(1)課題番号: 0105
(2)機関名:東京大学地震研究所
(3)課題名:島弧地殻不均質に関する観測研究
(4) 本課題の5ヵ年計画の概要とその中での平成14年度までの成果:
(4-1) 「地震予知のための新たな観測研究計画の推進について」(以下,建議)の項目:
III-1-(1) 定常的な広域地殻活動
(4-2) 関連する「建議」の項目:III-1-(1)ウ,III-1-(2)イ,ウ,エ.III-2-(1) エ,オ.
(4-3) 「5ヵ年計画全体としてのこの研究課題の概要と到達目標」に対する到達した成果:
本研究課題では,制御震源地震探査(屈折法地震探査・深部反射法地震探査・浅層地震探査)と自然地震観測を密接な連携のもとで行うことにより,島弧地殻の様々なスケールの不均質構造を明らかにすることによって,島弧地殻の形成・変形の過程を解明する.更に,構造不均質と地震や地殻変動のような地殻活動との関連性を明らかにし,島弧地殻内の歪・応力の蓄積過程のメカニズムについての知見を得ることを目的としている.特に,屈折法地震探査は,数10kmの波長の不均質構造を,また,深部反射法地震探査は,断層の深部構造や地殻内反射体のmappingなど数100m-数kmの不均質構造を求める.また,自然地震の稠密観測により,詳細な震源分布とメカニズムを求めることにより,地震発生様式と不均質構造との関係を明らかにする.
また,浅層反射法探査は,活断層の浅層構造と周辺の地質・地形データをもと
に,数万年スケールで継続した長期間の歪み速度を明らかにすることを目的としている.
1999-2000年の日高衝突帯横断地殻構造探査及び稠密地震観測では,島弧-島弧の衝突による地殻の変形様式がこれまでになく詳細に求められた.更に,地質学的観測データを組み合わせることによって,衝突帯前縁部の地殻短縮がかなり定量的に求められ,日本海東縁のプレート収束に関して重要な拘束条件を与えるものとなった.
1999年及び2001−2002年は,海洋科学技術センターと共同で,東海・中部域及び西南日本域において海陸共同地殻構造探査を行った.これらは,大規模構造探査の技術面及び体制面を確立した点で,意義がある.これらの観測では,対象域に沈み込むフィリピン海プレートの反射を明瞭に捉え,プレート境界の構造と地震発生様式との関係を明らかにする道筋を開いた.このような研究は,次期計画においても強力に推進すべきと考える.
(5) 平成14年度成果の概要:
(5-1) 主たる項目: (1)-2.
境界条件
(1)-2-2.
日本列島の西側の境界条件
(1)-2-3.
日本列島の下側の境界条件
(2)-2.
テストフィールド
(2)-2-2.
東海・南海,十勝沖・釧路沖
関連した項目: (1)-3.
変形特性
(1)-3-1.
地殻・最上部マントルの変形特性
(3)-2.
内陸の歪集中帯の変形様式
(3)-2-2. 変形特性の空間分布
(5) 年度実施計画の概要(以下の5つの質問に答える)
(5-1) 「平成12年度全体計画骨子の補足説明 3.具体的な課題提案の背景」のどの項目を実施するのか:
(1) 広域応力場の形成メカニズム
(1)-1 広域応力場の不均質性
(1)-2 境界条件
(1)-2-3 日本列島の下側の境界条件
(1)-3 変形特性
(1)-3-1 地殻・最上部マントルの変形特性
(5-2) 平成12年度項目別実施計画のどの項目を実施するのか:
平成14年度「定常的な広域地殻活動」計画
プレート内部の地殻活動・構造不均質に関する研究
(5-3) 平成14年度に実施された研究の概要:
(5-3-a)1999-2000年北海道日高衝突帯における地殻構造探査
1999-2000年の島弧地殻変形過程のプロジェクトは,北海道日高衝突帯を中心とする地域で実施された(爆破地震動研究グループ2002a,b). 今年度は,これまでに得られた屈折法測線データと稠密な反射法データを統合した解析を実施した.即ち,反射法データに対して屈折法的解析を行うことによって詳細な構造を提出した(足立,2002; Iwasaki et al., 2002; 2003a,図1).この結果,日高山脈東側の千島前弧の剥離様式がより詳細に明らかになった.即ち,0.3-4kmの厚さを持つ変形の著しい堆積物の下には,2枚の東傾斜の顕著な反射面が存在する.これらの面は,日高山脈に衝上する千島前弧側の中・下部地殻内の反射体と考えられる.実際,これらの面の西側延長上では,中・下部地殻を構成する変成岩が露出しており,その部分ではVpが周囲より高く(6.0-6.1 km/s)で,Vp/Vsも1.85を超える.これら2つの面の下,深さ25-27kmには,ほぼ水平及びやや西下がりの面が見られる.即ち,千島前弧側の地殻は,日高山脈下において,東に衝上する部分と,水平および下に沈みこむ部分に分かれていると考えられる.地殻の裂け目の深さには,非常に強い反射面が存在する.一方,日高山脈西側の褶曲断層帯の部分では,大規模な速度逆転層(低速度層)が2層見つかった.これらの下には,東下がりの反射面が存在する.おそらくは西にもぐりこむ東北日本弧の地殻内反射面に相当するものであろう.
上記屈折法モデルの速度構造を用いて,反射法データに対してmigrationを行い,石狩苫小牧低地帯から十勝平野までのマッピングを行った(Iwasaki et al., 2003b,図2).得られたイメージは屈折法探査結果を裏付けるもので,千島弧側地殻が深さ25-27kmで2-3つのセグメントに分かれている.この結果は,日高山脈南端の剥離様式とは違い,衝突による地殻変形に地域性のあることを強く示唆する.また,剥離を起こしている場所は深さ25-27kmで,強い反射面がその東側(剥離を起こしていない部分)まで追跡できる.もし,この反射面が地殻内の強度の弱い部分に相当するならば,地殻剥離はこの弱面によって引き起こされたと考えられる.
日高山脈西部の断層-衝上断層帯の先端部における浅層反射法地震探査と既存データの解釈も含めた総合的な地質構造の解析によれば,北海道中軸部の水平短縮速度は1〜3.5mm/yとなる.屈折法探査により日高山脈の西側で求められた速度逆転層(図1)は,同地域の基礎試錘データとの比較により,石狩層群と推定される(香塚他,2002).香塚他(2002)は,過去の反射法データと基礎試錘データを再解析し,この石狩層群が衝突開始前に一続きの層であったと仮定し,この地域の水平圧縮量を60kmと推定した.これは,速度にして3-4mm/yとなる.一方,同じ考えを上記の屈折法モデル中の低速度層に適用すると,水平圧縮量が30km(1-2 mm/y)となる.いずれにせよ,Seno
et al(1996)により見積もられたプレート収束成分(9mm/y)の10〜50%が日高山脈西部の終局断層帯で消費していることになる.従って,オホーツク及びユーラシア(アムール)プレートの収束が日本海東縁に集中しているという考えは再検討を要すると思われる.
(5-3-b) 2001年東海・中部地域における海陸合同地殻構造探査
東海沖から中部地方にかけてのフィリピン海プレートの沈み込みの構造及び中部日本を構成する島弧地殻・上部マントル構造を解明するための大規模な海陸合同構造探査が,2001年8月に実施された(Iidaka et al., 2003a,b, 図3).この探査の海域部については海洋科学技術センターが担当し,陸域における探査は,東京大学地震研究所をはじめとする全国の大学・関係諸機関が共同して行った.陸域部の測線は,全長約262kmで,6点のダイナマイト震源と391の観測点を設けた.
得られた速度構造モデルを図4に示す.堆積層の構造は地域差が著しい.能登半島の付根に位置する砺波平野では,厚さ3kmの堆積層が存在している.堆積層の下にはP波速度 5.3km/s-5.8km/sの層が存在する.上部地殻下部の速度と下部地殻の速度は,それぞれ6.0km/s-6.4km/s, 6.6km/s-6.8km/sと求まった.この解析で特徴的なのは,沈み込むフィリピン海プレート上面からの反射波が見られ,深さ20-35kmの範囲での沈み込むプレートの形状が明らかになった(図2).また,その反射波の振幅は初動の振幅に比べて大きく,プレート上面は反射係数の大きな境界面であることがわかる.また,この測線上では地殻内部にいくつもの反射面が検出された.また,島弧側下部地殻の構造がある程度押さえられた.本観測の結果によれば,下部地殻は少なくともある程度の厚み(5-7km程度)があり,Aoki et al.(1972)と大きく異なるものである.
(5-3-c)2002年西南日本総合観測
(5-3-c-1)海陸共同制御震源地震探査
地震研究所は,1999年に海洋科学技術センター・京都大学・鳥取大学・九州大学と共同で四国・中国地方南部で海陸共同地震探査を行った.この探査で特筆すべきことは,沈み込むフィリピン海プレートからの明瞭な反射波が観測されたことである.このデータから,蔵下他(2002)は,四国下のプレート境界構造,その上の西南日本に地殻構造を求めた.この実験では陸上観測点の間隔が粗く(1.5km程度)且つ測線が四国から中国地方南部に限定されていたため,西南日本に沈み込むプレートの全体像を捉えるには至らなかった.しかし,この実験及び2001年度の東海・中部地域の探査は,フィリピン海プレートの構造解明(特に地震破壊域から定常的すべり域まで)に関して陸域制御震源探査の有効性が示された点で,極めて重要である.
2002年には,四国・中国域から鳥取沖までの測線において,屈折・広角反射法地震探査を行った(図5).この実験の目的を以下に要約する.
(1)1999年探査と合わせて,南海トラフから西南日本弧を経て背弧海盆に至る沈み込みシステムの大局的な構造を明らかにすること.
(2)特に,プレート境界の形状を中国地方下まで追跡し,その物性変化を明らかにすること.
(3)西南日本下の島弧地殻構造を解明すること.
本実験の海域部は海洋科学技術センターによって実施され,鳥取沖日本海の230kmの測線に35台の海底地震計が設置された.制御震源として,エアガンを用いている.全長240kmの陸域測線には,地震研究所をはじめとする全国の大学・関係機関及び米国Texas大の研究者によって,2,234点の観測点が設置され,これまでにない高密度の観測となった.この測線では合計10点(その内の1点は,千葉大学による)の発破点が設けられた.現在までに,各観測点について,全てのショットの波形データが切り出されている.図6は,その波形データにNMO補正を加えたlow-fold反射断面である.測線南部では,沈み込むフィリピン海プレート上面からの強い反射波が見られる.一方,測線の西側には,西南日本の地殻内反射面が確認できる.
これらのデータから,まずプレート境界及び島弧側地殻の詳細な構造を求める必要がある.その知見を踏まえ,プレート境界の反射強度と1946年南海道地震の破壊面や定常的なすべり面との位置関係,他地域との比較によるプレート境界構造の普遍的性質と地域性の解明に研究を進展させるべきであろう.
(5-3-c-2)
西南日本合同自然地震観測
西南日本において,2002年から2年間にかけて全国の大学による合同地震観測がおこなわれている.この観測網は,2000年鳥取県西部地震の余震域を中心にT字型に展開された40点の衛星テレメータ観測点アレーで,西南日本下のプレーと境界まで含めた深部構造の解明とともに,鳥取県西部地震域を中心とする島弧地殻不均質構造の解明を目指すものである(図5).各々の観測点では短周期もしくは中周期地震計3成分が設置されており,波形データは衛星テレメータを介してリアルタイムで各大学に送信されている.
このアレーによるリアルタイムでの震源分布の把握は,今後の研究を遂行する上での基礎的データとなる.地震観測点の数が増えた昨今では,検測者がP波,S波の到着時刻を読取って瞬時に震源決定をおこなうことは困難になってきている.そこで,千葉(2003)の方法を用いて自動検測精度向上の試みが進行中である.現在の処理は,以下の2段階で行われている.
1)気象庁の決定した震源情報をもとに各観測点での予想到着時刻を計算し,その時刻をもとに各地震記象に時間窓を設定する.
2)時間窓の中で自動検測によってP波,S波の到着時刻をよみとり,震源決定をおこなう.
この処理方法で決められた震源分布(2002年11月‐2003年1月)(図7)と本震直後の稠密余震観測の記録を用いて決められた震源分布の比較を行い,その有効性を検証中である.2つの結果は似通った分布を示しており,地震の震源分布が本震直後と現在とで大きな変化が見られない.この方法は,断層面上での地震活動のパターンの時間的推移を詳細に調べる場合にも有効である.
(5-3-c-3)愛媛県新居浜市における中央構造線活断層系の浅層反射法地震探査
中央構造線活断層系は日本内陸で最も活動的な右横ずれ活断層である.この活断層系は三波川帯と領家帯の地質境界断層に一致する活断層とその北側数kmを並走する活断層から構成される.本研究では,地質境界断層とその北側を並走する活断層の幾何学的関係を明らかにするため,愛媛県新居浜市大生院地区で浅層反射法地震探査を実施した.この地域には地質境界断層が再活動した活断層である石鎚断層(地表での傾斜は35゜)とその北約1.5kmを並走する岡村断層(地表ではほぼ垂直)が分布する(図8).観測には東京大学地震研究所の反射法地震探査システムを使用した.測線は新居浜市高山から渦井川沿いに新居浜市川口までの約3.6kmである.震源のミニバイブレーターの発振周波数は10〜 60Hz,10Hzの受振器,180チャネルを使用,受振・発震間隔は10m,サンプリング間隔は2msである.重合した時間断面では往復走時1秒付近まで明瞭な反射面を認められる(図9).最も明瞭な反射面は石鎚断層の地表トレースの位置から往復走時0.7秒付近まで北へ緩く傾斜するもので,三波川結晶片岩と和泉層群の境界に相当すると考えられる.地質境界断層より浅部,岡村断層の南では北傾斜の反射面が,北では南傾斜の反射面が認められる.これらは和泉層群からの反射面と考えられる.岡村断層の地表トレースの直下で南傾斜の反射面は南への延長をたたれることから断層面の存在が推定できる.三波川結晶片岩と和泉層群の地質境界断層を示す明瞭な反射面は,岡村断層の地表トレースの下部延長でも途切れることなくより深部へ延長する.このことは北へ低角度で傾斜する地質境界断層が岡村断層により大きく変位していないことを示す.
(5-4)
当初設定した平成14年度の到達目標に対する成果の概要:
成果の概要については,(5-3)を参照のこと.ここでは,今年度の到達目標と達成状況を簡単に記す.
(5-4-1)
1999-2000年北海道日高衝突帯における地殻構造探査
到達目標
・屈折法・反射法データの統合処理,特に反射法データによる衝突帯横断断面の作成する.
・振幅情報を用い,千島弧側地殻の剥離構造をより詳しく求める.
・得られた構造モデルと地質データを合わせ,断層褶曲帯における地殻短縮速度を求める.
・国際学会への成果発表.
達成状況
第2番目の目標以外については,ほぼ達成した.地殻剥離は,下部地殻の顕著な反射体の部分から開始しているように見える.反射体部分が周辺に比べて強度が弱いことで,説明可能と思われる.また,衝突帯前縁部の地殻変形についても,地質学的観測との対応ができた.即ち,同地域の褶曲運動は,石狩層郡を介在として進行しているらしい.この層は地殻内で低速度帯となっており,その部分をデタッチメントとした近く,本探査領域においても地殻剥離現象を示唆する結果が得られた.これは,地殻の変形様式の解明に大きく貢献するものである.また,この観測で得られた構造モデルと地質学的データとを組み合わせることによって,同地域の地殻の水平圧縮量やプレート収束運動に関して定量的な議論が可能となった.即ち,地殻構造探査から,同地域の地質学的にみた変形様式を議論できるようになったことは,大きな進展と言える.
(5-4-2)
2001年東海・中部地域における海陸合同地殻構造探査
到達目標
・走時解析による構造モデルの構築と第1論文の発表.
・振幅データによるプレート境界構造の精密化.
・国際学会での成果発表.
達成状況
第2番目の目標以外については,ほぼ達成した(5-4-3を参照).
(5-4-3)
2002年西南日本総合観測
到達目標
・制御震源探査の実施及び地震観測網の設置
・制御震源探査データのprocessingと暫定的なNMO断面の作成.
・自然地震データ収集システムの構築
達成状況
上記項目をほぼ達成した.
2001年及び2002年の海陸合同地殻構造探査では,フィリピン海プレートからの明瞭な反射波を観測した.これらのデータからプレート境界の形状や物性がこれまでにない精度で求められつつある.特に,2002年の観測は,非常に稠密な観測を実施しており,プレート境界の反射特性の空間分布が明らかになる可能性がある.この反射特性分布を,プレート境界のすべり特性(地震破壊領域や定常的すべり域,或いは低周波微動発生域)と比較することによって,プレート境界の摩擦特性やプレート周辺における流体の分布や物性解明が進展することが期待される.また,フィリピン海プレート沿いに幾つかの探査データが集積し,その相互比較等によって,フィリピン海プレート沈み込みの普遍的特徴や地域性に関する知見が深まると期待される.これらの観測は陸域の観測によるプレート境界研究の有効性を示すとともに,今後の研究の方向性を考える上でも重要である.
(5-5) 共同研究の有無:有
西南日本地殻構造探査 8月20日-9月20日. 鳥取・岡山・香川・高知・愛媛県.
参加人員:70名程度.
西南日本自然地震観測 6月より開始,現在も進行中.鳥取県,島根県,岡山県,香川県.
参加人員:40名程度.
(5-6)平成14年度に公表された成果
論文
安藤誠・森谷武男・岩崎貴哉・武田哲也・朴成実・酒井慎一・飯高隆・久保篤規・宮町宏樹.田代勝也.松島健・鈴木貞臣,2002. 九州東部の人工地震探査から推定された地殻構造,地震研究所彙報,第77巻,277-285.
足立啓二,2002.高密度制御震源地震探査データに基づく日高衝突帯上部地殻構造,東京大学理学系研究科修士論文.
爆破地震動研究グループ(執筆者 岩崎貴哉),2002.北海道日高衝突帯横断屈折・広角反射法地震探査(大滝—浦幌測線),地震研究所彙報,第77巻, 139-172.
爆破地震動研究グループ(執筆者 岩崎貴哉),2002.北海道日高衝突帯前縁部における屈折・広角反射法地震探査(大滝—平取測線),地震研究所彙報,第77巻, 173-198.
Iidaka, T., T. Iwasaki, T.
Takeda, T. Moriya, I. Kumakawa, E. Kurashimo, T. Kawamura, F. Yamazaki, K. Koike, and G. Aoki,
Configuration of subducting Philippine Sea plate and crustal structure in the central Japan region. Geophys.
Res. Lett., 2003 in Press.
伊藤谷生・岩崎貴哉,2002. 島弧衝突研究の新展開,地震研究所彙報,第77巻, 87-96.
Iwasaki, T., Yoshii, T., Ito, T., Sato H. &
Hirata, N., 2002.
Seismological features of island arc as inferred from recent seismic
expeditions in
Iwasaki, T., 2002. Extended time-term method for identifying
lateral structural variations from seismic refraction data, Earth Planets
Space, 54, 663-677.
岩崎貴哉・森谷武男,2002.制御震源地震探査から見た北海道の地殻構造,北海道大学地球物理学研究報告,第65巻,291-302.
岩崎貴哉・ 1999-2000年北海道日高衝突帯構造探査グループ,北海道日高衝突帯における制御震源地震探査,月刊地球,第24巻,475-480.
加藤直子・佐藤比呂志・松田信尚・平川一臣・越谷信・宮内崇裕・戸田茂・加藤一・蔵下英司・越後智雄・三繩岳大・永井悟・荻野スミ子・鎧顕正・川中卓・井川猛,2002.日高衝上断層系前縁部・馬追丘陵西縁を横切る反射法地震探査,東京大学地震研究所彙報,第77巻,111-121.
Kodaira S., Kurashimo, E.,
Park, J.-O., Takahash, N., Nakanishi, A., Miura, S.,
Iwasaki, T., Hirata, N., Ito, K. & Kaneda, Y.,
2002. Structural factors
controlling the rupture process of as megathrust
earthquake at the Nankai trough seismogenic
zone, Geophys. J. Int., 149, 815-835.
蔵下英司・徳永雅子・平田直・岩崎貴哉・小平秀一・金田義行・伊藤潔・西田良平・木村昌三・井川猛,2002.四国東部地域における地殻上部及び最上部マントルの地震波速度と沈み込むフィリピン海プレートの形状,地震,第54巻,489-505.
Sato, H., Hirata, N., Iwasaki, T., Matsubara, M., & Ikawa, T., 2002. Deep seismic profiling across Ou backbone range
鈴木和子・河村知徳・越後智雄・岩崎貴哉・平田直・佐藤比呂志・宮内崇裕・伊藤谷生・井川猛,2002.稠密展開屈折法探査による十勝構造盆地浅部構造の解明,地震研究所彙報,第77巻, 131-138.
国際学会
Iidaka, T., Iwasaki, T., Takeda, T., Moriya, T., Kuwayama,
Ito, T., Sato, H.,
Iwasaki, T., Hirata, N., Tanaka, T., Kodama, Y., Kaneda,
Y., Harder, S., Onish N. & Ikawa,
T., 2003. Deep crsutal structure of the
Ito,
T., Sato, H., Iwasaki, T., Hirata, N., Tanaka, T., Kodama, Y., Kaneda, Y., Harder, S., Onish N.
& Ikawa, T., 2003. Songle-coverage
reflection sections across the
Iwasaki, T. & Research Group of 1998-2000 Hokkaido
Transect, 2003.
Iwasaki, T., Sato, H., Ito, T., Arita,
K., Kurashimo, E., Hirata, N., Kozawa,
T., Kawamura, T. & Ikawa, T., 2000. Seismic reflection study
across the Hidaka collision zone,
Iwasaki T. and Research Group of
Kaneda,
Y., Kodaira, S., Park, J.O., Nakanishi, A., Iidaka, T., Kurashimo, E., Sato,
H., Hirata, N. & Iwasaki, T., Outlines of the central
Kodaira,
S., Nakanishi, A., Park, J.O., Ito, A., Tsuru, T., Kaneda, Y., Iidaka, T., Kurashimo, E., Sato, H. & Iwasaki, T., A role of subducting oceanic crust for mega-thrust earthquake at the Nanaki margin, central Japan, deduced from seismic imaging,
Abstr. 10th Int. Symp. “Deep Seismic Profiling of
the Continents and Their Margins”, p86.
Kurashimo,
E., Hirata, N. & Iwasaki, T., Physical properties of the top of the subducting Philippine sea plate beneath the
Mjelde, R., Iwasaki, T., Raum,
T. & Shimamura, H., Spatial relationship between
recent sedimentary compressional structures and older
structures; Examples from the Voring margin,
Nakanishi,
A., Kurashimo, E., Miura, S., Kodaira,
S., Takahashi, N., Tsuru, T., Obana,
K, Kaneda, Y., Hirata, N., Subduction
seismogenic zone structure of the Kuril
arc-trench system as revealed from onshore-offshore wide-angle seismic
profiles, Abstr. 10th
Int. Symp. “Deep Seismic
Profiling of the Continents and Their Margins”, p105.
Sato,
H., Ito, T., Iwasaki, T., Harder, S., Hirata, N., Onishi,
M., Kaneda, Y. & Team Shikoku 2002, 2003. Seismic
reflection image of lithosphere beneath
Sato, H., Ito, T., Miller, K.C., Iwasaki, T., Kawamura, T.,
Hirata, N. Onishi, M., Kaip,
G., Kato, N., Kikuchi, S., Kwiatowski, A., Kurashimo, E., Iidaka, T. & Kaneda, Y., 2003. Low-fold seismic reflection profiling of
lithospheric structure beneath Shitara,
Sato, H., Iwasaki, T., Ikeda, Y., Umino,
N., Kato, N., Yoshida, T., Kawanaka, T. & Kozawa, T., 2003. Formation and basin inversion of the eastern
(6)この課題の実施担当連絡者
氏名 岩崎貴哉
電話 03-5841-5708
FAX 03-5689-7234
図の説明
図1. 1999-2000年北海道日高衝突帯における屈折法・広角反射法による速度構造モデル.
図2. 1999-2000年北海道日高衝突帯における地殻構造探査の反射断面(line drawing)と解釈図.
図3. 2001年東海・中部地域における海陸合同地殻構造探査陸域測線図.
図4. 2001年東海・中部地域における海陸合同地殻構造探査による陸域部速度構造モデル(Iidaka et al., 2003).
図5. 2002年西南日本総合観測図.図中の◆印は,自然地震アレー観測の観測点を示す.
図6. 2002年西南日本横断測線(陸域部)による暫定的な反射断面.顕著な反射面を矢印で示した.
図7. 西南日本自然地震アレーデータ処理の例(2000年鳥取県西部地震余震分布).
図8. 浅層反射測線図.
図9. 反射法断面・及び解釈図.