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プレート境界における電磁気学的地下構造探査
Electromagnetic imaging of subsurface structure around the subducting
plate boundary京都大学大学院工学研究科社会基盤工学専攻
Graduate School of Engineering, Kyoto University
後藤忠徳
Tada-nori Goto

1．はじめに近年，沈み込み帯で発生する巨大地震発生域の周辺には深部低周波微動（DLT）や超低周波地震（VLF）が発見されており，これらは巨大地震発生予測において重要な役割を果たすと考えられ始めている．DLT や VLF の発生においては，地殻内流体の寄与が指摘されてはいるが，DLT・VLF 発生域における地殻内流体の存在は確認されてはいない．一方で，地殻の比抵抗構造は地殻内流体の有無により大きく変化することが知られている．そこで本稿では南海トラフ～紀伊半島において実施された広域電磁気観測に基づく地下構造探査の結果等を紹介して，DLT・VLF 発生域の地殻内流体の有無について考える．電磁探査には多くの種類があるが，ここでは地表や海底で自然の電磁場変動を測定し地下深部の比抵抗構造を得ることができる Magnetotelluric（MT）探査の結果を示す．
2．紀伊半島における地下比抵抗構造
京都大学・海洋研究開発機構・神戸大学・東京大学は合同で，1944 年東南海地震の高速滑り域（アスペリティー：第 1 図の黄色地域）や DLT 域（赤帯）の内外で電磁気探査を実施してきた．陸上では広帯域 MT 観測・長周期電磁気観測・ネットワーク MT 観測が実施されており，海底については海底電位差磁力計（OBEM）を用いた海底電磁気観測が実施されている．
DLT が発生している紀伊半島下のマントルウェッジ内は，低比抵抗としてイメージされており，地震波トモグラフィによれば高 Vp/Vs 地域として特徴づけられる 1）．第 2 図に示した両者の対比から，マントルウェッジは沈み込むプレートからの供給される水によって蛇紋岩化している可能性が示唆され，これが DLT 発生に影響を及ぼしていると考えられる．一方，DLT 域上部の下部地殻に注目すると，比抵抗は 10Ωm 以下と非常に低く，この低比抵抗域内では微小地震はほとんど発生していない．仮に 0.1Ωm の地殻内流体が間隙を満たしているとすれば，この下部地殻の低比抵抗は間隙率約 5 ～ 20% で説明できると思われる．今後より定量的な議論が必要ではあるが，仮説として，蛇紋岩化後の余剰の地殻内流体がマントルおよび下部地殻に流体として分布しており，流体そのものも DLT 発生に寄与していることが推測される．
3．南海トラフ海底下の比抵抗構造
次に OBEM によって取得されたデータに対して MT 法を適用し，地下比抵抗構造を求めた例を示す．第 3 図の比抵抗構造は，沈み込むフィリピン海プレートの上面で比抵抗が急変する条件を取り込んだ，新たなインバージョン解析法 2）による結果である．地震波速度構造 3）と比較すると両者の特徴はおおむね一致しており，海底面に近いところは低比抵抗・低速度であり，地下深くに行く－ 498 －

ほど高比抵抗・高速度になっている．ただし，VLF が発生する地域＝プレート境界と分岐断層に挟まれた付加体ウェッジ部分においては，比抵抗は特に低い値を示している（2Ωm 以下：地殻内流体を 1Ωm の場合，間隙率にすると約 14 ～ 20%）
．このことから，付加体ウェッジ内では，沈み込むプレートから供給される大量の水が分布しており，これが VLF 発生に影響を及ぼしていると考えられる．
最後に，南海トラフ～紀伊半島下の広域比抵抗構造を求めるために，海域～陸域の長周期電磁気データを用いた試験的なジョイント解析の例を示す 4）．第 4 図は 6 観測点から求めたものであるが，第 2 図・第 3 図とも整合的な結果である．第 2 図のより深部に注目すると，沈み込むフィリピン海プレートの海洋地殻部のみが低比抵抗を示しており，第 3 図のより深部ではフィリピン海プレート全体が低比抵抗を示している．このことから，海洋地殻や海洋マントルからは沈み込みに伴う段階的な排水・脱水が起きており，これらが島弧地殻・マントルの低比抵抗域や DLT・VLF 域を形成しているのではないか？と考えられる．また 1944 年東南海地震のアスペリティー域については，フィリピン海プレートは 100 Ω m 以上の高めの比抵抗を示すことが分かった．このことから，アスペリティー形成と海洋プレートからの脱水の有無の関連性が示唆される．
4．まとめ
以上で紹介したように，南海トラフ～紀伊半島下の DLT 域・VLF 域には低比抵抗域が分布しており，これらはフィリピン海プレートからの水の供給を反映していると考えられる．このような特徴は，東海地域で行われている地震波探査・トモグラフィの結果とも整合的である．また海外の探査では，例えばコスタリカ沈み込み帯では DLT 域付近に低比抵抗体が分布している 5）．一方，DLT が見られないとされるニュージーランド北島では，マントルウェッジなどには低比抵抗体は認めらない 6）．
今後の電磁気探査の課題として，近年急速に普及しつつある 3 次元インバージョンなどの新たな解析方法の導入や，海域での石油探査において最近頻繁に用いられるようになった人工電流源電磁探査（CSEM）の導入による高精度イメージ化が挙げられる．また地震波速度と比抵抗の双方からより定量的に地殻内流体の量を推定するために，物性値測定例の増加や，岩石モデルの構築が必要である．これらを通じて，地殻内流体のより高精度な分布を求めて，DLT や VLF 発生における地殻内流体の役割と，巨大地震の歪蓄積・解放過程と DLT・VLF の関係を明らかにすることが求められている．

参考文献：

1) M. Uyeshima, H. Murakami, S. Sutoh, D. Tanigawa, T. Ogawa, N. Oshiman, R. Yoshimura,
K. Aizawa, I. Shiozaki, and T. Kasaya, Modification of the Network-MT method and its first
application in imaging the deep conductivity structure beneath the Kii Peninsula, southwesternJapan, Earth Planets Space, 61, 957-971, 2009.
2) 木村俊則・後藤忠徳 ・笠谷貴史・岡本拓・三ケ田均・真田佳典・渡辺俊樹・芦田讓 , 構造境界面を組込んだ MT 法の 2 次元インバージョン , 物理探査 , 63, 185-196, 2010.
3) Nakanishi, A., S. Kodaira, S. Miura, A. Ito, T. Sato, J. O. Park, Y. Kido and Y. Kaneda, Detailed
structural image around splay-fault branching in the Nankai subduction seismogenic zone:－ 499 －Results from a high-density ocean bottom seismic survey, J. Geophys. Res. 113, B03105,
doi:10.1029/2007JB004974, 2008.
4) Kasaya, T., T. Goto, H. Mikada, K. Baba, K. Suyehiro, and H. Utada, Resistivity image of thePhilippine Sea Plate around the 1944 Tonankai earthquake deduced by Marine and Land MTsurveys, Earth Planets and Space, 57, 209-213, 2005.
5) Brasse, H., G. Kapinos, L. Mutschard, G. E. Alvarado, T. Worzewski, and M. Jegen, Deepelectrical resistivity structure of northwestern Costa Rica, Geophys. Res. Lett., 36, L02310,
doi:10.1029/2008GL036397, 2009.
6) Heise, W., H. M. Bibby, T. G. Caldwell, S. C. Bannister, Y. Ogawa, S. Takakura, and T. Uchida,
Melt distribution beneath a young continental rift: The Taupo Volcanic Zone, New Zealand,Geophys. Res. Lett., 34, L14313, doi:10.1029/2007GL029629, 2007.
7) Honda, S. and I. Nakanishi, Seismic tomography of the uppermost mantle beneathsouthwestern Japan: Seismological constraints on modeling subduction and magmatism for thePhilippine Sea Slab, Earth Planets Space, 55, 443-462, 2003.

－ 500 －第1図

左：1944 年東南海地震の震源域（黄色）および深部低周波微動の発生域（赤）．右：陸上および海底での MT 探査地点および測線配置（赤点線）．

Fig. 1 Left: high-speed rupture area at the 1944 Tonankai earthquake (yellow zone) and deep low第 1 図frequency tremors (red circles). Right: Land and marine magnetotelluric (MT) sites along surveylines (red lines).

第2図

左：紀伊半島下の地下比抵抗構造 1）．右：同地域の地震波 Vp/Vs 構造 7）．DLT を青い＋で示した．

Fig. 2. Left: resistivity structure below the Kii peninsula 1) obtained by land MT survey. Right:
図２
subsurface distribution of Vp/Vs-ratio below the same profile as the land MT survey.

－ 501 －第 3 図 上：南海トラフ沈み込み開始直後の地殻比抵抗構造 2)．下：同地域の地震波 P 波速度構造 3)．
Fig. 3 Upper: resistivity structure below the Nankai trough by ocean bottom electromagnetometers2）.
Lower: Vp structure by ocean bottom seismometers3）.

第3図

Bo uPlatendary

海陸合同データ解析による，南海トラフ～紀伊半島下の広域比抵抗構造 4）．赤枠が第 2 図・第 3
図の地下構造解析部に相当する．
Fig. 4. Resistivity
第 4 図 structure of crust and mantle below the Kii peninsula and the Nankai Trough obtainedby land-marine joint inversion4). Red broken frames indicates zones shown in Figs. 2 and 3.
第4図－ 502 －