３.１.６

東北日本弧におけるひずみ集中帯の地震発生機構の解明

目次(1)

業務の内容・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・131(a) 業務題目(b) 担当者(c) 業務の目的(d) ６ヵ年の年次実施計画
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２１年度業務目的(2)

平成２１年度の成果・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・132(a) 業務の要約(b) 業務の成果
1) 地震観測網の整備
2) 地震発生域下限の深さの推定
3）地殻構造の推定
4) 岩手山における地震観測点と GPS 観測点の整備(c) 結論ならびに今後の課題(d) 引用文献(e) 学会等発表実績(f) 特許出願、ソフトウエア開発、仕様・標準等の策定(3)

平成２２年度業務計画案・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・136

130

(1) 業務の内容(a) 業務題目

東北日本弧におけるひずみ集中帯の地震発生機構の解明(b) 担当者
所属機関

役職

氏名

メールアドレス教授

松澤 暢

matuzawa@aob.gp.tohoku.ac.jp

同教授

海野 徳仁

umino@aob.gp.tohoku.ac.jp

同

准教授

植木 貞人

ueki@aob.gp.tohoku.ac.jp

同

准教授

三浦 哲

miura@aob.gp.tohoku.ac.jp

同准教授

岡田 知己

okada@aob.gp.tohoku.ac.jp

同准教授

中島 淳一

nakajima@aob.gp.tohoku.ac.jp

同助教

内田 直希

uchida@aob.gp.tohoku.ac.jp

同助教

伊藤 喜宏

yito@aob.gp.tohoku.ac.jp

同助教

太田 雄策

ohta@aob.gp.tohoku.ac.jp

同

技術職員

立花 憲司

tachi@aob.gp.tohoku.ac.jp

同

技術職員

中山 貴史

nakayama@aob.gp.tohoku.ac.jp

同

技術職員

平原 聡

hirahara@aob.gp.tohoku.ac.jp

同

技術職員

鈴木 秀市

syu@aob.gp.tohoku.ac.jp

同

技術職員

河野 俊夫

kono@aob.gp.tohoku.ac.jp

同

再雇用職員

堀 修一郎

hori@aob.gp.tohoku.ac.jp

同

再雇用職員

佐藤 俊也

sato@aob.gp.tohoku.ac.jp

国立大学法人東北大学
大学院理学研究科(c) 業務の目的
東北地方の日本海沿岸、脊梁部、宮城県北部の 3 箇所に存在するひずみ集中帯の比較研究に基づくひずみ集中帯の機構解明に資する調査研究を行うため、東北地方日本海沿岸の庄内平野東縁断層帯を中心とした地域で機動的観測を行い、この地域における地震活動及び上部地殻から最上部マントルまでの構造全体を詳細に推定し、脊梁部や宮城県北部など他のひずみ集中帯と共通する特徴を抽出することにより、ひずみ集中帯と地震発生の関係を推定し、内陸地震の発生モデルを高度化する。
(d) ６ヵ年の年次実施計画
1) 平成１９年度：東北地方日本海沿岸の庄内平野東縁断層帯を中心とした地域におけるひずみ集中帯の機構解明に資する調査研究を行うために必要な地震計やデータロガーを整備するとともに、他のひずみ集中帯での調査結果と比較研究を実施する上で最も効果的な観測点配置等について検討を行った。
2) 平成２０年度：東北地方日本海沿岸の庄内平野東縁断層帯を中心としてデータロガーと地震計を展開し、既存の観測網とあわせ、中心部で 5～10km、周辺部で 10～15km 程度となるような観測点間隔で微小地震観測網を構築した。回収データの一部について処理・131

解析を行った。
3) 平成２１年度：東北地方日本海沿岸の庄内平野東縁断層帯とその周辺地域での観測を継続し、得られたデータにより高精度の震源決定を行い、地震発生域下限の深さを調べる。
また上部地殻の構造について解析を行い、宮城県北部地震や中越地震の震源域に見られた、インバージョンテクトニクスを示唆する構造が存在するか否かを検証する。さらに、比較対象である脊梁ひずみ集中帯の北部の状況を高精度で把握するために、岩手山に機動的地震観測点 1 点と GPS 観測点 2 点を設置し、観測を開始する。
4) 平成２２年度：東北地方日本海沿岸の庄内平野東縁断層帯とその周辺地域での観測を継続し、最上部マントルから上部地殻にかけての構造推定を行う。高精度の震源決定も継続して行い、発震機構解等のデータから応力場の情報を抽出する。さらに、岩手山における地震観測と GPS を継続するとともに、新たに機動的地震観測点 1 点と GPS 観測点 2 点を設置し、観測を開始する。
5) 平成２３年度：東北地方日本海沿岸の庄内平野東縁断層帯とその周辺地域での観測を継続し、得られたデータにより高精度の震源決定を行うとともに下部地殻の構造を推定する。
6) 平成２４年度：東北地方日本海沿岸の庄内平野東縁断層帯とその周辺地域での観測を継続し、得られたデータにより高精度の震源決定を行い、上部地殻から最上部マントルまでの構造全体を詳細に推定し、東北地方脊梁部と宮城県北部の最新の成果との比較研究により、ひずみ集中帯における地震発生のモデルの検証と改良を行う。
(e) 平成２１年度業務目的
東北地方日本海沿岸の庄内平野東縁断層帯とその周辺地域での観測を継続し、地震発生域下限の深さを調べる。また上部地殻の構造について解析を行い、インバージョンテクトニクスを示唆する構造が存在するか否かを検証する。さらに、比較対象である脊梁ひずみ集中帯の北部の状況を高精度で把握するために、岩手山に機動的地震観測点 1 点と GPS観測点 2 点を設置し、観測を開始する。
(2) 平成２１年度の成果(a) 業務の要約
東北地方日本海沿岸の庄内平野東縁断層帯とその周辺地域での観測を継続し、得られたデータにより高精度の震源決定を行い、地震発生域下限の深さを調べた。また上部地殻の構造について解析を行い、断層帯に沿って東に傾き下がる低速度帯を発見した。さらに、比較対象である脊梁ひずみ集中帯の北部の状況を高精度で把握するために、岩手山に機動的地震観測点 1 点と GPS 観測点 2 点を設置し、観測を開始した。
(b) 業務の成果
1) 地震観測網の整備
平成 20 年度には全 20 点の観測点のうち、16 点はオンライン化したが、4 点がオフラインのままであった。効率的なデータ回収を行うために、平成 21 年度は 4 点のうち 3 点をオンライン化した。また、歪集中帯の解明には鳥海山直下の構造の推定が重要であるため、132これまで手薄であった鳥海山西側の観測を強化した。観測網の変遷を図 1（P137）に示す。
まず、高坂ダム（HZ05）観測点を移設して大須郷（OSG）観測点を設置し、2009 年 10月からオンラインでデータ収集できるようにした。また、オフラインのままではあるが、八幡開閉所（HZ09）観測点を吹浦（FKR）観測点に移設して観測を行った。この 2 点は、鳥海山の西側に位置する貴重な観測点となるので、鳥海山の構造が精度良く推定できるようになると期待される。
また、平成 20 年度にオフライン観測を開始した猿倉（SRK）観測点と軽井沢（KRI）観測点の 2 点に、携帯電話によるデータ伝送システムを設置し、オンライン化した。機動的観測をオンライン化する上で場所の制約を少なくすることができるため、今後、このようなシステムが極めて重要になると考えられる。
2) 地震発生域下限の深さの推定
地震発生域の下限の深さを精度良く推定するためには、三次元不均質構造を考慮した震源決定を行う必要がある。ここでは、Zhao et al. (1992) 1) の三次元トモグラフィーの手法を用いて速度構造と震源を同時に推定した。用いた地震の震源分布を図 2（P138）に示す。
臨時観測が始まってからのデータのみでは、構造を推定するのには十分ではないため、定常観測網の データや東 北大の他の 臨時観測点 のデータも 含めて、2006 年～2009 年の約13,500 個の地震のデータを用いた。うち、約 1,100 個の地震については、本臨時観測点の読み取り値を利用した。グリッド間隔は東西：0.05°、南北：0.05°、深さ：6km である。
再決定された震源の分布を図 3（P139）に示す。一元化震源では東側で浅く、西側で深くなっているが、再決定された震源では東西の深さ差は縮小している。海底下の地震の深さについては、三次元構造を考慮しても不確定性が大きいことを考慮して、陸の下の震源だけに注目すると、地震発生域の下限の深さは、場所によらず概ね 15～20km 程度であることがわかる。
3）地殻構造の推定
解析によって得られた S 波速度偏差の深さ 6km と 24km における分布を図 4（P140）に示す。深さ 6km の図を見ると，大局的には庄内平野東縁断層帯付近を境にして西側が低速度で東側が高速度になっている。西側の低速度域は、日本海拡大時に形成された厚い堆積層を見ていると考えられ、中越地震の震源域周辺と同様の特徴を示している。ただし、西に傾き下がる逆断層であった中越地震の震源断層と異なり、庄内平野東縁断層帯は東に傾き下がる逆断層であるため、インバージョンテクトニクスを強く示唆する構造とは言えない。
むしろ深さ 6km では、庄内平野東縁断層帯に沿って低速度の領域の存在が顕著である。
一方、深さ 24km では、脊梁に沿った低速度域以外に、庄内平野東縁断層帯の 10-20km 程度東に、低速度の領域が南北に並んでいるように見える。庄内平野東縁断層帯南部の東部延長は明確ではないが、少なくとも断層帯北部の東部延長には顕著な低速度域があることがわかる。
この S 波速度偏差の分布の北緯 39.10 度から 38.85 度までの 0.05 度毎の東西断面図を図 5（P141）と図 6（P142）に示す。39.05 度と 39.00 度の断面では、地表の活断層の位
133

置から東に傾き下がる低速度域が明瞭に見て取れる。それ以外の断面でもぼんやりと東に傾き下がる低速度域があるようにも見えるがはっきりとはしない。加藤・他 (2006) 2) は反射法地震探査により、庄内平野東縁断層帯が東に傾斜した逆断層であることを明確に示した。また、市原・他 (2009) 3) による本委託研究の成果 4) によれば、この断層帯からやはり東に傾き下がる低比抵抗帯が存在しており、この断層帯の少なくとも北部は断層に沿って低速度・低比抵抗となっていることがわかった。地震調査研究推進本部地震調査委員会 (2009) 5) は、1894 年の庄内地震（M7.0）は庄内平野東縁断層帯北部の活動によるものであると判断しており、最新の地震から 100 年程度しか経過していないために、断層の固着が十分ではなく、破砕帯内に地殻流体が入り込んでいると考えれば、断層帯北部で断層に沿って低地震波速度・低比抵抗になっていることは説明可能である。
臨時点が有るときと無いときのチェッカボードテストの結果を図 7（P143）に示す。特に庄内平野東縁断層の西側の浅部の分解能が向上したことが見て取れる。一方、深部については、39.10 度の断面を見ると臨時点が加わっても分解能の向上は顕著ではなく、地殻下部については、まだデータの蓄積が必要であることがわかる。したがって、図 5（P141）
で断層帯下部での低速度域の状況については今後、さらに詳しく調べる必要がある。
4）岩手山における地震観測点と GPS 観測点の整備比較対象である脊梁ひずみ集中帯の北部の状況を高精度で把握するために、岩手山周辺において、機動的地震観測点として松川（MTK）観測点、また GPS 連続観測点として、岩手山（IWT）観測点と相ノ沢（ANS）観測点で、新規に導入した装置で観測を開始した（図 8、P144）。
機動的地震観測については、テレメーター機能付データロガーである白山工業製
LS-7000XT を MTK 観測点に設置し、1Hz 地震計 3 成分のデータを 24bit、100Hz で ADして、2009 年 11 月 26 日よりフレッツ回線網でデータを伝送している。
GPS 観測については、内部に記録用メモリを持たずデータをシリアルポート経由でストリーミングする構造物モニタリング用 2 周波 GPS 受信機と、IA32 互換 CPU を載せたLinux ボード(データロガー)を組み合わせる事によって、従来機と同程度の精度を持ちつつ、導入コストを大幅に削減(半額程度)する事に成功した。この Linux ボード上でのソフトウェア開発の一部は、株式会社ジオサーフと共同で行った。構築されたシステムを IWT観測点と ANS 観測点に設置し、2009 年 9 月 4 日より観測を開始した（図 9、P144）。
上記廉価 GPS システムに加え、リアルタイムキネマティック GPS 解析を行うため、シ
リアルポート経由でのデータストリーミングを TCP/IP 網にリアルタイムで乗せるためのアプリケーション開発を開始した。リアルタイムキネマティック解析用には RTCM フォーマットを用いる。暫定的ではあるが 1 秒毎の座標値が水平成分で数 cm 程度内の標準偏差で把握できる事を確認した。
(c) 結論ならびに今後の課題
日本海東縁の庄内平野東縁断層帯付近に臨時地震観測網を展開して、得られたデータから三次元地震波速度構造と震源を推定した。地震発生域の下限は、気象庁一元化震源デー
タでは東側が浅く、西側が極めて深くなっているが、再決定の結果、東西の深さ差は小さ134

くなり、概ね深さ 15～20km 程度が下限と考えられる。断層帯に沿って東に傾き下がる低速度帯が断層帯北部に存在していることを確認した。この低速度帯は低比抵抗帯となっていることから、1894 年の庄内地震（M7.0）で破砕された断層帯内に存在する流体を見ている可能性が高いと考えられる。ただし、観測網内での地震活動が低調であるため、地震発生域の下限と低速度帯の詳細な分布を議論するためには、もうしばらくデータの蓄積が必要である。
日本海東縁と脊梁のひずみ集中帯の比較を行うことを目的として、岩手山周辺に機動的地震観測点 1 点と GPS 連続観測点 2 点を整備した。この GPS 観測のためのシステム開発により、平成 22 年度終盤以降、ひずみ集中帯内部に存在する岩手山等の挙動をリアルタイムに知る事が可能になると期待される。
(d) 引用文献
1) Zhao, D., Hasegawa, A., and Horiuchi, S.: Tomographic imaging of P and S wave
velocity

structurebeneathnortheasternJapan,J.

Geophys.

Res.,97,

B13,pp.19909-19928, 1992.
2) 加藤直子，佐藤比呂志，今泉俊文，越谷信，戸田茂，荻野スミ子，越後智雄，木村治夫，楮原京子，森下信人，小林勉，高橋就一，梅津洋輔，水本匡起，吉田明弘，小池太郎，佐 藤 良 ： 庄 内 平 野 東 縁 活 断 層 系 松 山 断 層 に お け る 反 射 法 地 震 探 査 ， 活 断 層 研 究 ， 26，pp.87-93, 2006．
3) 市原寛，上嶋誠，坂中伸也，小川勉，西谷忠師，小川康雄，渡邉篤志，山谷祐介，臼井嘉哉，森田裕一，吉村令慧，三品正明：日本海東縁歪み集中帯（庄内－新庄地域）の比抵抗構造イメージング，日本地球惑星科学連合 2009 年大会予稿集，J245-007，2009．
4) 平田直，上嶋誠，森田裕一，小川勉，加藤愛太郎，蔵下英司，中川茂樹，市原寛：電磁気学的手法によるひずみ集中帯発生機構解明と機構解明データセンターの運用，科学技術振興費「ひずみ集中帯の重点的調査観測・研究」，平成 20 年度成果報告書，文部科学省
研究開発局・独立行政法人防災科学技術研究所，pp.52-70, 2009．
5) 地震調査研究推進本部地震調査委員会：庄内平野東縁断層帯の長期評価の一部改訂について，http://www.jishin.go.jp/main/chousa/09oct_shonai/index.htm，2009．
(e) 学会等発表実績
学会等における口頭・ポスター発表
発 表 成 果 (発 表 題 目 、 口

発表者氏名

頭・ポスター発表の別)

発表場所(学会等名)

発表時期

庄内平野東縁断層帯周

松澤暢，中島淳一，岡田知日本地震学2009 年

辺域における稠密地震

己，平原聡，中山貴史，堀会 2009 年 度

10月

観測(序報），ポスター

修一郎，河野俊夫，鈴木秀

秋季大会

市，海野徳仁，長谷川昭
学会誌・雑誌等における論文掲載なし
135

国際・国内の別国内

マスコミ等における報道・掲載
なし(f) 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(3) 平成２２年度業務計画案
東北地方日本海沿岸の庄内平野東縁断層帯とその周辺地域での観測を継続し、平成 21年度に発見された、断層帯に沿う地震波低速度帯の特徴について、さらに詳細に調べるとともに、最上部マントルから上部地殻にかけての構造推定を行うことにより、この低速度帯の成因について検討を行う。高精度の震源決定も継続して行い、地震発生域下限の深さをより詳細に調べるとともに、発震機構解等のデータから応力場の情報を抽出する。さらに、比較対象である脊梁ひずみ集中帯の北部の状況を高精度で把握するために、岩手山における地震観測と GPS を継続するとともに、新たに機動的地震観測点 1 点と GPS 観測点２点を設置し、観測を開始する。

136

(a)

(b)

(c)

(d)

図 1

臨時地震観測網の整備。黄色と赤色の丸印が、それぞれオンラインとオフラインの観測点を示す。(a) 2008 年 11 月～2009 年 5 月。(b) 2009 年 5 月～2009 年 8 月。(c) 2009年 8 月～2009 年 10 月。(d) 2009 年 10 月～2010 年 3 月。

137

図 2

震源の再決定と構造推定に用いた震源分布（丸印）と臨時観測点の配置（灰色四角印）。赤三角印は第四紀の火山を示す。

138

図3

臨時観測点を使った再決定震源と気象庁一元化震源との比較。丸印が再決定震源で、丸の大きさがマグニチュード、色が深さを表す。一元化震源は丸印と繋がっている線の先端に位置する。

139

(a)

(b)

図 4

三次元トモグラフィーによって推定された S 波速度偏差。(a) 深さ 6km。(b) 深さ24km。

140

dVs (%)
図 5

S 波速度偏差の東西鉛直断面図。北緯 39.10 度、39.05 度、39.00 度の断面を示す。

赤三角は第四紀の火山、赤四角は活断層の位置、点線は仮定したモホ面の位置を示す。

141

dVs (%)
図 6

S 波速度偏差の東西鉛直断面図。北緯 38.95 度、38.90 度、38.85 度の断面を示す。

赤三角は第四紀の火山、赤四角は活断層の位置、点線は仮定したモホ面の位置を示す。

142

km

臨
時
点
有り

臨
時
点
無し

図7

チェッカーボードテストの結果。北緯 39.10 度（左）と 39.00 度（右）の東西断面図を示す。赤三角は第四紀の火山、赤四角は活断層の位置、点線は仮定したモホ面の位置を示す。

143

図8

岩手山周辺における地震および GPS 観測点の配置。◆：新設された機動的地震観測点。●：新設された連続 GPS 観測点。●：既設の連続 GPS 観測点。○：既設のキャンペーン方式臨時 GPS 観測点。●：GEONET の観測点。

図9

GPS 観測機器の設置例。

144