重点検討課題を中心とした議論の紹介

4.その他の「重点検討課題」

4.1 内陸地震のモニタリング

 内陸で発生する被害地震の多くは,活断層が動いて起きる地震です.個々の活断層が動いて起きる地震は,プレート境界に比べるとその発生間隔が長いため過去の発生事例等の知識が十分に蓄積されていません.しかし,地震活動のモニタリングや物理的な探査など,いろいろな調査によっていくつかの特徴的なことが分かってきています.
 図4.1.1は内陸地震を起こす断層面の模式図で,垂直の断層面を持った横ずれ断層をイメージして示したものです.断層の周辺で地震波速度構造を調べると,地震波速度の速い,つまり硬いところと,地震波速度の遅い,つまり柔らかいところが分布していることが分かります.図4.1.2は比抵抗構造を調べた結果ですが,深い部分には比抵抗が小さい,すなわち流体があるような場所が見つかり,微小地震の分布を見ると,比抵抗の高いところの周り,比抵抗の低い領域との境界で発生していることが観測されています.小さな地震が起きているというのは断層面が「ゆっくり滑り」を起こしている可能性がありますし,微小地震の発生が見られない比抵抗の高いところは,普段は固着していて地震時に大きくずれる領域(アスペリティ)の可能性があります.

  断層面の模式図
図4.1.1 内陸地震を起こす断層面の模式図 東大地震研資料(第185回重点検討課題)

比抵抗断面
図4.1.2 跡津川断層を含むひずみ集中帯を横断する比抵抗断面 東工大資料(第185回重点検討課題)

 図4.1.3は,さらに広域の地下構造を示したもので,東北地方の模式的な断面です.図の右側が東で太平洋岸,左側が西で日本海側になります.中央部は脊梁山脈ですが,そこでは地下からマグマが上昇してきていて全体に温かくなっていて,地殻の硬い部分が薄くなっている様子を表しています.東北地方は東側から太平洋プレートの沈み込みで押されて東西方向に圧縮され,中央部が盛り上がって山になりますが,そのふもとには断層ができます.このような場所で内陸地震が起きるというイメージです.このような地学的なイメージをシミュレーションで再現したものが図4.1.4です.東北地方は実際に中央部が地温勾配が高い,すなわち地殻が温かく,火山などがあります.それを上段右図のような最初の状態において東西から圧力を加えると,地形が変形して下段左図のような隆起が起き,ひずみは下段右図のように山のふもと,実際には断層があるような場所に集中していくという特徴が再現されています.

ひずみ・応力集中・地震発生と地下構造の関係
図4.1.3 東北日本弧のひずみ・応力集中・地震発生と地下構造の関係 東北大資料(第185回重点検討課題)

変形過程の3次元モデル
図4.1.4 脊梁山脈周辺の変形過程の3次元モデル 建築研究所資料(第185回重点検討課題)

関連の重点検討課題
第185回重点検討課題「内陸地震準備過程のモニタリング」の検討
  【概要】 | 【会報】第84巻 12-1 〜 12-9

4.2 内陸で発生する地震について

 西日本では,南海トラフの大地震発生サイクルにおいて,内陸の地震が活発化するのはサイクルの後半であるという指摘があります.近畿・中国地方東部では,歴史的に被害地震のほとんどが南海トラフ沿いのM8クラスの巨大地震前後に発生していること示しているのが図4.2.1です.時間軸に沿って南海トラフの大地震発生50年前から10年後までの期間を灰色に塗っていますが,近畿・中国地方東部で記録されている被害地震の多くはその時期に発生していることがわかります.このようなことから,南海トラフの大地震の前には西日本が地震の「活動期」に入ると言うような言い方がされるのです.

内陸地震の活動期とは?
図4.2.1 西日本の内陸地震の活動期とは? 海洋研究開発機構 堀氏資料(第196回重点検討課題)

 このような現象が起きる背景を検討した考察が図4.2.2です.南海トラフ沿いの大地震が発生すると,内陸にかかる力のバランスが変わり,地震が「起きにくく」なる活断層があること,前回の東南海・南海地震により地震発生が抑制されたとみられる断層では,最近は地震が増加する兆候が見られることを示しています.すなわち,一旦発生頻度が下がったものが,前回の南海トラフの大地震の影響から脱するだけの時間が経ったことで,発生頻度が上がってくる状況を,「地震の活動期」に入った,と見ているということです.

メカニズムにもとづく現状評価
図4.2.2 メカニズムにもとづく現状評価 海洋研究開発機構 堀氏資料(第196回重点検討課題)

 東日本では,東北地方太平洋沖地震の発生後,内陸での地震活動の様相が大きく変わりました.それ以前は地震活動が見られなかった断層沿いに発生した地震として2011年4月11日に発生した福島県浜通りの地震があります.ここでは地盤にかかる力のバランスがそれまでの東西方向の圧力から東西方向の張力に変わったことで,正断層型の地震が群発的に発生しました.地形からは活断層が存在する可能性があることは推定されていましたが,断層変位地形が明瞭ではない,すなわち頻繁に活動するような断層ではないところで,大きな地震がおきたのです.
 図4.2.3は今回の地震が起きた場所がそのような活動度の低い断層として想定されていたことを示します.過去の活動履歴を調べるために,断層のずれが確認された場所を掘るトレンチ調査が行われました.この結果を示したものが,図4.2.4です.これによって,今回の地震を起こした井戸沢断層では,一万数千年前にも正断層型の地震が発生していたことがわかりました.すなわちこの断層は,通常のプレート沈み込みによる圧力がかかっている時期ではなく,海溝型の大地震が発生した後の力のバランスが張力に変わった時期に活動する断層であるということが想像できるのです.東北地方太平洋沖地震の後,日本列島にかかる力のバランスが変わったということは,他にもこのような影響を受ける断層があるかも知れないということで,注意が必要です.

震源域の活断層
図4.2.3 2011年4月11日の地震の震源域の活断層 京都大学 堤氏資料(第196回重点検討課題)

トレンチ調査結果
図4.2.4 井戸沢断層のトレンチ調査結果 京都大学 堤氏資料(第196回重点検討課題)

関連の重点検討課題
第196回重点検討課題「内陸で発生する地震について」の検討
  【概要】 |  【会報】第89巻 12-1 〜 12-5 

4.3 地震波干渉法

 地下の構造を調べるためには地震波を使うことが従来から行われていました.特に,精度良く地下の構造を調べる場合は,震源の位置や地震の波形を設定できる人工地震を使っていました.しかし,近年は大量の地震計データをデジタル的に処理することができるようになったため,一つの自然地震の記録を同時に2カ所で記録したデータを処理することで,片方が震源,片方が観測点であるような仮想的な信号が合成できるようになりました.これらの仮想的な信号を使うことで,多数の測線で構造探査の記録を得たのと同様の地下構造を調べることができます.これを地震波干渉法といいます.
 図4.3.1は,地震波干渉法で得られた結果です.首都圏に設置された約400点の地震計からなる地震観測網「MeSO-net」のデータで関東地方の地下構造を調べたものです.左下図は横軸は水平距離で縦軸は深さ方向を示していて,ある深さに沿って強い模様が見えています.これが関東地方の基盤の深さを表すと考えられます.地震波干渉法では,人工地震のための発破など大がかりなことをせずに,自然の振動を使ってこういうものが見られるというのが利点です.さらに,地震波干渉法は平常時の震動データを使って解析ができるので,地下構造の時間変化をモニタリングする等のこれまではできなかった活用も検討されています.

関東地方の地下構造
図4.3.1 MeSo-netのデータを用いて地震波干渉法で推定した関東地方の地下構造 横浜市立大学資料(第184回重点検討課題)

関連の重点検討課題
第184回重点検討課題「地震波干渉法」の検討
 【概要】 | 【会報】第83巻 12-9 〜 12-16

4.4 日本列島の長期広域変動について

 地震発生を予測するためには,応力と強度とひずみエネルギーの時空間変化を把握しなければなりませんが,現状ではそれらを直接測定することはできません.我々ができるのは地震活動と地殻変動の過去の履歴を調べ,それらを説明する最適なモデルを構築することまでで,そのモデルから将来予測を行うしかありません.大きな地震を説明するモデルを作る場合には,広域のプレート運動,長期にわたる日本列島の変動履歴,および広域の地下構造に関する知見が必要になります.たとえば図4.4.1に示したように,日本海沿岸に沿った領域は,日本海が拡大したときに地殻が大きく引き伸ばされた場所(背弧リフト)なので強度が弱く,そのために,その後,日本列島が東西短縮場になってからは,そこで大規模な褶曲変形を起こしたことが構造探査等から確かめられていますが,このような知見無しで島弧をモデル化しても,地震の発生予測に繋げることは難しいでしょう.
 また,地殻には昔作られた「古傷」があり,そこが再活動することによって地震が生じると考えられていますが,岩石の温度が上昇したり,地下深部から水が供給されると,この「古傷」の強度がさらに低下することが知られています.温度上昇をもたらす起源は地下のマグマであり,そのマグマの生成にも水の供給が必要であることがわかっています.これらの水は,海洋プレートの沈み込みに伴って島弧深部に持ち込まれ,そこから上昇してきていると考えられています.上記のような長期・広域の知見をもとに,沈み込み帯の動的構造をモデル化し,それに基づき温度と水の分布も推定することにより,沈み込み帯の地震と火山を統一的に理解して,地震・火山噴火予測実現に繋げることができると期待されます.さらに,地殻内の応力や強度の分布について少しでも情報を収集し,それを蓄積していくことも地震発生予測のために重要です.


日本列島周辺の地殻変形
図4.4.1 日本列島周辺の地殻変形 東京大学地震研究所資料(第203回重点検討課題)

関連の重点検討課題
第203回重点検討課題「日本列島の長期広域変動について」
【概要】 | 【会報】第92巻 12-8 〜 12-12 

4.5 東北地方太平洋沖地震がもたらす広域地殻活動

 東北地方太平洋沖地震は,日本列島の地殻活動に広域かつ多大な影響を及ぼしました.地震時の地殻変動が非常に大きかったこと,地震直後に誘発的な地震活動が活発化した地域が東日本を中心にあちらこちらに見られたこと,その後の余効的地殻変動が長期/広域に見られていることなど,時間的,空間的に影響の大きさを示す事象が様々あります.
 ここでは,地震後数年間にわたる日本列島全体の地殻変動を地震前の状況と比較して見ることで,東北地方太平洋沖地震の影響について概観します.地殻の「歪み」(水平方向の変形)や「隆起/沈降」(上下の変動)を見るためには,全国に展開された電子基準点のデータを使っています.電子基準点の日々のデータには気象条件などにも影響された誤差が含まれますので,一定の期間(図1,図2では8日間)の平均を取った上で1年間の変動量とし,それをさらに空間的になめらかにつなげる(平滑化)することで地域毎の特徴を表すようにしています.このような処理をすることにより,たとえ地殻変動でない異常な値が元のデータに混ざっていても,全体的な地殻変動のパターンを正しく認識するための図を作ることができます.水平歪みの図では「参照点」を固定することなく地面の変形を評価することができるのも特徴です.
 図4.5.1は,地震前(1999年1年間)と地震後(2014年1年間)の日本列島の地殻水平歪みを比較したものです.短縮(押し縮められる)変形をしているところは青い色で,伸張(引き伸ばされる)変形をしているところは赤い色で表されています.
 地震前の変形((a)左図)は,日本列島のほとんどが短縮変形の場にあったことを示しています.この短縮は,東側から太平洋プレートが,南東側からフィリピン海プレートが日本列島に向かって進んできて,その下に沈み込んでいくことで引き起こされていたと考えられています.青い矢印はどの方向に最も大きく縮んでいたかを示すもので,東西方向から北西-南東方向の短縮が目立っていることが分かります.
 地震後の変形((b)右図)は,一部の地域が伸張の赤い色になっています.伸びの変形となっているのは,北海道南西部、東北地方の北部・日本海側、中部日本といった地域です.東北地方の太平洋側は,地震直後は伸びの変形の領域でしたが,次第に短縮の場に変わり,この図の2014年時点では青い矢印の向きで分かるように,牡鹿半島周辺では東西方向の短縮,奥羽山脈周辺では南北方向の短縮が見られています.また,フィリピン海プレートの沈み込みの影響をより強く受ける西南日本では,北西-南東方向の短縮の変形が見られています.
日本列島のひずみの主軸と面積ひずみ分布日本列島のひずみの主軸と面積ひずみ分布
図4.5.1 日本列島のひずみの主軸と面積ひずみ分布.(a)1999年1年間(東北沖地震前).(b)2014年1年間(東北沖地震後). 国土地理院 水藤尚主任研究官資料(第209回重点検討課題)

 図4.5.2は図4.5.1と同じ期間で,地震前と地震後の上下変動を示したものです.青い色が沈降を,赤い色が隆起を表します.なお,上下変動では絶対的な上下動を抽出することが難しいため,参照点を固定して表示するのが普通です.図2では東北地方太平洋沖地震やその他の地震/火山イベントの影響をあまり受けていないと思われる島根県浜田市にある電子基準点「三隅」を参照点としています.
 地震前((a)左図)では東北地方の太平洋側で沈降の傾向が見えていたところでも,地震後((b)右図)では隆起の傾向が広く見られます.これは地震時に大きく沈下した領域が反転して隆起している状況です.ただし,地震時の沈下量を短期間で回復するような隆起速度ではありません.一方,東北地方の日本海側では,地震前には隆起していた地域が,地震後には沈降に傾向が変化しています.東北地方での隆起・沈降の境目はほぼ奥羽山脈に沿っています.この隆起沈降の境目が時間的に変化するかどうか気になるところですが,2015年以降でも同じ状況を示す観測結果があります.(地震予知連絡会会報95巻p74-75の上下変動図を参照)
日本列島の上下変動日本列島の上下変動
図4.5.2 日本列島の上下変動.(a)1999年1年間(東北沖地震前).(b)2014年1年間(東北沖地震後).星印で示す三隅観測点に対する変動. 国土地理院 水藤尚主任研究官資料(第209回重点検討課題)

 このように,広域の地殻変動の傾向が地震前と地震後で変わった背景としては,東側から沈み込む太平洋プレートと陸側のプレートの固着(くっつき具合)が地震時に緩んだものがまだ回復していない,と言う状況と,地殻/上部マントルが地震時の大きな変形から,平衡状態に戻るように粘弾性的にゆっくり変形している,という状況があると考えられています.

関連の重点検討課題
第209回重点検討課題「東北地方太平洋沖地震がもたらす広域地殻活動」
【概要】 | 【会報】第95巻 12-7 〜 12-12 

4.6 余効変動と粘弾性−日本列島広域地殻活動予測に向けて−

 大地震が発生すると,地震時に大きな地殻変動が起きるだけでなく,地震後もゆっくりとした地殻変動,すなわち「余効変動」が続くことが観測で確認されてきました.地震時の地殻変動は,地震を引き起こした断層滑りが地殻の変形を引き起こすもので,この変形は瞬時に起きる「弾性的変形」であるとして,理論的にも断層滑りとの関係がモデル化できるようになっています.一方,地震後の余効変動は,その原因として「余効すべり」(地震時にずれた断層及びその周辺・延長部が地震後もすべり続ける効果)と「粘弾性緩和」(地震時に生じた大きな変形を平衡状態に戻すように上部マントルがゆっくりとした流動を起こす効果)が考えられていましたが,十分なモデル化は出来ないでいました.これは,粘弾性の影響を考えなくてはいけないような大規模な地震の数がそもそも少ないこと,そして余効変動はゆっくりと進行するため,モデル化をするために必要な観測データが集積するには長い時間がかかることが研究を難しくしていたからです.しかし,東北地方太平洋沖地震の発生から5年が経過し,陸上にある多数の電子基準点と,震源域周辺の海底地殻変動観測点のデータが集積されたことにより(図4.6.1),モデル化の試みが出来るようになってきました.
 ここでは,より長期の変動に寄与する粘弾性の効果に焦点を絞りモデル化を試みました.陸側のプレートと沈み込む海洋プレートは流動的な変形をしない弾性体と想定し,上部マントルを粘弾性体と仮定して,地震後5年間の余効変動を説明するためのモデルを作り,計算値と実測値を比較する検討を行ったところ,陸地の下も海の下も同じく一様な粘性構造を仮定した場合,水平変動は説明できるものの,観測される上下変動とはかなり食い違うことが分かりました(図4.6.2).図4.6.3に示すようないくつかのモデルで検討した結果,粘性構造の不均質が存在することが観測値を説明するためには必要で,海洋プレート下には低粘性(流動性が高い)の領域を考える必要があること,海の下(海洋マントル)と陸地の下(マントルウェッジ)では異なる粘性率(陸側の粘性率が低い)を想定し,さらに深さによる粘性率の違いを考慮することが必要なことが分かりました(図4.6.3,モデル4).このモデルにより,宮城県沖で西向きの余効変動が観測されていること,東北地方太平洋岸で隆起が続いていること,中部地方でもわずかではあるけれど隆起傾向が見られることなどが説明できることが示されています.ただし,このモデルでも,定量的には東北地方の北部と南部及び関東地方の東向きの変動量や東北地方の上下変動について若干の違いがあり,時間的な変動の経過も必ずしも説明できません.さらに観測データの集積を待ってより詳細な構造を持ったモデルの作成を検討する余地が残されています.



図4.6.1 GPS-Aにより観測された東北地方太平洋沖地震後の余効変動(Watanabe et al., 2014).震源域周辺では、陸域とは逆の西向きの変動が見られる. 海上保安庁資料(第215回重点検討課題)

余効変動モデル

図4.6.2 (モデル1)マントルに均一な粘性構造を仮定した場合に推定される余効変動と観測値の比較.水平変動では宮城県沖の西向き変位を説明できるが,上下変動では東北地方太平洋岸の隆起を説明できない.陸側(マントルウェッジ)と海側(海洋マントル)の粘性の寄与を分けて計算しモデルの調整すべきポイントを確認した. 国土地理院 水藤尚主任研究官資料(第212回重点検討課題)

余効変動モデルモデル

図4.6.3 (モデル2)海洋マントルの粘性率を高くすると沿岸の隆起は説明できるが宮城県沖の西向きの変動量が小さくなりすぎる.(モデル3)海洋プレートの下に低粘性の領域を仮定すると,沿岸の隆起や宮城県沖の西向き変動が再現できるが,震源から離れた中部日本から西日本の隆起傾向が説明できない.(モデル4)さらに海洋マントル,マントルウェッジの粘性率が深さによって異なる層構造を仮定することで,水平変動,上下変動とも大局的な傾向は合わせることができる. 国土地理院 水藤尚主任研究官資料(第212回重点検討課題)

関連の重点検討課題
第212回重点検討課題「余効変動と粘弾性−日本列島広域地殻活動予測に向けて−」
【概要】 | 【会報】第97巻 12-1 〜 12-7 
第215回重点検討課題「海域モニタリングの進展」の検討
 【概要】 

4.7 兵庫県南部地震から20年の内陸地震の研究

 兵庫県南部地震では,野島断層と呼ばれる既知の活断層が震源となったことから,活断層調査が内陸の地震の評価に有効であるという認識が広がりました.以来,全国110の主要活断層の調査が行われ,地震調査委員会による長期的な地震発生確率の評価(長期評価)が公表されています.しかし,この20年で実際に起きた内陸の被害地震は,ノーマークの活断層だったり,想定された規模より小さかったりしています.2004年中越地震(M6.8)もそのような地震の一つです.図4.7.1は中越地震の際に,六日町盆地西縁断層帯北延長部の地表に現れた約10 cmのずれを示しています.背後にある2 mの高さの崖は過去の断層活動でできた崖です.この地点でトレンチ掘削調査を実施したところ,過去には断層が一度に1.5 mもずれ動くような地震が起きていたことがわかりました.つまり活断層から発生する地震の規模には多様性があり,固有の規模のくり返しでは説明できないことがわかります.このような事実から,長期評価のやり方も見直されるようになり,試行錯誤が行われています.


中越地震のトレンチ調査
図4.7.1 2004年新潟県中越地震(M6.8)のトレンチ調査 産業技術総合研究所資料(第206回重点検討課題)

関連の重点検討課題
第206回重点検討課題「兵庫県南部地震から20年 活断層研究の進展と課題」
【概要】 | 【会報】第94巻 12-7 〜 12-11 

4.8 平成28年(2016年)熊本地震

 熊本地震はその被害の大きさだけでなく,活断層の存在が知られていたその場所で発生した内陸の大地震として注目され,詳しい調査や研究が行われています.一般的な報道では,地図の上に「活断層」の線が引かれた図が示されますから,一枚の断層がすっぱり切れてそこで大地震が起こったようなイメージを持ちますが,実際はもっと複雑です.ここでは,本震およびその前後の地震活動について,詳細な震源位置の解析を行った研究結果を紹介します.
 第4.8.1図は,九州大学を中心とする研究グループが,布田川-日奈久断層帯の周辺に展開した臨時観測点のデータを,気象庁・防災科研,大学の定常観測点のデータと併せて解析して決定した詳細な震源分布を示したものです.この地域では,熊本地震発生以前から,断層及びその周辺で定常的に地震活動があったことが分かります.(図では灰色の震源)4月14日のM6.5の地震(図上では東側の白い☆)が起きると,日奈久断層の走向に沿って地上のトレースよりはやや西側に分布する震源の列が現れます.(緑色の震源)

熊本地震地域及び周辺の震源分布
図4.8.1 熊本地域および周辺の地震活動.震央の色は図上の期間ごとに分けられている.M6.5,M7.3の地震の発震機構解(灰色:P波初動解,カラー:気象庁によるCMT解)を図中に示す.星印は2016年4月14日以降のM5以上の震央を示す.赤線は活断層の位置を示す.図中の破線は第4.8.2,4.8.3図の震源鉛直断面を取った位置. 九州大学・京都大学・2016年熊本地震合同地震観測グループ資料(第211回重点検討課題)

 第4.8.2図は布田川断層に直交して横切る断面,第4.8.3図は日奈久断層に直交して横切る断面での震源分布を示したものです.それぞれの断層がすっぱりと切れて動いたなら,余震の分布も断層面に沿って1列に並ぶように見えるはずです.実際に,布田川断層近傍の断面A7では,北西側に向かって深くなる断層面を示す震源の並びが見られます.しかし,布田川断層側のこのほかの断面では,いくつもの震源のかたまり(クラスター)が見られています.すなわち,明瞭な断層面を示すような震源の並びが見えません.
 一方,日奈久断層に対応する断面,たとえば南側のB1からB6の区間では,高角の(傾斜角の大きい)断層面を示すような震源の並びが一つだけではなく,いくつかあることが分かります.断層と推定される震源の並びについて,図上には左下がり(北西側に深くなる)ピンクの線が引かれています.これは単純に1枚の断層が動いたのではなく,複数の断層が動いたことをうかがわせる観測結果です.

N55°Eに直交する断面での震源分布
図4.8.2 N55°Eに直交する断面での震源分布.断面位置は第4.8.1図に示す.図中のシンボルは図4.8.1と同じ. 九州大学・京都大学・2016年熊本地震合同地震観測グループ資料(第211回重点検討課題)

N30°Eに直交する断面での震源分布
図4.8.3 N30°Eに直交する断面での震源分布.断面位置は第4.8.1図に示す.図中のシンボルは図4.8.1と同じ.震源分布のリニアメントから推定した断層位置をピンクの線で示した. 九州大学・京都大学・2016年熊本地震合同地震観測グループ資料(第211回重点検討課題)

 このように,地表面に引かれた「断層」の線だけからでは分からない複雑な地下の動きが熊本地震の震源域では起きていたことが臨時地震観測点を含む稠密な地震観測の結果から分かりました.

関連の重点検討課題
第211回重点検討課題「平成28年(2016年)熊本地震」
【概要】 | 【会報】第96巻 12-7 〜 12-26 
2017.08.14 更新
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