2011 年東北地方太平洋沖地震発生前後の国土地理院電子基準観測点の地盤変動
2011.07.01 web 公開
2011.10.21 更新
岐阜大学流域圏科学研究センター
流域情報研究部門

流域 GIS 研究分野 久世益充(kuse@gifu-u.ac.jp)

流域情報研究部門 地盤安全診断研究分野 杉戸真太(sugito@gifu-u.ac.jp)

概説
国土地理院の GEONET(GPS 連続観測システム)は、現在 1240 地点に達しており、長年にわたって地殻変動に関するきわめて貴重なデータを配信してきている。これらは、1995 年兵庫県南部地震以降に全国に設置された強震観測網（K-NET, KiK-net）による強震記録の即時配信とともに、我が国における様々な分野の研究推進に多大な貢献をしてきた。
東北工業大学の神山眞名誉教授は、志津川観測点(宮城県）の経度の変動において本震の数日前からの東方に卓越した変動傾向があることを既に指摘している（神山眞, 2011）。この指摘を受け、東北地域の各基準観測点での本年 1 月
1 日からの水平方向と鉛直方向の一日毎の変動をメートル単位で整理し、取りまとめた。
地震発生 3 日前からの漸増的な基準点のずれは、宮城、岩手両県の 16 地点において見られ、これらのすべての基準点においてほぼ東方への水平のずれが卓越している。また、1944 年東南海地震発生直前に静岡県掛川で、南東に向かっての上下方向の漸増的相対変動が観測されている(茂木清夫,1982）が、上記の 16 地点においても、漸増的なもの
ではないが 3 日前からの上下方向の絶対変動が認められた。
各基準点における変動は、前述したように、2011 年 1 月 1 日時点の緯度経度に対する座標値からの変動量として算出したものである。具体的には、GEONET が公開している日単位の座標値（F3 データ）を用いた。水平方向の変位量
は，F3 データの緯度経度情報を平面座標に投影（秋山実,1996）し、1 月 1 日の座標値に対する変位量を算出した。鉛直方向については、標高データを用いて，1 月 1 日の標高に対する変位量を求めた。

表－１ GEONET 基準点における水平、鉛直方向の最大変位量［降順表示］
各基準点における 2011.1.1.からの水平方向（ベクトル合成量）、ならびに鉛直方向の最大変位量(2011.6.17.現在）を水平方向変位量の降順に 27 地点について示した。水平変位は各地点ともほぼ東方に卓越している。

図－１ 東北地域における GEONET 基準点分布
東北地域における国土地理院の GEONET(GPS 連続観測システム)の各基準点の分布を示している。全国で1240 地点配備されている各基準点は、それぞれ 20km 以内に存在している。

図－２ 各基準点の変動(予兆現象が顕著に見られる地点)

図－２(1)～(16)に、各基準点における 2011.01.01.時点からの変位量、地点位置、水平面上での変位軌跡を示した。
各図の上段には、水平方向(ベクトル合成)、鉛直方向の変位量が、2011.02.01.から 03.31 まで示されている。変位量は、各日の日本標準時の 21:00 での値である。したがって、03.11.の値は地震発生(14:46 頃)から 5 時間程度後の変位量を表している。
各図の中段左には、3 月 10 日までの各日の変位量を、上段のスケールを 100 倍にして示されている。水平方向変位の日変化において、地震発生直前の 3 日間(03/08、09、10)において、それ以前とは明らかに異なる有意な漸増現象が 16 地点すべてにおいて認められる。また、鉛直方向変位においては、03/08 においてやや顕著な沈下が発生し、その後の 2 日間も大きく回復することなく沈下の状態が保たれ、03/11 の地震発生後に大きく沈下していることが認められる。
各図の下段左は、東西ならびに南北方向の水平変位量を示している。地震前 3 日間の東西方向の変位量は、中段のベクトル合成された変位量のそれらとほぼ対応しており、各地点ともほぼ東方に変位していることを示している。
また、下段右は、02/01～03/10 の期間（地震発生直前まで）における水平成分の変位軌跡を示したもので、03/08、09、10 については●印を付けている。

図－３には、上記の１６基準点の位置ならびに気象庁より発表された断層面上でのすべり量の推定分布を示した。予兆現象が顕著に現れた１６の基準点は宮城北部から岩手南部の沿岸部に集中しており、断層面上の大きなアスペリティに最も近い地域と推察される。図－４に、１６基準点の水平変位の変動をまとめて示した。
本震前日の 3 月 10 日までの各基準点の水平変動（図－４の下図）において、若干のばらつきは含まれるが、最後の３日間(03/08、09、10)で各基準点で同様に漸増している傾向が認められる。



図－５ 各基準点の変動(予兆現象が顕著に見られない地点)
図－５ (1)～(3)には、予兆現象が顕著でなかった事例を示した。これらは、断層面のずれが最大と推定されている震源のやや南方のアスペリティから離れた位置にある、(1)岩手県久慈、(2)新潟県黒川、(3)群馬県大田原、の基準点である。地震後の最終水平変位は 1m 程度で、図－２の事例と比較して変位量の絶対値が小さいケースである。これらの地点においては、図－２の１６基準点の事例にみられる予兆的な変動が認められない。

まとめ1.

国土地理院の GEONET(GPS 連続観測システム)で得られた電子基準点観測データから、海溝型巨大地震の発生直前に発現する可能性が高いとされている予兆的現象を示唆する漸増的な変動が宮城県、岩手県の沿岸部で共通して認められた。ただし、本震の 2 日前にあたる 3 月 9 日に、前震に相当すると考えられる M7.3の地震が発生しており、この地震前後における各基準点の岩崎基準点（青森県西部）からの相対変動が最大3cm 程度にまで達していることが国土地理院より報告されている。 したがって、各基準点で見られる 3 日前からの漸増的変動を、いわゆる Slow-slip と呼ばれる断層全体のゆっくりとした動きに起因する狭義の前兆現象と結論付けることは現時点ではできない。しかしながら、比較的広域の地域において、陸域地盤の同等な漸増的絶対変動があったことは事実であり、“広義の前兆現象”とみなすことができる。

2.

今回の解析では、本年 1 月 1 日における各基準点位置からの相対的な変動量をメートル単位で算出し、その日変化を検討した。その結果、最大水平変位が 3.5m を超える 16 の基準点において、地震発生前の 3 月 8～10 日の 3 日間においてほぼ東方への顕著な水平変位の漸増が見られた。3 日間の総変位量は 3～5cm 程度であった。
また、これらの基準点においては、同期間における鉛直方向の沈下の傾向についても認められた。

3.

最終変位量が 1m 程度の基準点においては、その地盤変位の日変化において地震発生前における漸増的現象は見られなかった。

4.

海溝型巨大地震発生直前の予兆現象としては、1944 年東南海地震発生直前の 2,3 日前に観測された静岡県掛川での鉛直方向の変位現象がこれまでの唯一のものであったが、今回の事例では観測地点数も多数あり、巨大地震発生前数日間におけるより明確な地盤変動の観測事例であると推察される。



参考資料①：電子基準観測点における絶対位置の日変動量算出の概要

参考資料②：志津川 GE0NET 観測点での絶対位置の日々変動［2011 年 1 月 1 日から 3 月 12 日］
神山(2011）は、志津川観測点の絶対位置の日々変動において、地震発生前の 3 日間における経度の漸増傾向を指摘している。図の横軸は、同年 1 月 1 日からの経過日数、縦軸は東経の値で、3/7 以降、3/8、3/9、3/10 において徐々に東方に移動し、前日からの増分も大きくなっていることが認められる。



参考資料③：1944 年東南海地震発生時、静岡県掛川において実施された水準測量［茂木清夫、1982］


図－③(1)：1934 年 3 月～1944 年 12 月（地震直前）までの 10 年間で、三倉に対して掛川が相対的に約40mm 沈下したが、12 月 7 日の地震直後には、100mm 程度上昇している。



図－③(2)：掛川から三倉に至る水準路線。図中の○印は一等水準点で数字はその地点番号。●印は、測量中に仮設した固定点で、通常 700～800m の間隔に設置される。①～⑨は、測線区間番号を表している。



図－③(3)：1944 年東南海地震発生直前における掛川地域の上下方向の地殻変動を表している。図中の⑦、③は、図－③(2)における測線区間番号を表している。便宜的に、⑦の区間の 12 月 3 日～6 日までの変動に③の区間の 6 日～7 日にかけての変動を重ねた図である。

参考文献
神山 眞(2011)：東北大学大学院工学研究科土木工学専攻・特別講義資料（2011 年 5 月 17 日）
茂木清夫(1982)：1944 年東南海地震直前の前兆的地殻変動の時間的変化、地震(2)，35，pp.145-148.
秋山 実(1996)：地理情報の処理，山海堂．
飛田幹男(2002)：世界測地系と座標変換、社団法人日本測量協会．

表－１

GEONET基準点における水平、鉛直方向の最大変位量［降順表示］

ファイル名
960550.11.pos
940036.11.pos
950175.11.pos
020918.11.pos
950171.11.pos950172.11.pos
960549.11.pos
020914.11.pos
950176.11.pos
020916.11.pos
051145.11.pos
960546.11.pos
950170.11.pos
020911.11.pos
940037.11.pos
020919.11.pos
020915.11.pos
950177.11.pos
020912.11.pos
950173.11.pos
950167.11.pos
950179.11.pos
940038.11.pos
960548.11.pos
940029.11.pos
950169.11.pos
020910.11.pos

図－１(2011.01.01.から0５.1４.時点までの変位量の最大値）
1/1に対する最大変位(m)ID
地点名
地点名(英語)水平
鉛直
960550 牡鹿
OSHIKA
5.715
1.117
940036 女川
ONAGAWA
5.3250.892
950175 志津川
SHIZUGAWA
4.875
0.751
20918 河北MIYAGIKAHOKU
4.717
0.594
950171 大船渡
OOFUNATO
4.652
0.774
950172 気仙沼
KESENNUMA
4.596
0.661
960549 矢本
YAMOTO
4.436
0.500
20914 宮城東和
MIYAGITOUWA
4.283
0.438
950176 涌谷
WAKUYA
4.120
0.442
20916 南方
MINAMIKATA
4.010
0.394
51145 岩手川崎Ａ
IWATEKAWASAKI-A
3.823
0.379
960546 住田
SUMITA
3.816
0.440
950170 釜石
KAMAISHI
3.816
0.602
20911 岩手大東
IWATEDAITOU
3.788
0.377
940037 利府
RIFU
3.638
0.331
20919 名取
NATORI3.526
0.273
20915 高清水
TAKASHIMIZU
3.435
0.293
950177 宮城大和
MIYAGITAIWA
3.202
0.188
20912 平泉
HIRAIZUMI
3.190
0.257
950173 栗駒
KURIKOMA
3.170
0.245
950167 山田
YAMADA
3.158
0.589
950179 亘理
WATARI
3.154
0.239
940038 相馬１
SOUMA13.118
0.309
960548 色麻
SHIKAMA
3.094
0.253
940029 水沢１
MIZUSAWA1
3.094
0.440
950169 遠野
TOONO
3.083
0.290
20910 江刺
ESASHI
3.010
0.197

東北地域におけるGEONET基準点分布（http://terras.gsi.go.jp/ja/index3.htmlより）

03/12 はデータ欠損
03/1103/1003/0903/08

水平変動軌跡03/1003/0903/0803/09 03/1003/08

図－２(1)

基準点の変動［2011年1月1日からの変動履歴、牡鹿］

03/1103/1003/0903/08

水平変動軌跡03/1003/0903/0803/1003/0903/08

図－２(2)

基準点の変動［2011年1月1日からの変動履歴、女川］

03/1103/1203/1003/0903/08

水平変動軌跡03/1003/09 03/1003/0903/0803/08

図－２(3)

基準点の変動［2011年1月1日からの変動履歴、志津川］

03/1103/1203/1003/0903/08

水平変動軌跡03/1003/0903/09 03/1003/08
03/08

図－２(4)

基準点の変動［2011年1月1日からの変動履歴、河北］03/1103/1203/1003/0903/08

水平変動軌跡03/1003/0903/1003/0903/0803/08図－２(5)基準点の変動［2011年1月1日からの変動履歴、大船渡］

03/1103/1203/1003/0903/0803/1003/09

水平変動軌跡03/0903/0803/08

図－２(6)

基準点の変動［2011年1月1日からの変動履歴、気仙沼］

03/10

03/1103/1203/1003/0903/08

水平変動軌跡03/1003/0903/08

03/0903/1003/08

図－２(7)

基準点の変動［2011年1月1日からの変動履歴、矢本］

03/1103/1203/1003/0903/08

水平変動軌跡03/1003/0903/08

03/09 03/1003/08

図－２(8)

基準点の変動［2011年1月1日からの変動履歴、宮城東和］

03/1103/1203/1003/0903/08

水平変動軌跡03/1003/0903/08

03/0903/1003/08

図－２(9)

基準点の変動［2011年1月1日からの変動履歴、涌谷］03/1103/1203/1003/0903/08

水平変動軌跡03/1003/0903/08

03/09 03/1003/08

図－２(10)

基準点の変動［2011年1月1日からの変動履歴、南方］

03/1103/1203/1003/0903/08

水平変動軌跡03/1003/0903/08

03/0903/1003/08

図－２(11)

基準点の変動［2011年1月1日からの変動履歴、岩手川崎A］

03/1103/1003/09
03/08

水平変動軌跡03/1003/0903/08

03/0903/08

図－２(12)

基準点の変動［2011年1月1日からの変動履歴、住田］

03/10

03/1103/1003/09
03/08

水平変動軌跡03/1003/09
03/08

03/0903/1003/08

図－２(13)

基準点の変動［2011年1月1日からの変動履歴、釜石］

03/1103/1003/0903/08水平変動軌跡

03/1003/09
03/08

03/09

03/08

図－２(14)

基準点の変動［2011年1月1日からの変動履歴、岩手大東］

03/10

03/1103/1003/08

03/09

水平変動軌跡
03/08

03/10
03/08

03/10

03/09
03/09

図－２(15)

基準点の変動［2011年1月1日からの変動履歴、利府］

03/11

03/12

03/10
03/08

03/09

水平変動軌跡

03/10
03/08
03/09

03/10

03/08,09

図－２(16)

基準点の変動［2011年1月1日からの変動履歴、名取］

①牡鹿(OSHIKA)②女川(ONAGAWA)③志津川(SHIZUGAWA)④河北(MIYAGIKAHOKU)⑤大船渡(OOFUNATO)⑥気仙沼(KESENNUMA)⑦矢本(YAMOTO)⑧宮城東和(MIYAGITOUWA)⑨涌谷(WAKUYA)⑩南方(MINAMIKATA)⑪岩手川崎A(IWATEKAWASAKI-A)⑫住田(SUMITA)⑬釜石(KAMAISHI)⑭岩手大東(IWATEDAITOU)⑮利府(RIFU)⑯名取(NATORI)●：予兆現象が顕著に表れた
GPS観測地点（16地点）★：本震の破壊開始点

断層面上でのすべり量分布［気象庁地震予知情報課作成］

図－３ 基準点の分布と断層面上での推定すべり量分布(赤丸の地点は図－２に前述した地点を示す

03/11

03/10
03/09
03/08

図－４

16基準点の変動比較

(有意な漸増的変動が見られなかった地点)

図－５(1)

基準点の変動［2011年1月1日からの変動履歴、久慈］(有意な漸増的変動が見られなかった地点)

図－５ (2)

基準点の変動［2011年1月1日からの変動履歴、黒川］(有意な漸増的変動が見られなかった地点)

図－５ (3)

基準点の変動［2011年1月1日からの変動履歴、大田原］

参考資料①-1：GEONETで公開されている観測データと変動量計算の概要
観測データ
・1秒ごとの観測値
GPS衛星の位置，位相，など
・日々の座標値
変動量が微小(平時でmmレベル)
X,Y,Z座標，緯度経度，標高なため，緯度経度差から簡便に変位量を計算すると誤差が大きい↓
水平変位の計算→3次元座標を2次元座標に投影し，1月1日の座標値と任意日の座標値の差を計算
鉛直変位の計算O→1月1日の標高と任意日の標高の差を計算

飛田幹男，世界測地系と座標変換，社団法人 日本測量協会，2002に加筆

参考資料①-2：3次元座標から2次元座標への変換
緯度φ，経度λに対して，UTM座標系の緯度N，経度Eは，秋山実，地理情報の処理，山海堂，1996.

参考資料②

資料提供：東北工業大学 神山眞名誉教授

志津川GEONET観測点での絶対位置の日々変動（2011年1月1日から3月12日）

東経

東経を100倍に拡大

図－② 志津川GEPNET観測点での絶対位置の日々変動［2011年1月1日から3月12日］

参考資料③

図－③(1) 掛川から三倉に至る水準路線(大略北北西方向）の上下変動［佐藤裕(1970)、測地学会誌、15、pp.177-180.］○：1934年3月から東南海地震直前までの変化●：東南海地震の直前と直後の変化

図－③(2) 掛川から三倉に至る水準路線［茂木清夫(1982)、地震(2)、35、pp.145-148.］○：一等水準点で数字はその番号●：測量中に仮設した固定点①～⑨：は区間番号

参考資料③

図－③(3) 1944年東南海地震発生直前における掛川地域の上下方向の地殻変動［茂木清夫(1982)、地震(2)、35、pp.145-148.］（ 図中の⑦、③は、図ー③(2)における測線番号に対応）