地殻構造的視点による東北地方太平洋沖地震時すべり量不均質分布の成因解明
Investigation into the heterogeneous slip distribution of the 2011 Tohoku-oki
earthquake by a crustal structural study（日本地震学会推薦）

代表研究者 東北大学

東 龍介

Tohoku University

Ryosuke AZUMAThe 2011 Tohoku-oki earthquake (M 9.0) caused large tsunami by rupturing the shallow portion of the plateboundary fault with tens meter slip. The amount of the coseismic shallow slip seems to be different between in the off
Miyagi and Sanriku though it in the off Sanriku has a large estimation error. Such the heterogeneous extent in theshallow slip may be concerned with along-trench heterogeneity of frontal structure of the overriding plate. To
investigate seismic structural variation corresponding to the coseismic slip extent, we analyzed two seismic survey datacollected in 2007 and 2014. Seismic structural estimation using airgun-OBS survey data clarified distinctive seismic
velocity variation along the Japan Trench, and showed the high velocity layer on the subducting plate spatially that
correspond to the large coseismic shallow slip area of the 2011 earthquake. Similar tendency has be found in the Chile
subduction zone where has experienced the largest M 9.5 earthquake in 1960 and surrounding slightly smaller
earthquakes; where the rigid crust is close to the trench axis induced large tsunami in 1960. Our result and the case study
in Chile would reinforce the implication that the frontal of the overriding plate controls an extent of coseismic shallow
slip.

研究目的
本研究は、日本海溝のような沈み込み帯で発生す県沖に比べやや小さいのではないかとい考えられている。

る巨大地震の発生メカニズムの理解を最終目標とし、宮城沖で生じた浅部大すべりはプレート間に分布

そこに至るひとつのアプローチとして，巨大地震のするスメクタイトの thermal pressurization (TP) によ

震源断層となるプレート境界において地震に伴うすり生じたことが、震源断層掘削によって採取した試べり量が空間的に不均質になる原因がどのようなパ料を用いた室内実験によって明らかとなった（例えラメタに規定されるかを，断層周辺の地震学的構造

ば，Ujiie et al.,2013）が、スメクタイトは沈み込む海の特徴に基づいて解明していく。

洋プレート上に広く分布するため、海溝沿いに場所

本研究の背景には，2011 年に発生した東北地方太を問わず TP を起こせる環境があるといえる。した

平洋沖地震（東北沖地震）がある。この地震は発生がって、海溝沿いにみられるすべり分布の変化には前後の海底地形変化（Fujiwara et al., 2012）や海底地TP とは別の原因があると考えた。

測地観測（例えば，Kido et al., 2012）によって、宮本研究では、陸側プレート先端部の地殻構造は海城県沖のプレート境界最浅部で 50 m に及ぶすべり溝沿いに変化する（Fig. 1, Tsuru et al. (2002)）ことにが起こったことが発見された世界で初めての地震で注目する。Tsuru et al. によって推定された変形プリある。一方、三陸沖の領域は地殻変動観測量の欠如

ズムの大きさの南北変化は、東北沖地震の本震時すのために議論の余地がる。大半の震源モデルは宮城

べり分布と空間的に対応関係を持つようにみえる（Fig. 1）。しかし、南北にまばらに分布する Tsuru et

お よ び 8 月 に 開 催 さ れ る Joint Scientifical. 測線のみでは、すべり量の空間変化との対応関係

Assembly of the International Association ofを議論するには空間的により高い密度で構造を把握

Geodesy and the International Association ofする必要があり、そのためには海溝に沿って連続的Seismology and Physics of Earth’s Interior にて発な構造変化を得れば良いと考えた。そこで、そのよ表する。

うなジオメトリをもつ探査測線データから海底下構造を推定し、Tsuru et al.の構造変化を空間的に補間す

考察ることによって浅部すべり分布との対応関係を明ら＜P 波速度構造の特徴＞かにする。

推定した P 波速度構造を Fig. 2 に示す。各測線下でのプレート境界の深さ（e.g., Takahashi et al., 2004;

研究経過

Miura et al., 2005）を参考すると、2007 年と 2014 年

地震波速度構造の推定には、宮城県沖から日本海の両測線とも、プレート境界面よりも浅いところに溝北端にかけて実施した人工地震波探査３測線（全明瞭な P 波速度差がみとめられ、北緯 39 度を境に長約 347 km（2007 年実施）と約 181 km（2 本、2014

南側で高速度、北側で低速度となっている分布が得年実施）の 3 本（Fig. 1））のデータを用いた。探査られた（Fig. 2）。

では測線沿いに場所を変えながらエアガンを発震しこのうち 2007 年測線の高速度異常域は沈み込んて発生させた人工地震波が海底下を伝播したものをだ海洋プレートの地殻が盛り上がった形状、つまり海底地震計で観測する。エアガン信号が海底地震計プレート境界下盤側の構造のようにみえる。しかし、に到達するまでの時間（走時）から、地震波速度構白亜紀層と海洋性地殻の P 波速度値はどちらも 4–5造が推定できる。各測線の南側の領域は東北沖地震

km/s 程度で似通っているため、それに基づいた解釈の浅部大すべり域と空間的に対応するような位置関が難しい。そこで、屈折波初動にはある震央距離で係となっている（Fig. 1）。本助成期間の終了までに、振幅が小さくなる特徴（シャドウゾーン）がみられ2007 年測線に加えて 2014 年測線のうち１本の解析たことから、そうした特徴を再現する構造モデルのをおこなった。

探索を、理論波形と観測波形の比較によっておこな

本研究では、発震後に最初に観測される初動屈折った。一般的に、屈折波の見え方が不連続の場合、波の走時に対して二次元波線追跡法（Zelt and Smith,地下構造に速度逆転を起こす場があることが想定さ1992）およびトモグラフィー解析（Fujie e al., 2013）れる。本測線についても、高速度層の間に低速度層を適用し、測線下の P 波速度分布の推定を試みた。

を持つ構造の方が観測したシャドウをよく再現する

以下に、研究経過の詳細を記す。

ことが確かめられ、当該の高速度異常は陸側プレー＜2015 年度＞

ト内の異常であると断定した。

•

2014 年測線のデータについて、二次元波線追以上の手続きによって得られた P 波速度構造を日跡法による予備解析をおこなった。その結果を、本海溝周辺の一般的な地殻構造（Fig. 2c、例えば、2007 年測線の先行解析結果と合わせて 2015 年

Tsuru et al. (2002)）に基づいて解釈すると、北緯 39

日本地震学会秋季大会（口頭発表 1）と American度以北の低速度域（P 波速度 ~ 3 km/s）は陸側プレ

Geophysical Union Fall Meeting（口頭発表 2）でート先端部を構成する未固結で柔らかい変形プリズ発表した。

ムに対応する。一方、南側の高速度域（P 波速度 > 4＜2016 年度＞••km/s）の領域は 2014 年測線固結した白亜紀堆積岩の2007 年測線のトモグラフィー解析を完了した。

層やその下に横たわるより高 P 波速度の島弧地殻とこの結果は現在、学術誌への投稿準備中である。

解釈できる。つまり、測線南側で高速度のものが分2014 年測線の陸側測線について、トモグラフ

布することは、同じ場において変形プリズムが小さィーによると詳細な解析に取り組んだ。ここまくなっていることを示唆し、変形プリズムの大きさでの結果については、研究期間外となるが 2017の南北変化（Fig. 1、Tsuru et al., (2002)）と調和的で

年 5 月 に 開 催 さ れ る Japan Geophysicalある。したがって、海溝に平行な断面での構造の推

Union-American Geophysical Union Joint Meeting、定によって、P 波速度の明らかな変化、つまり、変形プリズムとより高速度の地殻との境界位置をおおレート境界の強度にかかわる）の指標となるプレーまかに把握できたといえる。

ト境界面の反射強度分布の空間変化の有無などにつ＜特徴的構造の空間分布と東北沖地震すべり域とのいても検討を進めていき、地震学的構造とすべり域対応関係＞の広がりとの対応関係とその仕組みについて究明し推定した陸側プレート内 P 波速度の高速度／低速ていく。

度分布域を 2011 年東北沖地震の本震時すべり分布と比較したところ、プレート境界上に高 P 波速度の分布する領域は大すべりのあった宮城県沖におおむね対応することがわかった（Fig. 3）。一方、三陸沖の浅部すべり分布には海底地殻変動による観測量の欠如のために大きな推定誤差が残るため、プリズム構造の発達したところですべり量が減少すると現段階では強く主張できない。
ただし、日本と同じ巨大地震発生帯であるチリ沖
では、東北沖と同じような構造／すべり量の関係性が指摘されている。チリ沖では 1960 年チリ地震（M9.5）と 2010 年チリ Maule 地震（M 8.8）が発生しているが、前者のみ浅部大すべりが起こった可能性がある（Fujii and Satake, 2012）。Contreras-Reyes et al.

Fig. 1. Map view of study field. Black and Red lines(2010) は、高速破壊を起こせるプレート境界断層のindicate our survey lines. Piled boxes show the

上盤側には古く固化した堆積層や地殻のような高地

sedimentary prism thickness by Tsuru et al. (2002).

震波速度の岩体が分布することに着目し、これらの震源域の構造を考察した。それによると、2010 年地震の震源域の付加帯は大きくその陸側にある古い岩体が海溝から離れているために地震時の高速破壊が海溝に広がらなかったと考えられ、逆に 1960 年地震の震源域は付加帯が小さく古い岩体が海溝に近づいて分布するために、断層深部の破壊が海溝まで伝播しやすいと解釈できる。そうしたこと踏まえれば、
1960 年地震の際は巨大津波を励起しうるほど大きなすべりがプレート境界最浅部であった可能性があると述べている。
したがって、Tsuru et al. (2002) の成果に基づき本研究によって確認できた宮城県沖での構造的特徴とFig. 2. P-wave velocity structure below the lines

地震大すべりの対応関係は、Contreras-Reyes et al.

surveyed in (a) 2014 and (b) 2007. Masked area is(2010) の解釈と整合的する。白亜紀層が海溝から離

consistent with low resolution. Gray broken lines indicate

れて分布する三陸沖に関しての議論は依然として難the plate boundary and oceanic Moho expected from

しいが、宮城県沖や 1960 年チリ地震震源域に似た構

previous seismic studies (Ito et al., 2004; Takahashi et al.,造の場所は、将来に巨大津波を励起しうる大きなす2004; Miura et al., 2005). DF: the deformed prism. CS:べりが発生する場であるのかもしれない。

the Cretaceous sedimentary layer. IC: the island arc crust.

本研究期間では、陸側プレートのおおまかな構造(c) Cartoon of cross section view of the trench axialの変化から地震時すべりの不均質な分布の成因を検

structure at 38N. At 39N, the prism size becomes 1.5

討してきた。今後、より細かいスケールでのプレー

times larger than 38N.

ト境界構造の特徴、例えば、断層間の間隙圧高さ（プ6.

Miura, S., N. Takahashi, A. Nakanishi, T. Tsuru, S.
Kodaira,andY.

Kaneda(2005),

Structuralcharacteristics off Miyagi forearc region, the Japan
Trenchseismogenic

wide-angle

reflection

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Color variation corresponds to the legend of P-wave

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