1-4 活断層集中域及び火山等ひずみ速度の速い地域における地震発生メカニズムの解明

1-4 活断層集中域及び火山等ひずみ速度の速い地域における地震発生メカニズムの解明
飯尾能久 （京都大学防災研究所）

1. 研究の目的
ひずみ集中帯では、地殻や上部マントル中の顕著な不均質構造やマグマや水の蓄積に起因してひずみ集中が発生し、地震活動を引き起こすと考えられます。そのため、活断層集中域や火山等のひずみ速度の速い地域における調査研究は、ひずみ集中機構の解明にとって非常に重要です。日本列島でも最も活断層が集中している地域の一つである琵琶湖西岸の活断層集中域及び火山の中でも特にひずみ速度の大きな桜島・
姶良カルデラおよび阿蘇カルデラにおいて稠密地震観測、や地盤変動の高品位観測などを行い、ひずみ蓄積に影響を及ぼす不均質構造を検出し、ひずみ蓄積と地震発生メカニズムとの関連を明らかにすることが本研究の目的です。

いて、フィリピン海プレートが東から西へ沈み込んでおり、その深度は 60km 以上に達していることが明らかになりました。
さらに、図 1 においては、深さ 30km と 40km の間に赤色の線(細点線の位置)が連なって見えますが、これはモホ面であると考えられます。より詳しく見ると、赤色の線は西の方では深さ 35km 程度、ほぼ水平で連続性が良いのに対して、東の方では平均的な深さが 40kmとやや深く、また場所によって深さが少し変化しています。FF'、GG'、HH'において、点線がモホ面の位置を示していると考えられますが、図の白矢印で示した位置に、2.1 琵琶湖西岸活断層集中域の稠密地震観測による不均質構造の推定
琵琶湖西岸の活断層集中域において稠密地震観測を行い、レシーバー関数解析および自然地震を用いた反射法解析などにより、当地域に沈み込むフィリピン海プレート、モホ面、S 波反射面の形状を推定するとともに、地震分布、メカニズム解を高精度で決定し、当地域における歪蓄積と地震発生メカニズムを明らかにすることが本サブテーマの目的です。
琵琶湖西岸地域に設置された 45 点からなる稠密地震観測網及び定常観測網等のデータを用いて、地殻の深部構造の推定を行いました。図 1 に、レシーバー関数解析により推定された地殻構造を示します。レシーバー関数解析では、深さとともに地震波速度が急に増加するところは赤色に、急に減少するところでは青色で表示されます。地殻の底面であるモホ面は、その下の上部マントルの方が、地殻より地震波速度が大きいため、赤色で表示されると予想されます。上部マントル内に沈み込む海洋プレートの上面付近では、深さとともに上部マントルから海洋性地殻へと変化するので青色、沈み込むプレート内では海洋性地殻から海洋性マントルに変わるので、赤色の表示が現れます。この図では、深さ 50km から 65km 程度に西傾斜の構造が見えます
が、点線の部分、赤と青の境界付近に沈み込むプレートの上面があると推定されます。琵琶湖西岸地域にお図 1 レシーバー関数解析により推定された琵琶湖西岸域における沈み込むフィリピン海プレート、およびモホ面の段差の位置(白矢印)。FF',GG',HH',II'の順に北から南へ約 10km 間隔の 4 つの東西断面(縦横比は 1 対 1)。

モホ面の段差があると推定されます。モホ面に段差があると推定された位置は、沈み込むフィリピン海プレートの上面の深度が 60km 程度となる付近であることが分かりました。
高精度のメカニズム解の解析からは、既に指摘されているように、琵琶湖西岸活断層集中域の西の方では横ずれ型と逆断層型が混在しているのに対して、東の方では逆断層型が卓越していることが分かりました。その境界の位置は、モホ面の段差の位置と同じあたりにあります。ちなみに、近畿・四国・中国地方では横ずれ型が一般的です。

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1-4 活断層集中域及び火山等ひずみ速度の速い地域における地震発生メカニズムの解明が深さ 0.6km 以内にあるデータを反射面の深さとしました。図 2 に推定された S 波の反射面の拡がりを示します。
S 波の反射強度が強い部分には、横波を通さない流体が豊富に含まれていると考えられるため、S 波の反射面の下には水が豊富にあると推定されています。反射面は丹波山地の微小地震活動が活発な領域と調和的であるように見えます。また，反射面の下ではモホ面付近で深部低周波地震が起こっていることも知られています。
低周波地震さらに、反射面の東端は、モホ面の段差が推定されている位置とほぼ一致しています。
これらの解析結果から、琵琶湖西岸活断層集中域での歪蓄積と地震発生メカニズムの解明を試みました。レ
シーバー関数解析結果から推定されたモホ面の段差の位置は、沈み込むフィリピン海プレートの上面の深度が 60km 程度である位置とほぼ一致しており、南北に近い走向を持っています。また、S 波の反射面は、モホ面の段差の位置から背弧側に拡がっています。沈み込む
フィリピン海プレートから脱水した水や上部マントルから上昇してきた水が下部地殻に達し、S 波の反射面として検知されていると推定されます。
Iio et al.(2002) 1) は、新潟-神戸歪集中帯の成因について、プレートの沈み込みに起因して下部地殻へ達した水が下部地殻を局所的にやわらかくして多数の断層を生じさせ、その上側にひずみ集中を発生させたと考えました。新潟-神戸歪集中帯直下の下部地殻に水が存在すると推定した理由は、ひずみ速度が大きな領域と Utada (1996) 2)による下部地殻の低比抵抗異常域が調和的だったからです。Utada(1996) 2)は、下部地殻の低比抵抗異常域は、沈み込むプレートの深度が60km であるところより背弧側に存在することを指摘しています。琵琶湖西岸活断層集中域でも、沈み込むフィリピン海プレートが 60km 程度となる位置より背弧側の下部地殻に水が豊富に存在し、下部地殻を局所的にやわらかくした可能性が考えられます。
図 2 に示すように、モホ面の段差と S 波の反射面の東端の位置がほぼ一致するので、下部地殻のやわらかい領域の端に断層が形成されたと考えられます。この地域の最大圧縮応力の方向はほぼ東西であるので、南北走向を持った下部地殻内の断層は、図 3 に示すような逆断層的な運動を行うと推定されます。このゆっくりすべりを起こす断層帯における逆断層運動により、下端ではモホ面には段差が生じ、上端では逆断層的なひずみ集中が発生し、逆断層型の地震が卓越すると推定されます。琵琶湖西岸断層帯は逆断層であることが知られており、ゆっくりすべりを起こす断層帯の上方に琵琶湖西岸断層帯が連なると考えられます。

図 2 S 波反射面の広がり(紫色で囲まれた領域)とモホ面の段差の位置(赤点線)。橙色で囲まれた領域内は反射面を検知可能な範囲。緑色は地震の震央。

さらに、深部構造を精度良く推定するために、自然地震データを用いた S 波反射法解析を行いました。約5km 間隔の東西 11、南北 11 の測線に沿って、深さ変換した波形を反射点の順に等間隔で並べて、擬似的な反射断面図を作成しました。その結果、深さ 25-30kmに反射強度が強い部分が連続していることが分かりました。全測線に対して反射断面図から反射強度が強い部分の上面の深さを読み取り、東西・南北測線の交差する位置で、両測線による結果を比較し、両者の結果

図 3 琵琶湖西岸活断層集中域において推定されたひずみ集中と地震発生のメカニズム。青色が下部地殻内の逆断層

2.2 桜島・姶良カルデラ周辺における不均質構造と圧力源
桜島・姶良カルデラ周辺地域はマグマの蓄積による的なゆっくりすべりを起こす断層。緑矢印は東西方向に加わる最大 圧 縮 応 力。水色 の矢 印 は上 部 マントル内 の水 の上昇。
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南岳
昭和火口

北岳
桜島の噴出物姶良カルデラ低速度領域（カルデラ噴出物）
海底断層？
地形学的カルデラ
圧力源

中速度領域
地震発生領域

地震発生領域
中速度領域
高速度領域
（基盤）

低速度領域
（マグマを含む）

緩衝領域
圧力源

マグマ供給

図 6 桜島・姶良カルデラ周辺の地震発生のメカニズムの模式図

この地域では鹿児島湾地溝帯の中央部に沿って北東部から南西部方向に震源が分布しますが、4km 以浅の浅い場所では、桜島の北岳から南岳にかけての中央火口丘直下と若尊火山直下に集中し、 5km よりも深い場所では姶良カルデラ北東部の若尊火山周辺や桜島の南西部からその沖にかけて広く分布します。
地震波 P 波速度と震源の位置関係を見てみると、図4 に示したいずれの深さにおいても地震が発生しているのは、高速度領域から低速度領域に遷移する部分であることがわかります。特に、深さ 4km と 8km を比較すると、8km の深さでは高速度領域が西側に張り出しているのに対応して、地震の震央も西側に分布します。
一方、高速度領域と低速度領域の中心付近では地震は発生していません。本研究によって、はじめてこの地域の地震は高速度領域から低速度領域に遷移する中間的速度をもつ領域で発生することがわかりました。
次に、ひずみの蓄積機構について考えてみます。本
研究で行った GNSS 観測でも、この地域の変動は姶良カルデラの中央部を中心として膨張する力源によって引き起こされることが分かりました。このことは従来からわかっていたことですが、本研究でもそのことが確かめられました。この膨張する力源は地震波 P 波の速度が最も低い場所に位置します。地盤変動パターンの特性もあわせて考えると姶良カルデラの下に蓄積されるマグマの量の増加によって周辺域にひずみが蓄積されたと考えられます。ひずみを蓄積させる膨張力源と不均質構造の関係は本研究によってはじめて明らかになりました。
GNSS よりも感度の高い伸縮計のデータも使ってひずみ速度と地震発生の関係について考察します。伸縮計のデータは本事業によって整備された機器により高品位での取得ができるようになりました。図 5 に GNSS

図 4 姶良カルデラ下の 3 次元速度構造と震源分布地殻のひずみ速度が速い場所です。現在、この地域に発生する地震の規模は最大でも 3 程度であり、地震活動は高くはありませんが、1914 年の桜島の大正噴火開始から 8 時間後には、桜島の南西沖でマグニチュード7.1 の地震が発生しており、マグマの動きと地震活動は密接な関係があります。この地域を対象として稠密地震観測、地震・地盤変動の高品位観測を行い、ひずみ蓄積に影響を及ぼす不均質構造を検出し、ひずみ蓄積と地震発生メカニズムとの関連を明らかにすることを目的とした研究を行いました。
21伸び桜島の地盤の伸び縮み
伸縮計
直交方向

0x10-6

10-1

伸縮計
火口方向
-140

ハルタ山観測坑道
2007

2008

2009

2010

2011

2012

2007

200820092010

2011

2012

2007

2008

2009

2010

2011

2012

-2

A-type

20
00.13
0.12
0.11
0.10
0.090.08

桜島島内の基線長変化（SVOG-KURG)

図 5 桜島の地盤変動（上段:伸縮計、下段：GNSS）と月別地震回数（A-type：中段）

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観測から得られた桜島内の基線長変化および伸縮計に観測されたひずみ変化と地震発生回数を比較して示します。最も地震活動が活発であったのは、2012 年
1 月～3 月であり、桜島の中央火口丘の直下と姶良カルデラの北東部において地震が多発し、桜島島内において有 感 となるものも発 生 しました（最 大 M2.3）。
GNSS によって観測される桜島の東西方向の基線および観測坑道に設置した伸縮計では 2011 年 11 月ごろから膨 張 ひず みが観 測 さ れています。これらの膨 張 は2012 年 2 月ごろから停滞しましたが、膨張ひずみが進行した 2012 年 1 月から地震が多発したことが分かります。この時点での 2011 年 11 月からの相対ひずみ変化
量は 0.8×10-6 に達しており、震源から 2～3km におけるひずみ蓄積量が 10-6 程度に達するとマグニチュード 2程度の地震が発生することが推測できます。
以上のことから桜島・姶良カルデラ周辺における不均質構造と地震発生の関係および地震を発生させる圧力源との関係について考察してみます。模式図を図6 に示します。不均質構造として姶良カルデラ中心部の深部に位置する低速度領域とそれからカルデラ縁に沿って浅い場所までのびる低速度領域があります。この領域には地盤変動観測から求められる圧力源が存在し、圧力源の膨張とほぼ同じ時期に昭和火口における噴火活動が活発化していることから、マグマの貫入がこの地域のひずみ蓄積の原動力になっていると考えられます。低速度領域には地震が発生しないことから、マグマを含む溶けた領域あるいは破砕が進んだ領域と考えられます。この領域の膨張が、高速度領域よりも剛性の小さい周辺の中速度領域において地震を発生させるものと考えられます。
本研究では地震波 S 波の速度構造が決定できていないので、剛性率を推定できていませんが、今後、地殻の物性を決めていく必要があります。また、地震発生のひずみ蓄積の閾値として観測例を提示しましたが、観測実績を積み上げていく必要があります。桜島の場
合、大噴火に前駆する群発地震開始は 1 日前と、先行時間が短いので、噴火に先行する地震発生そのものをひずみ蓄積から予測する研究が必要です。

2.3 阿蘇カルデの不均質構造と圧力源
阿蘇カルデラ周辺地域は、九州においては桜島周辺

図 8 水準点 AVL1 を基準にした 1963 年以降の坊中路線
における水準点の上下変動量。とならんで地殻のひずみ速度の大きい地域です。ただし、現在の桜島では膨張性の変動が継続しているのに対し、阿蘇周辺では収縮性の変動が継続しています。
この地域では、1975 年に阿蘇カルデラ北部で M6.1 の地震が、1894 年と 1895 年にはカルデラ南西部で M6.3の地震が発生しています。これらの地震はいずれも噴火活動の活発な時期に起こっていることから、マグマの動きと地震活動の間には何らかの関係があると思われます。そこで、ひずみ蓄積に影響を及ぼす不均質構造を検出し、ひずみ蓄積と地震発生メカニズムとの関連を

図9

AVL1-SIKM、AVL1-HOND、AVL1-KBMK 間の基線長変化 2004 年 1 月から 2012 年 11 月。
2006 年以降では四角で囲んだ期間の基線短縮率が小さくなっています。

図7

明らかにする目的で稠密地震観測、地震・地盤変動の高品位観測を行いました。
この研究では、地震観測点が不足していた阿蘇カルデラ東部地域の 5 カ所に地震観測点を新設し、2009
年 7 月から 2012 年 11 月まで観測を行いました。そして、震央距離が 30-90°、M>5 の遠地地震の波形を用いてレシーバー関数を作成し、地下の地震波速度不連続

RF 解析により求められた阿蘇カルデラの S 波速度分布図。

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から 2012 年にはそれ以前より減少したことを示しています。
阿蘇カルデラでは、2008-2012 年の間、中央火口丘の直下のシル状圧力源、その上部の流体を含む層およびさらに上部のマグマだまりの変形による短縮歪みが集中していたと推測されます。ただし、最近では一部の基線に伸長が見られ、今後の火山活動とともにカルデラ近傍の断層へのひずみ蓄積を注視して行く必要があります。

面を検出し、阿蘇カルデラ直下の 3 次元的な S 波速度(Vs)分布を推定しました。その結果が図 7 にまとめられて い ま す。 阿 蘇 カ ル デ ラの地 殻 内 部 に 、
Vs=2.0-2.5km/s 程度の低速度領域があることがわかります。この低速度領域は、カルデラの大部分で 13km から 25km の深さに存在しますが、中央火口丘東斜面の地下では、8-15km とまわりより浅くなっています。中央火口丘東斜面では、深さ 15-25km に低周波地震発生域、深さ 15km にシル状圧力源の存在が知られており、低速度層はシル状圧力源や低周波地震発生域の直上に存在します。Takei(2002) 3) を参考にすると、これらの 低 速 度 層 に は 最 大 で 10-15% の メ ル ト あ る い は25-30%の水が含まれ、変形しやすくなっていると推定できます。
一方、この研究ではマグマ蓄積と周辺応力場との関係を明らかにするためのカルデラ内外での GPS 観測を継続するとともに、2012 年 9 月に一等水準測量を実施しました。中央火口丘北麓の AVL-1 を基準とし、計算された阿蘇登山道路坊中線の比高値を過去の測量結果と比較したところ、2008 年から 2012 年にかけても中岳火口の西南西約 2km の地点（草千里）を中心とした地域における沈降が観測されました。しかし、その沈降量は最大で約 1.2cm と 2004 年から 2008 年の沈降量とくらべて約 6 割に減少しています。（図 8）
図 9 には、阿蘇カルデラ内の GPS 観測基線のうち、東 西 に 長 い 基 線 （ AVL1-HOND, AVL1-KBMK,AVL1-SKIM）の 2004 年 1 月から 2012 年 11 月までの変化が示されており、いずれの基線においても、2008年から 2012 年の短縮量は 2004 年から 2008 年の短縮量の 6 割程度となっていることがわかります。2008 年から 2012 年の変動は、これまでと同様（大倉・他 2009）4)、草千里直下のマグマだまりと、中央火口丘東斜面深部のシル状圧力源での収縮であると考えられます。GPS観測や水準測量の結果は、それらの収縮量が 2008 年

参考文献
1) Iio, Y., T. Sagiya, Y. Kobayashi and I. Shiozaki,
Water-weakened lower crust and its role in theconcentrated deformation in the Japanese Islands,
Earth Planet. Sci. Lett., 203, 245-253, 2002.
2) Utada, H., Y. Hamano, J. Segawa, Conductivity
anomaly around the Japanese islands, Geology andGeophysics of the Japan Sea(Japan-USSR
Monograph Series, 1), 103-149, 1996.
3) Takei, Y., 2002. Effect of pore geometry on Vp/Vs:
From equilibrium geometry to crack. Journal ofGeophysical Research, Vol. 107, No. B2,2043,
ECV6 1-12.
4) 大倉敬宏・吉川 慎・井上寛之・宇津木充・鍵山恒臣・寺田暁彦・加納将行・由井智志・山本圭吾・高山鐵郎・山崎友也・多田光宏・立尾有騎・松島 健・内田和也・中元真美・山下裕亮・平岡善文・三森庸
里江・根本盛行（2009）：阿蘇カルデラにおける水準測量（2008 年 9 月-10 月），第 4 回阿蘇火山の集中総合観測報告, 8-15.

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