３．１．８

伸張場におけるひずみ集中メカニズムに関する研究

目次

(1)

業務の内容・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・200(a) 業務題目(b) 担当者(c) 業務の目的(d) ６か年の年次実施計画（過去年度は、実施業務の要約）
1) 平成１９年度
2) 平成２０年度
3) 平成２１年度
4) 平成２２年度
5) 平成２３年度
6) 平成２４年度(e) 平成２４年度業務目的(2)

平成２４年度の成果・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・201(a) 業務の要約(b) 業務の実施方法
1) 地殻変動観測
2) 地震観測a) ボアホール地震観測点b) 機動地震観測装置
3) データ処理(c) 業務の成果(d) 結論ならびに今後の課題(e) 引用文献(f) 成果の論文発表・口頭発表等(g) 特許出願,ソフトウエア開発，仕様・標準等の策定

199(1)

業務の内容(a) 業務題目

伸張場におけるひずみ集中メカニズムに関する研究(b) 担当者
所属機関

役職

氏名

メールアドレス

国立大学法人九州大学大学院准教授

松本 聡

matumoto@sevo.kyushu-u.ac.jp

同教授

清水 洋

同准教授

松島 健

理学研究院

(c) 業務の目的
日本海拡大による伸張とその後の圧縮によって形成されたひずみ集中帯の機
構 を 解 明 す る た め に は 、圧 縮 場 の み な ら ず 伸 張 場 に お け る 応 力 の 境 界 条 件 と こ れに 対 す る 地 殻 の 応 答 を 比 較 す る こ と が 重 要 で あ る た め 、現 在 日 本 列 島 の 中 で も 顕
著 な 伸 張 場 を 形 成 し て い る 別 府 島 原 地 溝 帯 を 含 む 九 州 地 域 に お い て 、地 殻 の 挙 動を 正 確 に 把 握 す る 検 知 シ ス テ ム 、及 び 局 所 的 な 構 造 を 調 べ る た め の 観 測 シ ス テ ムを 整 備 し 、詳 細 な 地 殻 変 動 観 測 及 び 地 震 観 測 を 行 う こ と で 、地 殻 活 動 の 物 理 的 メ
カニズムを考察し、ひずみ集中機構の解明を図る。
(d) ６か年の年次実施計画（過去年度は、実施業務の要約）
1) 平成１９年度：現在日本列島の中でも顕著な伸張場を形成している別府島原地溝帯を含む九州地域においてひずみ集中帯の機構解明に資する調査研究を実施するための伸張場地殻活動検出装置、伸張場地震活動観測装置、伸張場機動地震観測装置を整備するとともに、伸張場における詳細な地表変形、地震活動、地震波速度構造を推定し、ひずみ集中機構の解明を図るために最も効果的な調査観測点配置等の検討を行った。
2) 平成２０年度：伸張場における地殻の活動を把握するため、19 年度経費によって整備した GPS 受信機（伸張場地殻変動検出装置）をひずみ集中の起こっている別府島原地溝帯へ展開する計画を決定すると共に一部展開した。また、地震発生後のひずみ変化に伴う地震活動変化を正確に把握するため、福岡県西方沖地震および警固断層地域に伸張場地震観測装置を設置する具体的な計画を策定し、一部設置した。既存の地震観測網を補完して分解能を向上させるための、機動的地震観測装置を設置できる状態に点検、処理プロセスを整備した。一方、ひずみ蓄積メカニズムを知る上で重要な応力場の情報を得るための予備的解析として、現有の地震観測網でのデータを用いたストレステンソルインバージョンを行った。
3) 平成２１年度：展開した GPS 観測データを解析し、地表変形の状態（地殻変動）を把握をすすめた。九州地域のひずみ変化は別府湾から阿蘇カルデラにかけて最大せん断ひずみが大きい領域が求められた。また、南北ひずみを見ても別府島原地溝帯地域では南北伸長帯が存在することが分かった。また地震観測を継続し、詳細な地震活動データを得た。その結果、別府島原地溝帯、特に九重などの火山周辺での震源がより精度よく決定された。
200

4) 平 成 ２ ２ 年 度 ： 伸 張 場 に お け る 地 殻 の 活 動 を 把 握 す る た め G PS 受 信 機 （ 伸 張 場
地 殻 変 動 検 出 装 置 ）を ひ ず み 集 中 の 起 こ っ て い る 別 府 島 原 地 溝 帯 へ 、福 岡 県 西 方
沖 地 震 お よ び 警 固 断 層 地 域 に 伸 張 場 地 震 観 測 装 置 を 設 置 完 了 し 、デ ー タ の 蓄 積 をし て い る 。ま た 、機 動 的 地 震 観 測 装 置 で の 観 測 を 継 続 し た 。さ ら に 臨 時 観 測 点 を増 強 し 、詳 細 な 構 造 推 定 の デ ー タ 取 得 を 開 始 し た 。こ れ ら の デ ー タ よ り 、今 年 度
は 福 岡 県 西 方 沖 の 地 震 観 測 デ ー タ の 解 析 に よ り 、断 層 セ グ メ ン ト 境 界 に 応 力 場 がゆ が め ら れ て い る こ と が 明 ら か に な っ た 。ま た 、別 府 島 原 地 溝 帯 で は 、臨 時 地 震観測網でのデータを用いた微小地震の再読み取り、発震機構の再決定を行った。
そ の う え で ス ト レ ス テ ン ソ ル イ ン バ ー ジ ョ ン を 行 っ た 。こ れ ら に よ り 、別 府 島 原地溝帯では間隙水圧が高いなどのために強度が小さい可能性が見出された。
5) 平成２３年度：上記測線の観測データを解析し、地殻変動を把握した。また地震観測を継続し、詳細な地震活動データを得た。また、地表変形のデータから変形モデルの考察を行った。また、分解能向上のため、機動地震観測の移動、再展開を行った。
6) 平成２４年度：地表変形、地震活動、地震波速度構造等の解析結果を総合し、伸張場におけるひずみ集中機構の解明を目指す。
(e) 平成２４年度業務目的
平 成 2 0 ～ 21 年 度 に 別 府 島 原 地 溝 帯 地 域 に 設 置 し た 伸 張 場 地 殻 活 動 検 出 装 置 から 地 表 変 形 の 状 態（ 地 殻 変 動 ）を 把 握 す る デ ー タ の 蓄 積 を 行 う と と も に こ れ ら のデ ー タ 解 析 を 進 め る 。特 に 時 空 間 分 解 能 の 高 い 地 表 変 形 を 推 定 す る 。伸 張 場 地 震
観 測 装 置 に よ る ２ 観 測 点 で の 観 測 を 継 続 し 、詳 細 な 地 震 活 動 デ ー タ を 得 る 。ま た 、平 成 21～ 22 年 度 に 阿 蘇 地 域 を 中 心 と す る 別 府 島 原 地 溝 帯 に 設 置 し た 15 台 の 伸 張場 機 動 地 震 活 動 観 測 装 置 の 一 部 に 新 規 地 震 計 10 台 を 配 備 し て 安 定 し た 観 測 デ ータ取得を行う。これらのデータを用いて構造解明のための解析を行うとともに、
近 年 活 動 が 活 発 化 し て い る 状 況 を 鑑 み て 、観 測 を 継 続 し デ ー タ を 取 得 す る こ と で精度向上を図る。
(2)

平成２４年度の成果(a) 業務の要約
平成 24 年度は、別府島原地溝帯に設置した GPS 受信機（伸張場地殻変動検出装置）、機動的地震観測装置および福岡県西方沖地震断層近傍の伸張場地震観測装置による観測を継続し、得られたデータを処理解析した。特に、配備した地震計 10 台を展開して安定したデータを取得できた。
取得したデータよって、別府島原地溝帯を中心として九州地域の、ひずみ速度分布、応力分布、地震発生層の厚さ分布、平均的間隙水圧分布を求めた。GPS 観測によって別府地域に大きなひずみが集中しており、そこでは微小地震活動が高いことが明らかになった。
この地域は地震発生層の厚さが他の地域と比べて薄く、このためにひずみ速度が大きくことが示された。この結果は応力比の空間変化からも支持され、ひずみ集中メカニズムが定性的であるが明らかになった。さらに、間隙水圧は断層地域で高い結果が得られ、地震発201

生特性との関連が示唆された。
(b) 業務の実施方法
1) 地殻変動観測別府島原地溝帯を横切る測線とひずみ速度が大きいと予想される位置を選定し、国土地理院が展開する GEONET 観測点を補完し、別府島原地溝帯の地殻変動をより詳細に明らかにするため、平成 20 年度に 21 点の連続観測点とキャンペーン観測点を増設し、伸張場地殻変動検出装置（GPS 受信機）を設置し観測を継続した。
GPS 受信機を設置するに当たっては、設置場所は堅牢な建物の屋上等とし、公共の建築物を重点的に選定した。設置地点を図 1 に示す。設置位置と関連する GPS 観測地点も図中に示した。

図1

九州における GPS 観測点。●：GEONET 観測点、赤丸：伸張場地殻変動検出装置設置点。設置した観測点においては、連続データ収録を開始し、現在システムを運用中である。
2) 地震観測a) ボアホール地震観測点
19 年度に整備した装置は、ひずみ集中メカニズムを解明する上で重要な要素である、地震活動を高い精度で観測する装置である。特に、地震後のひずみ集中を検出するために福岡県西方沖地震震源域南東部、警固断層周辺に設置することが適切であると判断した。これらは地震断層と警固断層の境界近傍に位置する西戸崎および警固断層沿いの高宮地域・高宮浄水場内にある、既設の地震観測地点に導入した。これらの観測地点からのデータを蓄積し、精度のよい震源、発震機構解を得た。
b) 機動地震観測装置
別府島原地溝帯を横断するように機動観測装置 15 点の臨時地震観測を開始した。22 年
度は当センターの観測装置も投入し、10 月からさらに増強し、現在 35 点の臨時観測点の展開を行っている。これらの分布を図 2 に示す。これらの観測により、蓄積され始めたデ202

ータによって、より精度の高い震源およびメカニズム解が得られることになった。とくに、24 年度に整備した地震計 10 台をこの臨時観測点に投入することで、安定した観測データを取得できた。

図 2

九州内陸に展開されている地震観測点（九州大学，京都大学，鹿児島大学，防災科学技術研究所，気象庁）（左図）および展開された臨時観測点（右図）。
3) データ処理
GPS による地殻変動データ解析は本研究の観測点と GEONET 観測点のデータを合わせて、Bernese GPS Software Ver. 5.0 を用い、IGS 精密暦、IGS の地球回転パラメタを使用した。
大気伝搬遅延量は GMF マッピング関数を Bernese に組み込み、1 時間毎に、また大気伝搬遅延勾配は 6 時間毎に推定した。
地震データについては 3 次元速度構造を用いて、精度の高い震源決定を行った。そのデータから微小地震活動の下限（D90）や発震機構解、ストレステンソルインバージョン等による応力場を推定した。
(c) 業務の成果
GPS データを用い，国土地理院が展開する GEONET 観測点の F3 座標解を使って九州地域のひずみ変化を求めた。別府湾から阿蘇カルデラにかけて最大せん断ひずみが大きい領域が求められた。また、南北ひずみを見ても別府島原地溝帯地域では南北伸長帯が存在することが分かった。この結果を微小地震深さ分布の下限（D90）と比較すると、地震発生層が薄い部分でひずみが大きいことが見出された。一方、最大水平主圧縮軸方向の延長線上にある熊本地方と比較すると、地震発生層が厚くひずみが小さい。これは、発生層が別府で薄くなることによって九州の外部からの圧縮力（ほぼ東西）を小さい面積で支えることになり、相対的に応力が大きくなったと考えられる。その結果として、ひずみが大きくなる
203

と解釈できる。熊本側で応力が低下することは、ストレステンソルインバージョンで得られた応力比[（σ2－σ3）/（σ1－σ3）]が別府より大きい、すなわち最大水平主圧縮力が低下している結果が得られていることからも支持される。これらのひずみ、応力、地震発生層の厚さの結果から、別府から阿蘇にかけてのひずみ集中帯は外部からの力を支える地震発生層の空間的違いによって生み出されていると結論付けることができる。
さらに、本研究で得られた発震機構解を用いて、間隙水圧分布推定を試みた。断層の破壊はクーロン・ナビエの破壊基準によると仮定し、地殻の強度を低下させる間隙水圧の空間分布について検討した。ここでは Terakawa et al.

(2010) 1) の方法を用い、グリッドごとの間隙水圧の推定を行った。彼らの方法は、ある応力場の中での発震機構解の違いが間隙水圧の変化であると見なして、間隙水圧を推定する。ここでは、グリッドごとに発震機構解を集め、平均的な間隙水圧比（間隙水圧と静岩圧の比）を求めた。このとき、応力場は横ずれ場であると仮定することで、σ2 の大きさ（静岩圧）を与え、応力テンソルインバージョンによって求めた応力比を使ってモール円を決め、摩擦係数μ＝0.6 を仮定することで求めた。大局的傾向として、別府島原地溝帯西部の熊本地域では小さく、福岡西方沖地震や日奈久断層周辺では大きくなっている。すなわち、地震活動の活発な活断層地域では高間隙水圧であることを示している。また、地震が 3 次元的に起こっている熊本地方では低間隙水圧であった。これらは地震活動の空間的様式と間隙水圧が関連していることを示唆するものである。
図 3 に上記で得られた結果の模式図を示す。別府島原地溝帯では東部で地震発生層が薄く、最大主圧縮応力が西部よりも高い。そのため、ひずみが集中している。また、地溝帯内部では地震活動が活発で、これらは火山もしくは下部地殻からの流体供給による強度低下によって励起している可能性がある。また、断層帯では局所的に間隙水圧が高く、地震活動が活発であるが、断層帯の他では必ずしも活発でない。これは流体供給源もしくはその供給路が存在していないと解釈することが可能である。

204

図 3

九州における地震発生の模式図。上段が別府島原地溝帯、下段が断層帯と地震活動のない地域を模式的に示している。地震発生層の厚さ変化やモール円による応力―強度の関係図を示す。地溝帯では流体の供給があるために地震活動が活発で、地震のない地域では流体による強度低下が起こらず、地震発生に至らない可能性を表している。
(d) 結論ならびに今後の課題
九州におけるひずみ集中メカニズムは、別府島原地溝帯において明らかにされた。地震発生層との関係が重要であることを示し、他地域での考察に寄与することができる。一方では現在の結果は定性的な解釈であり、これを定量化するために有限要素法などの数値モデリングが必要である。ただし、現在のところ外部境界条件や下部地殻の粘性特性などがほとんど分かっていないことから、地震波速度不均質や減衰・散乱、電磁気学的観測による比抵抗構造などと GPS による地殻応答を比較することで、媒質情報をモデル化する試みが必要である。また、本研究によって地震活動様式と間隙水圧との関連が示唆された。これは極めて重要であり、地震発生場の特徴を理解する上での意義は大きい。しかしながら、これら強度についても発震機構解を精度よく推定することが間隙水圧の推定法の検証（破壊基準の仮定の検討）や高精度推定が可能になることから、機動的な観測研究を進めることが必須である。一方では、観測データが増加することによってその処理を迅速に行うべく、効率的な処理プロセスの設計と処理のマンパワーの充実することが極めて重要である。
(e) 引用文献
1) Terakawa, T., A. Zoporowski, B. Galvan, and S. A. Miller (2010), High pressure
fluid at hypocentral depths in the L’Aquila region inferred from earthquake focal
mechanisms, Geology, 38 (11), 995–998, doi:10.1130/G31457.1.
(f) 成果の論文発表・口頭発表等
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著者題名

発表先

発表年月日

千藏ひろみ・他

発震機構解から推定した九州内陸

JPGU2012 年 合 同 大

平成 24 年 5の応力場と間隙水圧分布会

月 23 日(g) 特許出願，ソフトウエア開発，仕様・標準等の策定
1) 特許出願
なし
2) ソフトウエア開発
なし
3) 仕様・標準等の策定
なし

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