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・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・173(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・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・174(a) 業務の要約(b) 業務の成果
1) 庄内平野東縁断層帯近傍の地震発生層下限と地震波速度構造の推定
2）地震波干渉法による群速度構造の推定
3) 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) 成果の論文発表・口頭発表等(f) 特許出願，ソフトウエア開発，仕様・標準等の策定

172

(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
国立大学法人東北大学

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

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

同助教

市來 雅啓

ichiki@m.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

出町 知嗣

demachi@aob.gp.tohoku.ac.jp

同

技術職員

海田 俊輝

kaida@aob.gp.tohoku.ac.jp

同

再雇用職員

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

立花 憲司

tachi@aob.gp.tohoku.ac.jp

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 か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：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
173

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・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。
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、断層帯に沿う地震波低速度帯浅部の Vp/Vs が大きいことを明らかにし、この低速度帯主要部の成因としては 1894 年庄内地震による破砕帯の可能性が高いことを示した。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が 15～20km 程度であること、発震機構解等のデータから東西圧縮の応力場が卓越している可能性が高いことを示した。さらに、岩手山における地震観測と GPS 観測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、観測を開始した。
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、地震波減衰構造の推定も行い、低 Q で高 Qp/Qs の西に傾き下がる領域が鳥海山や庄内平野東縁断層帯に沿って存在していることを明らかにした。さらに、岩手山における地震観測と GPS 観測を継続するとともに、新たに機動的地震観測点 1 点と GPS 連続観測点 1 点を設置し、観測を開始した。
東北地方太平洋沖地震後の地震活動やひずみの変化から、ひずみ集中帯の形成には地殻浅部の弾性的性質と地殻深部の非弾性的性質が大きく関与していること、また、地震活動が活発化した地域では深部に地震波低速度域があることを明らかにした。
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する。また岩手山における地震観測と GPS 観測を継続するとともに、新たに機動的地震観測点 1 点と GPS 連続観測点 1 点を設置して観測を開始する。これまでに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２４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す
る 。ト モ グ ラ フ ィ 法 と と も に 、地 震 波 干 渉 法 も 用 い て 地 震 波 速 度 構 造 の 推 定 を 行
い 、こ れ ま で に 得 ら れ て い る 東 に 傾 き 下 が る 低 速 度 域 の 検 証 を 行 う 。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 GP S 観 測 を 継 続 す る と と も に 、焼 走 観 測 点 で 新 た に 機 動 的 地
震 観 測 を 開 始 し 、 さ ら に 、 玄 武 洞 GPS 観 測 点 1 点 を 設 置 し 、 観 測 を 開 始 す る 。 これ ら の 結 果 の 基 づ き 、 さ ら に 、 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。
(2) 平成２４年度の成果
174(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、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 観測を継続するとともに、新たに機動的地震観測を開始し、地震火山観測用計測ユニットを設置して地震観測データを伝送した。また GPS 観測点 1 点を設置し、観測を開始した。これらのデータを詳しく解析することにより、庄内平野東縁断層帯に沿って東に傾き下がる地震波低速度域が存在していることが、地震波干渉法による解析結果でも裏付けられた。またこの領域は高 Vp/Vs 域となっていることも確かめられた。このことは、ひずみ集中帯の生成原因が地殻下部の非弾性変形に起因していることを強く示唆する。一方、2011 年東北地方太平洋沖地震による応力変化に対する内陸のひずみ応答の解析から、本研究の解析領域を含む日本海東縁でのひずみ集中帯形成には、浅部の低弾性の媒質の影響が大きいことが指摘されている。しかしこれは深部の非弾性変形の存在を否定するものではなく、今後、時間をかけて余効変動を解析することにより、地下深部の非弾性変形が浅部の応力集中を生み出すという当初のモデルの正しさが、より明確な形で証明されるものと期待される。
(b) 業務の成果
1) 庄内平野東縁断層帯近傍の地震発生層下限と地震波速度構造の推定
庄内平野東縁断層帯近傍の三次元速度構造を推定するのに使用した地震の震源と観測点の分布を図 1(P179)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、2011 年東北地方太平洋沖地震合同余震観測や科研費新学術領域「地殻流体」による鳴子火山周辺の稠密地震観測等の臨時観測点と定常観測点データも用いている。解析期間は 2008 年 12 月以降についてであり、使用した地震数は稍深発地震も含めて 32,906 個である。トモグラフィに用いたグリッド間隔は東西：0.05°、南北：0.05°、深さ：6 km であり、手法としては Zhao et al. (1992) 1) を用いた。
トモグラフィ解析によって得られた三次元構造を用いて再決定された地震の震源と気象庁一元化震源との比較を図 2(P180)に示す。一元化震源は系統的に東側の震源が浅く、西側で深くなっているが、再決定した結果では東西の差は小さくなっている。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 15km 程度であることが分かる。
得られた S 波速度構造とチェッカーボードテストの結果を図 3(P181)に示す。この図から、少なくとも臨時観測網内の陸の下では、海岸近くも含めてモホ面付近までは水平方向に 6km、深さ方向に 10 km 程度の分解能があることがわかる。深さ 0 km から 18 km までの6km 間隔での平面図を図 4(P182)に、また断面図を図 5(P183)と図 6(P184)に示す。前年度までに庄内平野東縁断層帯に沿って東に傾き下がる低速度帯が明らかになっていたが、データが増えたことにより、それより北部の北緯 39.25 度付近まで同様の構造が続いており、かつ、低速度域では Vp/Vs も大きいことが明らかになった。

175

2）地震波干渉法による群速度構造の推定
本研究の解析領域のように地震活動が低調な領域では、トモグラフィ手法による構造推定のみでは限界があるため、地震波干渉法を用いた構造推定も行った 2) 。用いたデータは2009 年の１年間の上下動地震波形記録であり、高木（2010） 3) と同様の手法を用いた。解析においてはデータを 10 分ごとに分け、20Hz にダウンサンプリングして 1bit 化したのちFFT 解析により機器特性を除去した。こうして得られたスペクトルを用いて、観測点間のクロススペクトルを計算し、それを逆 FFT することで相互相関関数を求めた。これらを１年分のデータについてスタックして、最終的に 2 点間の相互相関関数を推定した。この相互相関関数にバンドパスフィルターをかけ、包絡線をとって、そのピークの位置から 2 点間の表面波（レーリー波）の群速度を求めた。この処理の例を図 7(P185)に示す。
このような処理で求めた各観測点間の群速度データから、インバージョンにより群速度の空間分布を求めた。グリッドサイズは 0.2°x 0.2°である。今回のデータから推定される分解能を見積もるためにチェッカーボードテストを行った結果を図 8(P186)に示す。この結果から、陸の下では概ね 0.4°程度の分解能があることがわかる。
S/N の良い 4～10 秒の帯域の結果を図 9(P187)に示す。浅部構造を反映する短周期側の結果を見ると、鳥海山の周辺が高速度となっていることがわかる。これは、トモグラフィの結果において図 4a(P182)で示した浅部構造と同様の結果となっており、鳥海山の山体を作っている火成岩がトモグラフィと地震波干渉法の結果の両方に見えていると考えられる。
一方、深部構造を反映する長周期側の結果を見ると、庄内平野東縁断層帯付近の低速度域が周期 8～10 秒にかけて長周期ほど東に移動していることがわかる。これは、これまでのトモグラフィ解析で得られている構造と整合する結果である。
3) 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焼走（YKB）観測点で、また GPS 連続観測点として、玄武洞（GNB）観測点で、新規に導入した装置で観測を開始した。これまでに設置された観測点の分布を図 10(P188)に示す。
(c) 結論ならびに今後の課題
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、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 観測を継続するとともに、新たに機動的地震観測を開始し、地震火山観測用計測ユニットを設置して地震観測データを伝送した。また GPS 観測点 1 点を設置し、観測を開始した。
これらのデータを詳しく解析することにより、庄内平野東縁断層帯に沿って東に傾き下がる地震波低速度域が存在していることをこれまでに確認してきた。今回、地震波干渉法による解析結果でもこれと整合する結果が得られた。また、トモグラフィの結果からこの低速度域が高 Vp/Vs を示すことが明らかになった。昨年度までの結果と合わせれば、ひずみ集中帯深部に低速度・高減衰・高 Vp/Vs の領域が存在していることになる。これらのことは、ひずみ集中帯の生成原因が地殻下部の非弾性変形に起因していることを強く示唆す
176る。
一方、Ohzono et al. (2012) 4) は、2011 年東北地方太平洋沖地震による応力変化に対する、内陸のひずみ応答の解析から、宮城県北西部に見られているひずみ集中帯の形成は弾性応答の不均質性では説明できず、非弾性変形が関与している必要があるものの、本研究の解析領域を含む日本海東縁では、浅部の低弾性の媒質がひずみ集中帯の形成に大きく関与している可能性を指摘している。実際、日本海東縁では、トモグラフィや地震波干渉法の結果も浅部の堆積層が厚いことを示している。このような場合、東北地方太平洋沖地震に対する応答としては、弾性応答が卓越してしまい、非弾性変形が見えづらくなっていると考えられる。地下深部の非弾性変形の有無については、これから数年以上余効変動を解析していく必要がある。地殻深部については脊梁や宮城県北部のひずみ集中帯と類似の構造が得られているため、今後、時間をかけて解析することにより、地下深部の非弾性変形が浅部の応力集中を生み出すという当初のモデルの正しさが、より明確な形で証明されるものと期待される。
(d) 引用文献
1) Zhao, D., A. Hasegawa, and S. Horiuchi, Tomographic imaging of P and S wave velocity
structure beneath northeastern Japan, J. Geophys. Res., 97, 19,909-19,928, 1992.
2) 米川真紀，東北地方日本海沿岸地域における常時微動トモグラフィ，東北大学修士論
文，77pp.，2012．
3) 高木涼太，常時微動の相互相関解析に基づく 2008 年岩手・宮城内陸地震震源域及びその周辺域のレイリー波伝播速度とその時間変化に関する研究，東北大学修士論文，145pp.，
2010．
4) Ohzono, M., Y. Yabe, T. Iinuma, Y. Ohta, S. Miura, K. Tachibana, T. Sato, andT. Demachi, Strain anomalies induced by the 2011 Tohoku Earthquake (Mw 9.0) asobserved by a dense GPS network in northeastern Japan, Earth Planets Space, 64,1231-1238, doi:10.5047/eps.2012.05.015, 2012.
(e) 成果の論文発表・口頭発表等
著者

題名

発表先

発表年月日

米川真紀，高木涼太，岡田知

東北地方日本海東縁地域に日本地球惑

平 成 24 年 5己

おける常時微動トモグラフ

星科学連合

月

ィ2012年大会

大園真子，矢部康男，飯沼卓

2011年東北地方太平洋 沖地

日本地球惑

平 成 24 年 5史，太田雄策，三浦哲，立花

震に伴う東北日本の地殻不星科学連合

月憲司，佐藤俊也，出町知嗣

均質に起因するひずみ異常2012 年 連 合

分布大会

177

岡田知己，吉田圭佑，四ヶ所

東北地方太平洋沖地震発生

日本地球惑

平 成 24 年 5健太，高木涼太，長谷川昭，後の内陸地震活動とその意

星科学連合

月

2011年 東 北 地 方 太 平 洋 沖 地 震

味2012 年 連 合合同余震観測グループ

大会

吉田圭佑，長谷川昭，岡田知2011年東北沖地震に伴 う応

日本地球惑

平 成 24 年 5己，中島淳一，伊藤喜宏，飯力変化と東北日本内陸にお星科学連合

月沼卓史，浅野陽一

ける誘発地震活動 22012 年 連 合大会

岡田知己，米川真紀，吉田圭

東北地方西部地域の地殻構

日本地震学

平 成 24 年 10

佑 ， 髙 木 涼 太 ， 松 澤 暢 ， 2011

造と地震活動会 2012 年 秋

月

年東北地方太平洋沖地震合同

季大会

余震観測グループ
米川真紀，高木涼太，岡田知

東北地方日本海東縁地域に

日本地震学

平 成 24 年 10己

おける常時微動トモグラフ

会 2012 年 秋

月

ィ(2)

季大会

矢部康男，大園真子，太田雄

ひずみ集中帯と2011年東北日本地震学

平 成 24 年 10

策，飯沼卓史，武藤潤

地方太平洋 沖地震 (M9.0)時会 2012 年 秋

月の地殻変動異常を再現する

季大会

東北日本下のレオロジーモ
デル吉田圭佑，長谷川昭，岡田知2011 年 東 北 地 方 太 平 洋 沖

日本地震学

平 成 24 年 10己，中島淳一，飯沼卓史，伊地震に伴う東日本内陸域に会 2012 年 秋

月

藤喜宏，浅野陽一

おける応力場の変化

季大会

Yoshida, K., A. Hasegawa, T.

Did stress field change

AGU

Okada,T.

after the 2011 Tohoku-Oki

Fall Meeting

Iinuma, Y. Ito, and Y. Asano

earthquake in the inlandJ.

Nakajima,

areas of Tohoku?
(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

1782012平 成 24 年 12月

図 1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、小さな灰色四角印は定常観測点を示す。丸印の色は震源の深さを示し、白色は 30km よりも深い地震を表す。

179

Depth (km)図2

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。

180

dVs/Vs (%)

dVs/Vs (%)

鳥海山

庄内平野東縁断層帯

図3

深さ 6km での S 波速度偏差（左上図）とチェッカーボードテスト（右上図）及び北緯 39.25 度（左中図と右中図）と 39.05 度での東西鉛直断面図（左下図と右下図）。赤三角は第四紀の火山を示す。平面図の赤線と四角印は活断層と観測点の位置を表す。断面図の赤四角と点線は活断層と仮定したモホ面の位置を示す。

181

(a) 0km(b) 6km

鳥海山

庄内平野東縁断層帯(c) 12km(d) 18km

dVs/Vs (%)
図4

深さ(a) 0 km、(b) 6 km、(c) 12 km、(d) 18 km における S 波速度偏差。

182

Vs

Vp

dV/V (%)

Vp/Vs

Vp/Vs
図5

北緯 39.25 度における S 波速度偏差、P 波速度偏差及び Vp/Vs の東西断面。

183

Vs

Vp

dV/V (%)

Vp/Vs

Vp/Vs
図6

北緯 39.05 度における S 波速度偏差、P 波速度偏差及び Vp/Vs の東西断面。

184

(a)

(b)

(c)

図7

地震波干渉法による群速度の推定例。(a) 例として示した観測点ペアの配置。(b) 推定した群速度の例。(c) 群速度を求めたときの各周波数帯域での相互相関関数の包絡線の例。

185

図8

地震波干渉法による群速度推定のチェッカーボードテスト。(a)与えた群速度偏差分布。(b)推定された群速度偏差分布。(c)波線分布。(d)用いた観測点の分布。

186

(a)

(b)

4s5s(c)(d)6s7s(e)(f)

8s9s(g)10s

図9地震波干渉法によって推定された群速度分布。地震波の周期は(a)4 秒、(b)5 秒、(c)6秒、(d)7 秒、(e)8 秒、(f)9 秒、(g)10 秒。

187

図 10

岩手山（赤三角）に設置された機動的地震観測点（菱形）と連続 GPS 観測点（丸印）の配置。

188