLFEの活動が見られた一方、巨大地震発生後は静穏化した。一方、巨大地震の大すべり域の周辺(水色部分)では、巨大地震発生後にVLFEの活発化が見られた。