2011年新燃岳噴火に伴う調和型微動のモデル

武尾 実 (東京大学名誉教授・地震研究所外来研究員)

Harmonic tremor model during the 2011 Shinmoe-dake eruption, Japan

Geophysical Journal International 224, 2100-2130 (2021) https://doi.org/10.1093/gji/ggaa477

 2011年霧島新燃岳噴火の際には,マグマ湧出期からブルカノ式噴火の初期に掛けて調和型微動が多数発生した.調和型微動は多くの火山で観測されるが,その発生機構は未だ明らかになっていない.この論文では,火道(マグマの通り道)浅部での火山性流体の流動をモデル化して,観測された調和型微動の特徴を再現する事を試みた.調和型微動に関するこれまでの観測研究は,多くがその周波数のピークにのみ注目して,位相の特徴(波形の事)は解析対象としてこなかった.本研究では,微動源の近傍で観測したデータの長所を生かして,周波数のピークのみならず位相の特徴も含めて観測データを再現する事で,調和型微動の発生機構に迫ることを目指した.この論文では,局所的に強度の弱い領域がある流路内を粘性流体が流れる状態をモデル化し,非振動的なエネルギーの変化(例えば,火道深部の圧力)でも振動を引き起こす自励振動が発生する事を示した.さらに,2011年新燃岳の活動期間中に観測された代表的な調和型微動について,火道深部の圧力を変化させるだけで,その周波数構造や波形の特徴を微動の始まりから終わりまで再現する事に成功した.図1の右上側には,波形の特徴を比較するために相図 (観測データとその積分を2次元グラフで示した図)とそれに対応する観測波形を,時間帯(a,b,c,d)毎に示してある.右下側には,モデルから計算される流路狭窄部の面積変化の相図と波形を示してある.両者はよく一致しており,この結果は,調和型微動の発生機構として火山性流体の流動が有力なメカニズムである事を示している.

ダイオプサイド(単斜輝石)の拡散クリープ

Subhajit Ghosh, 小泉早苗, 平賀岳彦

Subhajit Ghosh(Institut des Sciences de la Terre d’Orléans), Sanae Koizumi, Takehiko Hiraga

Journal of Geophysical Research: Solid Earth, https://doi.org/10.1029/2020JB019855

 高温・大気圧下での一軸圧縮試験より下部地殻主要鉱物の一つである単斜輝石(CaMgSi2O6)の高温変形特性を明らかにすることに成功した。具体的には、通電焼結法を用いて僅かにフォルステライト(Mg2SiO4)もしくはアノーサイト(CaAl2Si2O8)を含み、粒径が0.43 mm から4.07 mm まで大きく異なる高緻密多結晶体を合成した。本試料を1050~1170°C下での変形実験に用いた。同じ粒径および温度において、アノーサイトを含む試料がフォルステライトを含む試料の3倍程度柔らかい結果となった。応力-歪速度の線形的な関係から拡散クリープであること、また、粒径-粘性率の関係から体(結晶内)拡散がクリープを律速していることが分かり、試料間の固さの違いは、Alの単斜輝石格子拡散への促進効果と考えられる。これらの実験結果に基づいて、単斜輝石の拡散クリープ則を提案した。本クリープ則を基準にこれまでに複数の研究グループから報告された実験データを再解析した。従来、粒界拡散クリープと認定され各報告間で矛盾するデータとされてきたものが、体拡散クリープで統一的に説明できることを示した。得られた拡散クリープの著しく大きな活性化エネルギー720 kJ/molは単斜輝石を主要とする岩石の高温下での著しい弱化を予想する。



本研究で明らかになった単斜輝石多結晶体の高温変形特性(緑線)。差応力10 MPa、粒径10 μmのときの歪速度のアレニウスプロット(Di(Fo))他の主要岩石鉱物(点線)と比較されている。Anorthite: アノーサイト、Enstatite: 直方輝石、Fe-free Olivine: Feなしオリビン、Fe-Olivine: Fe成分10%のオリビン

1000点観測で見えてきた2000年鳥取県西部地震に伴う断層構造の複雑性

加藤愛太郎,酒井慎一,松本聡(九大),飯尾能久(京大)
Conjugate faulting and structural complexity on the young fault system associated with the 2000 Tottori earthquake
Communications Earth & Environment volume 2, 13 (2021)
https://www.nature.com/articles/s43247-020-00086-3

 2000年鳥取県西部地震(M7.3)の震源域に1000点の地震観測網を設置して,約1年間にわたり連続波形記録を取得しました。1000点規模の地震計をある地域に高密度に展開して長期間の観測を行うことは珍しいことです。取得した波形データを用いて,高い精度で震源分布と地下の地震波(P波)速度構造の推定(空間分解能0.5 km)に成功しました。

 震源分布から推定された地下の断層形状はとても複雑で,北北西-南南東走向の断層面だけでなく西南西―東北東の共役関係にある断層面も複数分布することが,様々なスケールにおいて明らかになりました。また,断層面の深部形状は,震源域北西部では北東側へ傾斜するのに対し,震源域南東部では南西側へ傾斜しており,ねじれていることも分かりました。すなわち,大地震は平らな1つの断層面で起きるのではなく,共役断層も含めた複数の断層面がずれることで発生していることを意味します。

 P波の速度構造の特徴を見てみると,震源域北西部に顕著な低速度域が存在し,その境界は西南西―東北東走向の断層面に一致することが明らかになりました。また,2000年鳥取県西部地震の発生時に大きくずれた領域は,全体的にP波速度が大きい特徴があることも分かりました。

 低速度域に存在する断層の長さ200 mの地震活動の集まり(クラスター)を調べてみると,厚さ10 m以下のとても狭い領域に集中しており,4つの板状構造(長さ~30 m)に分かれていることが示されました。さらに,この地震活動は,約30 m/日の速さで断層面に沿って深い側へと移動していたことも判明しました。この移動速度から判断すると,地下で流体が移動することで地震活動が誘発された可能性が考えられます。このように,断層構造の複雑性と流体の移動が地震活動のパターンに影響を与えていることが示されました。

 本地震観測を遂行するに当たり,関係自治体,関係機関,住民のボランティアの方々,0.1満点観測グループの方々の多大なるご協力をいただきました。また,(株)近計システムの方々には機器開発からデータ整理に至るまでご尽力をいただきました。記して,心から敬意と感謝の意を表します。

図1.地震観測網の配置図.(a) 2000年鳥取県中部地震の震源域(青四角).(b)地震観測点の位置(赤色四角形),震央分布(青色丸)と2000年鳥取県中部地震の震央(赤星印).(c)解析した地震の規模別累積度数分布.(d)P波速度構造の推定に使用した格子点の分布(×印)。

海洋リソスフェア・アセノスフェアのP波速度構造推定

竹内 希,川勝 均,塩原 肇,一瀬建日,杉岡裕子(神戸大学),伊藤亜妃(海洋研究開発機構),歌田久司

Inversion of Longer‐Period OBS Waveforms for P Structures in the Oceanic Lithosphere and Asthenosphere

Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 125, e2019JB018810. https://doi.org/10.1029/2019JB018810(本論文はエディターが選出したハイライト研究として,米国地球物理学会連合のニュースレターで紹介されました)

 海洋域には地震計が少ないため,詳細な海洋リソスフェア・アセノスフェアの構造を推定することは困難でした.これまで表面波の伝わりかた(分散曲線)などに基づくS波速度構造の推定は行われてきましたが,P波構造の推定は困難で,ほとんど情報がありませんでした.私たちは北西太平洋に広帯域海底地震計アレイを設置し,良質なデータを取得しました.取得された地震波形データを,理論的に計算された地震波形と比較することにより,詳細なP波速度構造を推定することに成功しました.

 P波速度構造とS波速度構造を比較すると,化学組成や物性に関する情報を得ることができます.今回推定されたP波速度構造と,同じ地震計アレイのデータの解析から以前推定されたS波速度構造(Takeo et al., 2018)を比較することにより,リソスフェア-アセノスフェア境界近傍で非弾性か部分溶融の影響がある可能性が分かりました.またリソスフェア内部の化学組成は均一でなく,成層構造をなしていることを示唆できました.これらはリソスフェアやアセノスフェアの成因や成長過程の理解を助ける重要な情報となります.

図:(a) 北西太平洋の2カ所(Area-A, B)に設置された広帯域海底地震計(★)と解析に使用した地震(●)の分布図.(b) 観測された波形(左)と計算から求めた波形(右)の比較.

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。