(1) 課題番号： 0502.1
(2) 実施機関名： 東北大学大学院・理学研究科
(3) 課題名： 高密度微小地震観測による地殻不均質構造の推定
(4) 本課題の5ヶ年計画の概要とその成果：
(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：
1．地震発生に至る地殻活動解明のための観測研究の推進
(2) 準備過程における地殻活動
(4-2) 関連する「建議」の項目： １．（２）エ，（１）ウ
(4-3) 5ヶ年計画全体の目標：
課題番号0502で示したように，計画全体の最終的な目標は，地震発生域のローディングプロセスの解明と，内陸地震発生モデルの構築である．Ｓ波反射面（ブライトスポット）は，計画当初の時点において，すでに地震活動の活発な領域で多数発見されており，またその高い地震波反射効率から流体の存在が示唆されていたが，その生成過程や地震発生との関係の詳細は不明であった．このため，ここでは0502で掲げた全体計画の目標のうち，特に下記の２項目を目標として設定した，
(a) Ｓ波反射面（ブライトスポット）の生成原因を推定し，大地震と関係づけるモデルを構築する．
(d) 地殻流体と地震活動との相関の有無を明らかにする．
(4-4）5ヶ年計画の実施状況の概要と主要な成果：
平成９年度から実施してきた東北合同観測の観測網の一部を継続して，Ｓ波反射面（ブライトスポット）の空間分布やＳ波反射体の内部構造に関する研究を実施した．その結果，
ブライトスポットは火山周辺域のみならず，活断層周辺域でも多数見つかり，東北日本弧の上部地殻および下部地殻のかなり広い範囲に存在している可能性が示された（図１）．詳細な地震波トモグラフィの結果と比較した結果，下部地殻のVp/Vsの大きい領域ではブライトスポットの深さの下限が浅くなっていることが判明した．同一反射面で反射したＰ波およびＳ波を検出して，それらの反射波と直達Ｐ波，直達Ｓ波のスペクトル振幅比を調べることにより，反射体内部のＰ波速度，Ｓ波速度，層厚を推定した結果，約100ｍ程度の層厚の地震波反射体内部には水が存在している可能性が示された．
臨時観測網，定常観測網，基盤観測網からなる広域の高密度観測網のデータを用いて，高分解能の地震波トモグラフィの研究を実施した．その結果，鳴子火山直下の上部地殻内に，上部マントル内の部分溶融域から管状に立ち上がる低速度域が，地表にまで達している様子をイメージングできた．この低速度域内のVp/Vsが周囲と同程度であることから，多量のH2Oの存在が示唆される（図２）．1962年宮城県北部地震（M6.5）の震源域直下には低Vs域が見出された（図２）．この低Vs域は，アスペクト比の小さな空隙内にH2Oが満たされているモデルで説明可能である．また，長町・利府断層の深部延長上の深さ15km付近の顕著な低速度域では，Vp/Vsが大きくはないことから，H2Oの存在が示唆される．さらにその深部延長には，低Vs・高Vp/Vs領域が存在しており，そこではメルトの存在が示唆される（図３）．
高分解能の地震波トモグラフィは，沈み込んだスラブ内の脱水反応により供給された水が，マントルウエッジ内の上昇流により地殻上部にまで運ばれて来る過程を，地震波低速度域としてイメージングしている（図４）．このマントル上昇流は，脊梁山地（火山フロント）直下のモホ面に到達して，部分溶融域を形成している．この部分溶融域内のメルトが地表付近で一部固化する段階ではき出された水は，地震波反射面を形成したり，地殻物質を軟化させて，脊梁山地沿いの歪集中帯の形成や内陸地震の発生機構に密接に関係している可能性がある（0502の図１参照）．
(4-5）5ヶ年で得られた成果の地震予知研究における位置づけ：
内陸地震の発生機構の解明のためには，地震発生域へのローディングプロセスの解明と，内陸地震発生モデルの構築が必要である．内陸地震発生モデルの構築には，断層の深部構造の解明と地殻流体の挙動を明らかにすることが，きわめて重要である．本研究計画でこれまでに得られた，地震波反射体の空間分布やその内部構造，高分解能の地震波トモグラフィの結果は，内陸地震の震源断層の深部構造や地殻流体の挙動を解明する上で，非常に重要な制約を与えたものと考えられる．これらの観測事実を基にして提唱された，東北日本内陸部の地殻活動モデル（0502の図１参照）は，内陸地震の発生機構を理解する上で重要な意味を持つと考えられる．
(4-6）当初目標に対する到達度と今後の展望：
地震波反射体の空間分布やその内部構造に関しては，かなりの情報が得られており，反射体内部には流体が存在していることが考えられる．反射体と大地震の発生とを関係づけるモデルの構築はまだできてはいないが，地震波トモグラフィの結果から得られた東北日本弧の流体の挙動モデルを基にして，第ゼロ近似的な内陸地震発生機構のモデルの目途は得られたものと考える．
流体が地殻深部に存在している場合のそこでの塑性変形や剛性率の低下が，地殻浅部に弾性歪・応力の集中をもたらしているのか否かの検証を，今後の検討課題とする．
(4-7) 共同研究の有無：
平成９年度と10年度に実施した東北合同観測の一部を継続している．この合同観測は，北海道大学大学院理学研究科，東京大学地震研究所，名古屋大学大学院理学研究科，京都大学防災研究所，九州大学大学院理学研究院，弘前大学理工学部，山形大学理学部，宇都宮大学教育学部，愛媛大学理学部との共同研究として開始．参加人員は約50名．
(5) この研究によって得られた成果を公表した文献のリスト
(5-1）過去5年間に発表された主要論文（５編程度以内）：
Hasegawa, A., A.
Yamamoto, N. Umino, S. Miura, S. Horiuchi, D. Zhao and H. Sato, 2000, Seismic
activity and deformation process of the crust within the overriding plate in
the northeastern Japan subduction zone, Tectonophysics, 319, 225-239.
Nakajima, J., T.
Matsuzawa, A. Hasegawa and D. Zhao, Three-dimensional structure of Vp, Vs, and
Vp/Vs beneath northeastern
Umino, N., T. Okada
and A. Hasegawa, Foreshock and aftershock sequence of the 1998 M5.0 Sendai,
Northeastern Japan, earthquake and its implications for earthquake nucleation,
2002, Bull. Seism. Soc. Am., 92, 2465-2477.
Umino, N., H.
Ujikawa, S. Hori and A. Hasegawa, Distinct S-wave reflectors (bright spots)
detected beneath the Nagamachi-Rifu fault,
(5-2）平成15年度に公表された論文・報告：
長谷川昭・中島淳一・海野徳仁・三浦哲・諏訪謡子，東北日本弧における地殻の変形と内陸地震の発生様式，地震２，56(4)，印刷中，2004．
堀修一郎・海野徳仁・河野俊夫・長谷川昭，東北日本弧の地殻内Ｓ波反射面の分布，地震２，56(4)，印刷中，2004．
Hasegawa, A. and J.
Nakajima, Geophysical constraints on slab subduction and arc magmatism, AGU
Monograph, in press, 2004.
Nakajima, J. and A.
Hasegawa, Estimation of thermal structure in the mantle wedge of northeastern
Nakajima, J. and A.
Hasegawa, Tomographic imaging of seismic velocity structure in and around the
Onikobe volcanic area, northeastern
(6) この課題の実施担当連絡者：
氏名：海野徳仁； 電話：022-225-1950； FAX：022-264-3292
E-mail：umino@aob.geophys.tohoku.ac.jp
図の説明：
図１．東北地方脊梁山地直下の地震波反射体の深さ分布（堀ほか，2004）．赤線は地震波反射体，黒丸は浅発地震，赤丸は低周波微小地震，カラースケールはVp/Vsを表す．白線は地震波速度から推定した温度分布（Hasegawa et al., 2000）を示す．図上部の赤三角は活火山，黒太線は千屋断層の位置を示す．縦方向に２倍に拡大して示す．
図２．鳴子火山を通る東西鉛直断面．(a)Ｐ波速度，(b)Ｓ波速度，(c)Vp/Vs．測線の位置は挿入図に示してある．地表の赤三角は鳴子火山，黒四角は活断層を表す．図中の黒丸は浅発微小地震，赤線は地震波反射面（堀ほか，2004），赤丸は低周波微小地震（岡田・長谷川，2000），黒破線はコンラッド面とモホ面である．黒実線の範囲は(d)に示す図の範囲に対応する．(d)1962年宮城県北部地震震源域付近での比抵抗構造（Mitsuhata et al., 2001）．挿入図の破線に沿った二次元解析の結果をカラースケールで示す．挿入図の青四角はMT観測点の位置を示す．
図３．長町・利府断層の走向にほぼ直交する鉛直断面．(a)Ｐ波速度，(b)Ｓ波速度，(c)Vp/Vs．測線の位置は挿入図に緑線で示す．黒丸は再決定された1996年宮城県愛子の地震（M5.0）の余震（Umino
et al., 2002）を表す．＋印は吉本ほか（2000）による震源，青線，橙線，赤線は地震波反射面を示す．黒細破線はコンラッド面とモホ面の位置を示す．
図４．東北日本弧の東西鉛直断面（模式図）．沈み込んだスラブから離脱した水は，マントル上昇流により脊梁山地直下にまで運ばれて，そこに停留すると考えられる（長谷川ほか，2004）．
