地震規模に比べて大きな津波を繰り返し引き起こす火山性地震の発生メカニズム:海底火山・須美寿カルデラにおける「トラップドア断層破壊」

三反畑修 1,2 ・綿田辰吾 1 ・佐竹健治 1 ・金森博雄 3 ・Luis Rivera 4 ・Zhongwen Zhan 3

1.東京大学地震研究所, 2. 防災科学技術研究所, 3. California Institute of Technology, USA,
4.University of Strasbourg, France

Sandanbata, O., Watada, S., Satake, K., Kanamori, H., Rivera, L., & Zhan, Z. (2022).
Sub-decadal volcanic tsunamis due to submarine trapdoor faulting at Sumisu caldera in the Izu–Bonin Arc. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 127, e2022JB024213, https://doi.org/10.1029/2022JB024213

 
 多くの津波はマグニチュード7を超える大規模地震によって発生します.一方で,伊豆・小笠原諸島の鳥島近海では,約10年に一度に,マグニチュード5.4–5.7の中規模地震が発生した直後に,八丈島など周辺島嶼部において1メートル程度の津波が観測されてきました(図1).これらの地震は「鳥島近海地震」と呼ばれ,地震規模から経験的に推定されるよりも大きな津波を引き起こすため,地震観測に基づく即時津波予測が困難な,非常に奇妙な地震として知られてきました.しかしながら,観測困難な離島海域で発生する現象であったこともあり,1984年に初めて鳥島近海地震による津波が認識されてからの約40年間,その地震および津波の発生メカニズムはよく分かっていませんでした.

図1.(a)スミスカルデラにおいて約十年間隔で繰り返す鳥島近海地震.(b)2015年鳥島近海地震直後に八丈島の潮位計で記録された波高約1メートルの津波.(c)1984年・1996年・2006年・2015年・2018年の鳥島近海地震直後に三宅島の潮位計で記録された津波.津波波形はいずれも似通っており,類似現象が繰り返し発生したことを示唆している.


 本研究では,2015年5月3日(日本時間)に発生した鳥島近海地震の発生直後に観測された津波と地震波の記録を総合的に解析することで,現象の実体解明を目指しました.その結果,鳥島から100 kmほど北方に離れた海域に位置し,直径約8 kmの火山性陥没地形(カルデラ)を有する「須美寿(スミス)カルデラ」という海底火山において,「トラップドア断層破壊」というカルデラ火山特有の地震現象が発生し,津波を引き起こしたことを明らかにしました.トラップドア断層破壊とは,カルデラ壁に沿って地中に伸びる円形の断層構造(環状断層)の破壊と,その直下でマグマを溜め込んだ水平な板状の割れ目(マグマだまり)の開口が同時に発生する連動現象(図2a)であり,マグマだまり内の高圧マグマから受ける上向きの力を駆動力にして発生します.本研究では,トラップドア断層破壊を模擬した地震モデル(図2b–c)を構築し,津波・地震波の観測記録を高精度に再現することに成功しました.さらに数値計算および理論に基づいてトラップドア断層破壊の地震波・津波の励起特性について考察し,震源の浅さが主な原因で地震波の励起効率が低い一方で,カルデラ内の浅い環状断層とマグマだまりの連動的な破壊・変形の効果が相まって海底面が大きく隆起するため,地震規模に比べて大きな津波を引き起こすことを示しました.

図2.(a) 2015年地震のメカニズムとして提案した,スミスカルデラにおけるトラップドア断層破壊の模式図.カルデラ直下の水平な板状の割れ目に貫入・蓄積して高圧化したマグマが作り出す上向きの力を動力源として,円形の断層構造の一部が一気に破壊して海底面が隆起し,海水が持ち上がることで津波が発生する.この時,マグマが蓄積した割れ目(マグマだまり)は破壊に連動して変形する.(b–c) 2015年地震のモデル(bは南西方向,cは上方向から見た図).環状断層の逆断層すべりと,マグマだまりの変形の組み合わせによって,トラップドア断層破壊の運動が再現される.このモデルによって,津波および地震波の観測記録を再現することに成功した.


海底カルデラ火山におけるトラップドア断層破壊による津波発生を報告する研究は,世界的にも過去に例がありませんでした.本研究で,同現象による火山性津波の発生メカニズムを初めて提案したことは,火山起因の津波現象の理解を進め,海域火山による津波災害リスク軽減へとつながる重要な成果といえます.またこれらの結果は,直接の観測が困難な海域火山である須美寿カルデラでの定常的で活発な火山活動を示唆するもので,今後の火山活動を注意深く監視する必要があることを示唆します.加えて,これまで南米・ガラパゴス諸島の陸上火山・シエラネグラ火山でのみ観測されてきたトラップドア断層破壊が,日本南方沖の海底火山においても発生していたことを初めて明らかにしたことで,地球上で発生する多様な火山現象の理解を目指す火山学への貢献も期待されます.

JST日本・アジア青少年サイエンス交流事業2022/JST Sakura Science Plan 2022

JST日本・アジア青少年サイエンス交流事業(さくらサイエンスプラン)が、2022年8月に2年ぶりに現地開催されました。台湾、インド、韓国、インドネシア、マレーシアから8名の参加者が来所し、中国の学生1名がオンラインでの参加をしました。

写真は巡検で訪れた白根山。

JST: Sakura Science Plan held August, 2022.
8 students from Taiwan, Korea, Indonesia, Malaysia and India visited ERI, and one student from China participated via online.

Picture taken at field trip to Shiranesan volcano.

Friday Seminar (9 November 2022) Thorsten Becker (UT Austin)

Title: On convective memory

 

Abstract:

Plate tectonics is the surface expression of mantle convection, but many aspects of the present-day tectonic setting depend on the history of how this system has evolved over time. I review recent work across spatio-temporal scales addressing how such convective memory can be used to validate tectonic scenarios and to better understand and predict how plate boundaries evolve consequently. Seismic anisotropy in the upper mantle is one recorder of convective deformation and the duration over which textures are reworked controls the lifespan of memory. This means that the asthenospheric depths show us present-day to recent convection, while shallower regions may allow distinguishing between different plate tectonic scenarios over the last ~50 Ma. Uncertainties about those scenarios and slab rheology mean that our understanding of the important issue of the path that slabs take into the deep mantle is still incomplete, leading to a range of estimates of mantle memory of past subduction. One particular question is how slabs are deformed upon bending in the trench, and I show results from convection models with rheological memory that can reproduce large offset faulting at the trench. Those models also show emergent slab segmentation, which may be relevant for the interpretation of deep mantle anomalies such as under Japan. The same sort of lithospheric rheologies with damage produce interesting effects in global mantle convection models which generate plate-like convection, and I close with an exploration of the typical timescales of fluctuations in convective heat transport as a function of plate boundary dynamics.

着任セミナー(2022年10月28日)毎田悠承(災害科学系研究部門)

題目:損傷制御型コンクリート系構造の実現を目指して

要旨:

これまで,地震災害時の人命保護はもとより,建築物の骨組,非構造材,継続使用性などを保護できる損傷制御型コンクリート系構造の実現を目指して研究を実施してきた。制振ダンパーをコンクリート系構造物に合理的に活用して,地震時の応答低減,靭性能向上,損傷抑制を実現するため,コンクリート系部材との接合部,制振ダンパーを取り付けたコンクリート系構造の部材・部分架構・全体架構の構造実験と数値解析を行い,その力学挙動把握と構造性能評価について研究を行ってきた。近年では,鉄筋とコンクリートの付着を除去することで部材の損傷を制御する技術や,既存建築物の耐震補強工法の開発,柱梁接合部の新たな損傷制御技術の開発なども実施している。また,ドローンを用いた建築物の損傷評価,災害調査に関する先端的な研究も行っている。さらに,国内外で起こった大規模地震の際には現地調査を実施し,調査結果の分析や,被災した建築物の再現解析なども行っている。本セミナーでは,これまでに行ってきた研究活動と,今後予定している研究活動について紹介したい。

Friday Seminar (21 October 2022) James Gaherty (Northern Arizona Univ.)

Title: An Ocean-Bottom View of Mantle Convection Beneath the Pacific Basin

 

Abstract:

The Pacific basin provides an outstanding natural laboratory for studying a wide range of tectonic and upper-mantle dynamic processes: seafloor spreading, hotspots and other midplate melting and volcanism, multiscale thermal convection, and subduction dynamics, to name just a few.  Historically, direct geophysical constraints on these processes were limited to low-resolution, long-wavelength imaging due to the restriction of most geophysical instrumentation on the surrounding continents and isolated islands.  Over the last decade, advances in seafloor instrumentation (both seismic and electromagnetic) has enabled innovative high-resolution, localized investigation of many of these processes under the umbrella of the grassroots international collaboration PacificArray.  Here I introduce new emerging results from the US ORCA (OBS Research on Convecting Asthenosphere) project, consisting of two year-long seismic arrays in the central and south Pacific.  ORCA was designed to image upper-mantle seismic wavespeeds in two regions where satellite-derived gravity variations display long, linear structures suggestive of small-scale convection in the upper mantle.  At the first site, we find linear blobs of fast and slow material in the mantle beneath the oceanic plate, parallel to the gravity features. These represent cold sinking and warmer rising material, revealing a highly dynamic convective system underneath the plate.  By combining these results with constraints on absolute shear velocity and seismic anisotropy in the two ORCA regions and previous analyses from across the Pacific, we are gaining an improved understanding of the processes controlling the formation, modification, and evolution of the ocean plates and the underlying convection system.

Friday Seminar (14 October 2022) Hejun Zhu (UT Dallas)

Title: Mapping subduction-induced mantle flows

Abstract:
Laboratory experiments and geodynamic flow simulations demonstrate that poloidal- and toroidal-mode mantle flows develop around subduction zones, driven by the downdip motion and rollback of subducting slabs. To date, inferring deep mantle flow circulation patterns in actual subduction environments using shear wave splitting or surface wave tomography remains elusive, due to limited depth or lateral resolution of these techniques. In this study, we use a new 3-D azimuthal anisotropy model constrained by full waveform inversion to infer deep subduction-induced mantle flows underneath the Middle American and Cascadian subduction zones. At depths shallower than 150~km, poloidal-mode mantle flow is observed perpendicular to the trajectory of the Middle American and Cascadian Trenches. From 300 to 450~km depth, return flows surround the lateral edges of the descending Rivera, Atlantic and Gorda slabs. Furthermore, at 700~km, the study region is dominated by the Farallon anomaly, with fast axis directions perpendicular to its strike, suggesting the development of latticepreferred orientations by substantial strains. These observations provide depthdependent constraints on seismic anisotropy for future mantle flow simulations, and call for further investigations about the deformation mechanisms and elasticity of minerals in the transition zone and uppermost lower mantle.

第16回サイエンスカフェ(オンライン)開催報告

第16回サイエンスカフェを地震・火山噴火予知研究協議会と広報アウトリーチ室の共同で、2022年9月16日にオンラインで開催いたしました。

 
 16回目となる今回は、「群発地震」というテーマで開催し、話題提供者に 酒井慎一 教授(東京大学地震研究所・情報学環),飯尾能久 教授(京都大学防災研究所)を迎え、加藤尚之 教授の司会のもと石川県能登地方の地震活動など最近の観測事例も含め,群発地震の研究の状況について話題提供していただきました。


<地震・火山噴火予測研究のサイエンスカフェ >
地震や火山噴火に関する研究の成果は、予測の基礎となることが期待されています。これまでの研究から、地震や火山噴火のメカニズムへの理解は深まってきました。また、今後発生する可能性のある地震や火山噴火を指摘することもある程度はできます。しかし、規模や発生時期についての精度の高い予測はまだ研究の途上です。このサイエンスカフェでは、地震・火山噴火の予測研究の現状について研究者と意見交換を行い、研究者・参加者双方の理解を深めることを目的とします。

佐竹 健治 教授・所長、加藤 愛太郎 教授、堀 宗朗名誉教授が令和4年防災功労者内閣総理大臣表彰を受賞

佐竹 健治 教授・所長、加藤 愛太郎 教授、堀 宗朗 名誉教授が、令和4年防災功労者内閣総理大臣表彰を受賞しました。

左: 加藤 愛太郎 教授  右: 佐竹 健治 教授・所長

※ 防災功労者内閣総理大臣表彰は、『「防災の日」及び「防災週間」について』(昭和 57 年 5 月11 日閣議了解)に基づき、災害時における人命救助や被害の拡大防止等の防災活動の実施、平時における防災思想の普及又は防災体制の整備の面で貢献し、特にその功績が顕著であると認められる団体又は個人を対象として表彰するものです。
内閣府HP「令和4年防災功労者内閣総理大臣表彰の受賞者決定について」より引用)