博 士 （ 理 学 ） 仲 西 理 子
学位論文題名Crustal structure of the eastern Nankai Trough off
Tokai byadense alrgun―OBSSeiSmiCproflling（エアガン―海底地震計を用いた多点高密度探査による東海沖の地殻構造）

学位論文内容の要旨
フイリピン海プレート北縁部に位置する東海沖では、フィリピン海プレートが南海トラ
フ から日本島弧下へ沈み込んでいる。さらに、伊豆半島北縁部では伊豆小笠原島弧と日本島 弧が衝突しており、複雑なプレート収束境界を形成している。この海域では他の沈み込み 帯には見られない主な特徴として、南海トラフの南側にトラフに沿って紀伊半島沖まで続 いている銭洲海嶺と呼ばれる地形的高まり、そして、トラフ陸側斜面に見られる地質構造 線の海域への延長と考えられている幾っかの海底谷がある。さらに、東海沖の東側からは 太平洋プレートが伊豆小笠原海溝から沈み込んでおり、この海域は背弧でもあるとぃっ
た ように入り組んだ地学的背景を持っている。また、南海トラフ沿いでは巨大地震が周期的 に繰り返し発生していることでも知られており、20年以上前から「東海地震」が警戒され てもいる。以上のように、東海沖は地球科学的に非常に興味深く、重要な海域であるにも 関わらず、この海域での地震発生機構やテクトニクスを議論するために必要な地下深部
ま での 地殻 構造 に関 する 情報が 不足 して いる 。
本研究の主な目的は南海トラフ東部の東海沖で行われた海底地震計とエアガンを用いた
屈 折法地震探査の記録を解析することにより、今まで明らかにされていなかった四国海盆
か ら日本島弧までのフィリピン海プレート北縁での沈み込みと衝突に関する地殻構造を深部 まで解明し、その結果から、この海域でのプレートの沈み込み形態を考察することである 。また、島弧分裂から背弧海盆の形成過程を理解するために、伊豆小笠原島弧から四国海 盆までの島弧から背弧までの地殻構造の遷移の様子を明らかにすることはである。さらに 、南海トラフ沿いで繰り返し発生している巨大地震の破壊領域の境界と地殻構造のトラフ に沿う 方向での 変化と の対応 を調べることも目的のーつである。
本研究で用いたデータは、1992年と1996年に東海沖で行われた大規模な地殻構造探査によ って得られた。観測は、地殻全体の構造を明らかにするための海底地震計と大容量のエア ガンを組み合わせた多点高密度の屈折法地震探査、地殻浅部の堆積層構造を抑えるため

の 反射 法地 震探 査、 および、1996年の観測については重力観測から成る。1992年の屈折法
地 震探 査の 測線 は南 海ト ラフ にほ ぼ平 行な 4本の 測線と、四国海盆から南海トラフを横切り 、日 本島 弧側 ヘ抜 ける1本の5測線で行われた。測線長は80 ‑‑150kmである。それらの測線 上に 20台 の海 底地 震計を20〜30km間隔に設置した。震源としては171のエアガンを2基用
い 250‑‑ 300m間 隔で ショットした。1996年の屈折法地震探査の測線は1992年の探査領域の南 西に 展開 され 、南 海ト ラフ にほ ぼ平 行な 6本の 測線と、トラフを横切る1本の7測線で行わ れた 。測 線長 は90 ‑‑170kmである。それらの測線上に65台の海底地震計を10〜20km間隔に 設置 した 。震 源と して は17〜201のエ アガ ンを 3基用い20〜80m間隔でショットした。本研 究で は、 海底 地震 計を用いた屈折法探査の記録、海上での反射法探査の記録、および重カ デ ー タ か ら 地 殻 構 造 を 示 す 最 終 的 な P波 速 度 構 造 を 詳 細 に 決 定 し た 。
P波 速度 構造 の決 定にfま止下動地震記録を用いた。解析には主に二次元波線追跡法を使用 し、 初動 、お よび 後続波の走時、距離に対する振幅変化を説明する地殻構造モデルを決定 した 。次 に、 決定 した地殻構造を重カデータを用いて検証し、最終的な速度構造を決定した。以下に重要な結果をまとめる。
まず 、銭 洲海 嶺の 地殻 構造 は、 四国 海盆 の海 洋性の地殻構造に類似している。地殻は6層 から 成り 、最 上部 の2層は速 度が それ ぞれ 、1.6〜1.9km/s、2.0〜3.Okm/sの堆積層である。堆積層下には速度4.0〜4.6km/s、4.7〜5.7km/s、6.
3〜6.
5km/sの海洋性地殻第二層、6.7〜 6.9km/sの海洋性地殻第三層に相当する層が存在する。地殻全体の厚さは約8〜llkmであり 、典 型的 な海 洋性 地殻に比べてやや厚いが、ほぼ海洋性起源の特徴をもつことが地殻構造から直接的に確認された。
南 海 ト ラ フ の 地 殻 構 造 も ま た 、 銭 洲 海 嶺 に 類 似の 海洋 性地 殻を 示し てい る。 堆積 層（1.7〜1.8km/s、2.1〜2.5km/s)の厚さは約2kmで、典型的な海洋性地殻第1層に比べて厚く なっ てい る。 堆積 層下は、銭洲海嶺から連続的に続いていると考えられる海洋性地殻第二層、第三層で構成される。
トラ フ陸 側斜 面の 地殻構造は沈み込む海洋性地殻と付加プリズムを形成している速度約Skm/s以下 の厚 い堆 積物 の存在 によ って 特徴 づけ られる。この海域では発達した付加プリズ ムが 見ら れ、 その 規模 はト ラフ 軸か らの 距離 約45kmの地 点で 最大 の厚 さ10kmに達する
程 度で ある 。付 加プ リズム下には速度5.3〜5.8km/sの日本島弧の上部地殻に相当する層が存 在し 、北 東に 向か って 厚く なっ てい る。 東海 沖の 南西部 には 、更 に島 弧の 地殻深部に6.2〜 6.3km/sの 層が 存在している。一方、沈み込む海洋性地殻第二層、第三層はトラフの海 側 か ら、 付加 プリ ズム 、島弧 地殻 の下 まで連 続的 に続 いて いると 推定 され る。
銭洲 海嶺 の地 形的 高まりは南西の紀伊半島沖に向かって消滅していくが、この地形変化に 伴っ て地 殻の 成因 の違いを示すような横方向の構造の変化は認められない。従って、四国 海盆 と銭 洲海 嶺の 地殻は成因が同一の海洋性地殻であるとぃえる。地殻構造の横方向の変化は観測会域の北東部に見られ、そこでは典型的な海洋性地殻とは異なるニつの特徴的な構造が発見された。まずーっめは、7km/s以上の高速度層が海洋性地殻の下に底付けされたような構造である。このような高速度の物質は、伊豆小笠原島弧の分裂に関する火成活動によって形成されたものであると解釈される。二っめの特徴は、海洋性地殻第二層としては速度が遅い3.6km/sの物質が観測海域で広範囲にわたって分布していることである。この物質は伊豆小笠原島弧の火成活動によって供給される火山性砕屑物であり、南海トラフや付加プリズムに存在する厚い堆積物の供給源でもあると考えられる。以上の高速度層や火山性砕屑物は、島弧から背弧への遷移域の特徴を示していると考えられる。
銭洲海嶺南縁にはモホ面のオフセットが存在し、海洋性地殻第三層内部に逆断層的な不連続がある可能性が示唆できる。オフセットの南側の海洋性地殻第三層は北向きに急傾斜する構造を示すが、その傾きは銭洲海嶺の北東部に比べて南西部では緩やかになり、紀伊半島沖では消滅すると推定される。トラフ陸側斜面では、敦賀湾―伊勢湾構造線の延長とみなされている安乗□海底谷付近で地殻構造の急激な横方向の変化が見られる。沈み込むフィリピン海プレートの上面の形状もこの海底谷周辺で変形を受けている。また、遠州灘から熊野トラフヘの地形変化に伴って、地殻が全体的に南西に傾斜している。以上のような沈み込むプレート上面の変形、銭洲海嶺南縁のモホのオフセットの存在はフィリピン海プレートの沈み込みに加えて、伊豆小笠原島弧と日本島弧の衝突という東海沖に特徴的な
複 雑 な テ クト ニ ク ス の影 響 を 反 映し た 構 造 であ る と 考え られる 。

学位論文審査の要旨
主査

教授

島 村英 紀副査

教授

西 田泰 典

副査

助教 授

森谷 武男

副査

助教 授

岩崎 貴哉（ 東京 大学地震研究所）

学位論文題名Crustal structure of the eastern Nankai Trough off
Tokai byadense alrgun―OBSSeiSmiCprofiling（エアガン一海底地震計を用いた多点高密度探査による東海沖の地殻構造）

フィリピン海プレート北縁部に位置する東海沖では、フアリピン海プレートが南海ト
ラ フ か ら 日 本 島 弧 下 へ 沈 み 込ん で いる ほか 、伊 豆半 島北 縁部 では 伊豆 小笠 原島 弧と日 本島 弧が 衝突 して いる 。こ の海 域で は他 の沈 み込 み帯には見られない特徴として銭洲海嶺と呼ばれる地形的高まり、そして、トラフ陸側斜面に見られる地質構造線の海 域へ の延 長と 考え られ てい る幾 っか の海 底谷 があ る。また南海トラフ沿いでは巨大地震が周期的に繰り返し発生していて「東海地震」が警戒されてもいる。以上のよう に、 東海 沖は 地球 科学 的に 重要 な海 域で ある にも 関わらず、この海域での地震発生 機構 やテ クト ニク スを 議論 する ため に必 要な 地下 深部までの地殻構造に関する情報がなかった。
本 論 文 は 南 海 ト ラ フ 東 部 の東 海 沖で 海底 地震 計と エア ガン を用 いた 屈折 法地 震探査を行なうことによって、今まで明らかにされていなかった四国海盆から日本島弧までのフィリピン海プレート北縁での沈み込みと衝突に関する地殻構造とプレートの沈み 込み 形態 を深 部ま で解 明し たも ので ある 。ま た伊 豆小笠原島弧から四国海盆までの島弧から背弧までの地殻構造の遷移の様子を明らかにした。さらに、南海トラフ沿い で繰 り返 し発 生し てい る巨 大地 震の 破壊 領域 の境 界と地殻構造のトラフに沿う方向での変化との対応を明らかにした。
本 研 究 で 用 い た デ ー タ は 、 1992年 と 1996年 に 北 海 道 大 学 理 学 部 海 底 地 震 観測 施 設 な ど が 東 海 沖 で 行 な った 大 規模 な地 殻構 造探 査に よっ て得 た。 観測 は海 底地震 計と 大容 量の エア ガン を組 み合 わせ た多 点高 密度 の屈折法地震探査を主とし、
地 殻 浅 部 の 堆 積 層 構 造 を 抑 え る た め の 反 射 法 地 震 探 査 や 重 力 観 測も 行 な っ た 。
1992年 の 屈 折 法 地 震 探 査 の 測 線 は 測 線 長 は 530kmに 達 し た 。 測 線 上 に 20台 の海 底 地 震 計 を 20〜 30km間 隔 に 設 置 し 、 大 容 量 エ ア ガ ン を 2基 用 い 250〜 300m
間 隔 で 人 工 地 震 を 行 な っ た 。 1996年 の 屈 折 法 地 震 探 査 の 測 線 は 1992年 の 探 査

領 域 の 南 西 に 展 開 し 、 測 線 長 は 780kmに 達 し た 。 測 線 上 に 65台 の 海 底 地 震 計 を
10〜 20km間 隔 に 設 置 し 大 容 量 エ ア ガ ン を 3基 用 い 20〜 80m間 隔 で 人 工 地 震を 行なった。解析には主に二次元波線追跡法を使用し、初動、および後続波の走時、距 離に 対す る振 幅変 化を 説明 する 地殻 構造 モデ ルを決 定し た。次に、決定した地殻構造を重カデータを用いて検証し、最終的な速度構造を決定した。
こ の 結 果 、 銭 洲 海 嶺 の 地 殻 構 造 は 、 四国海 盆の 海洋 性の 地殻 構造 に類 似し ている こ と が 発 見され た。 地殻 は6層か ら成 り、最 上部 の2層は 速度 がそ れぞれ 、1.6〜1.9km/s、 2.0〜 3.Okm/sの 堆 積 層 で あ る 。 堆 積 層 下 に は 速 度 4.0〜 4.6km/s、 4.7〜 5.7km/s、 6.3〜 6.5km/sの 海 洋 性 地 殻 第 二 層 、 6.7〜 6.9km/sの 海 洋 性 地 殻第 三 層 に 相 当 す る 層 が 存 在 す る 。 地 殻 全体の 厚さ は約 8〜 llkmであ り、 典型 的な
海 洋性 地殻 に比 べて やや 厚い が、 ほぼ 海洋 性起 源の特 徴を もつことが確認された。
南 海 ト ラ フ の 地 殻 構 造 も 銭 洲 海 嶺 に 類 似 の海 洋 性 地 殻 を 示 し て い た 。 堆 積 層（ 1.7〜 1.8km/s、 2.1〜 2.5km/s） の 厚 さ は 約 2kmで 、 典 型 的 な 海 洋 性 地 殻 第 1層 に比 べて 厚く なっ てい る。 堆積 層下 は、 銭洲 海嶺か ら連 続的に続いていると考えられる海洋性地殻第二層、第三層で構成される。
トラ フ陸 側斜 面の 地殻 構造 は沈 み込 む海 洋性 地殻と 付加 プリズムを形成している
速 度 約 5km/s以 下 の 厚 い 堆積 物 が 見 ら れ 、 そ の 規 模 は ト ラ フ 軸 か ら の距 離約 45kmの 地 点 で 最 大 の 厚 さ 10kmに 達 す る こ と が 分 か っ た 。 付加 プ リ ズ ム 下 には 速度 5.3〜 5.8km/sの 日 本 島 弧 の 上 部 地 殻 に 相 当する 層が 存在 し、 北東 に向 かっ て厚 くなっ て い る 。 東 海 沖 の 南 西 部 に は 、 更 に 島 弧 の地 殻 深 部 に 6.2〜 6.3km/sの 層 が 存在 して いる 。一 方、 沈み 込む 海洋 性地 殻第 二層 、第三 層は トラフの海側から、付加ブリズム、島弧地殻の下まで連続的に続いていると推定された。
銭 洲 海 嶺 南 縁 に は モ ホ 面 の 食 い 違 い が存在 し、 海洋 性地 殻第 三層 内部 に逆 断層
的 な不 連続 があ る可 能性 が示 唆で きた 。オ フセ ットの 南側 の海洋性地殻第三層は北向 き に 急 傾 斜 す る 構 造 を 示 す が 、 そ の 傾きは 銭洲 海嶺 の北 東部 に比 べて 南西 部では 緩やかになり、紀伊半島沖では消滅すると推定される。トラフ陸側斜面では、敦賀湾 ― 伊 勢 湾 構 造 線 の 延 長 と み な さ れ て いる安 乗口 海底 谷付 近で 地殻 構造 の急 激な横 方向の変化が見られる。沈み込むフアリピン海プレートの上面の形状もこの海底谷周 辺で変形を受けている。また、遠州灘から熊野トラフヘの地形変化に伴って、地殻が全体的に南西に傾斜している。
このように沈み込むプレート上面の変形、銭洲海嶺南縁のモホのオフセットを発見
し たことは、フアリピン海プレートの沈み込みに加えて、伊豆小笠原島弧と日本島弧の 衝突という東海沖に特徴的な複雑なテクトニクスの影響を反映した構造をはじめて見っけて、その地球科学的な意味づけに大きく貢献できるものと考えられる。よって、著 者 は 、 北 海 道 大 学 博 士 （ 理 学 ） の 学 位 を 授与 さ れ る 資 格 あ る も の と 認 め る 。