フィッション・トラック

ニュースレター第 21 号

9-15

2008 年

総説

関東平野の地下における新第三系の年代と地震波速度
林

広樹*・柳沢幸夫**・武田哲也***・関口渉次***・笠原敬司****Geologic age and seismic velocity of Neogene sequences
beneath the Kanto Plain, central Honshu, Japan
Hiroki Hayashi*, Yukio Yanagisawa**, Tetsuya Takeda***,Shoji Sekiguchi*** and Keiji Kasahara********島根大学総合理工学部，Interdisciplinary Faculty of Science and Engineering, Shimane University****産業技術総合研究所地質情報研究部門，Institute of Geology and Geoinformation, Geological Surveyof Japan / AIST****防災科学技術研究所，National Research Institute for Earth Science and Disaster Prevention****東京大学地震研究所，Earthquake Research Institute, University of Tokyo

Ab stra c t
Seismic velocity structure beneath the Kanto Plain plays an important role for estimating
earthquake hazard of Tokyo Metropolitan Area.

We present experimental equations of seismic

velocity with depth and geologic age for Neogene sedimentary sequences beneath the Kanto Plain.
Total sixteen deep wells in the Kanto Plain are compiled in the present study. The seismic velocity for
0.20

Neogene sedimentary rocks is given by the experimental equations Vp = 2.37D
0.46Vs = 0.99D-2-2+4.49×10 T-0.21 and-2+1.96×10 T-6.46×10 , where Vp is P-wave velocity in kilometer per second, Vs is S-wave

velocity in kilometer per second, D is depth in kilometer and T is depositional age in million years.

Key words: deep well survey, Kanto Plain, Neogene sequences, seismic velocity

１．はじめに折法や反射法といった地震探査，微動アレイ探査，

関東平野は日本最大の平野であり，日本の総人ボーリングによる検層等の手法により検討されて口の１／４が集中するだけでなく，日本の政治おきた．屈折法探査は 1950 年代から関東平野の地下よび経済活動の中心となっている．したがって，構造解析に用いられてきており（長谷川，1988 や関東平野の強震動予測を高精度に行うことは，我纐纈，1995 に詳しい），一般に２層または３層でが国の都市防災上きわめて重要な課題である．こ近似した地震波速度構造が得られている．反射法

うした平野域の強震動予測を精度良く行うために地震探査では地下の視覚的な構造断面が得られ，は，地下の地震波速度構造を詳細に把握する必要かつ地震波速度も同時に求めることができる．微がある．関東平野の地下には場所により 4000ⅿを動アレイ探査は簡便に実施可能であり，また多層超える厚い新第三系が分布し（鈴木，2002；林ほ近似された三次元のＳ波速度構造を求めることがか，2004b など），先新第三系と比較して地震波速できるため，近年になって強震動予測を目的とし度の差が大きいため，地震動が増幅される．

た探査によく用いられている（例えば山田・山中，関東平野地下の地震波速度構造については，屈2003）．これらの弾性波を用いた探査では，二次元-9-または三次元の多層近似による地震波速度構造がーションが可能であ ることが確か められてい る得られるが，各層の形状と物性の両方を同時に高（関口ほか，2002 など）．しかし，関東平野でこ精度で決定することは困難である．一方で，ボーれまでに作成された地震波速度構造モデルは全てリング調査は一次元ながら地震波速度や岩相，地多層近似モデルであり，より実際の地質構造に近質年代等の詳細な情報を入手することが可能であい連続分布モデルの作成が望まれる．

る．特に，1970 年代以降実施されている防災科学

本研究では，関東平野で大阪平野や京都盆地と技術研究所（以下，防災科研）による大深度ボー同様な三次元地震波速度構造モデルを作成するたリング調査では，詳細な岩相記載とともに音波検めの基礎的研究として，大深度ボーリング調査で層や VSP 法による速度調査が行われており，層序直接測定された地震波速度と深度および堆積年代や岩相と地震波速度との一般的な関係を考察するの経験式を作成した．のに適している．堆積層の地震波速度は，分布深度（拘束圧），堆積年代（続成度）や堆積環境（礫２．用いたデータおよび手 法岩や砂岩といった岩相変化）によって異なること

解析には，関東平野で防災科研により掘削されが考えられる．Faust（1951）は，堆積岩の地震波た地震観測井のデータを用いた．用いた孔井は，速度が一般に深度や堆積年代の累乗に比例するこ

関東平野のほぼ全域にわたる 16 カ所である（図１，とを示した．関東平野の新第三系でも，弾性波探表１）．これらの孔井では，音波検層や VSP 法によ査により求められた速度境界が地質学的な層序区り現位置での弾性波速度が測定されており，また分と比較的良く対応 しており（例 えば長谷川 ，スポットコアで採取された岩石試料について弾性

1988；鈴木，2002 など），堆積年代と地震波速度波速度や密度等が測定されている．さらに，微化との密接な関係が示唆される．近年，大阪平野や石やフィッション・トラック法等により堆積年代

京都盆地では，深度や堆積年代によって連続的にが求められている．

地震波速度を変化させた三次元速度構造のモデル

音波検層および VSP 法による弾性波速度は，鈴が作成され（堀川ほか，2002 など），多層近似に

木・小村（1999），山水（2004），および防災科研よる速度構造よりも再現性の高い強震動シミュレの未公表データを用いた．音波検層では深度方向へ連続的にＰ波速度が測定されており，岩相柱状図との詳細な対比が可能であるが，Ｓ波速度は得られていない．VSP 法では受振点の深度間隔が 25〜50ⅿで，また発振点が地表にあって孔井内の受振点まで距離があるため，より平均的な速度構造を求めるのに適している．また，この方法ではＰ波およびＳ波速度の両方について，実際の地震動表１．解析に用いた孔井一覧

図１．解析に用いた孔井の位置図- 10 -

図２．関東平野の孔井における深度と地震波速度との関係．回帰曲線の式は式（１）と式（２）で示した．

図３．関東平野の孔井における堆積年代と地震波速度との関係．回帰曲線の式は式（３）と式（４）で示した．とほぼ同様の周波数 帯を用いて（ 一般にＰ波 でコントロール・ポイントに乏しくて直線補間が困

10-80 Hz，Ｓ波で 10-60 Hz の範囲でスイープ発

難な層準については，年代決定を行わなかった．

振）測定されている．強震動予測という観点から

なお，微化石分析のサンプリング間隔は深度方向は特にＳ波速度の構造を知ることが重要であるこに 20-40m 前後である．堆積速度は地点や層準にとから，本研究では VSP 法によるデータを採用し，よって異なるが，一般に数 10 ㎝-1ⅿ/千年である

音波検層のデータは岩相との関係を考察する際にことから（林ほか，2004a），十分にコントロール・用いた．なお，VSP 法による地震波速度の測定にポイントによって制約されている層序区間についおいて，掘削時の孔径の乱れやセメンチングの状ては 0.1Ma 前後の精度で年代決定されているも態，岩盤の局所的な破砕・変質等の存在が誤差要のと考えられる．

因となりうる．また，解析過程では，初動走時の読み取りや発振源のオフセット補正時等に誤差が３．結果発生しうる．これら誤差を定量的に見積もる事は深度と地震波速度との関係困難であり，引用元のデータでも誤差が示されてVSP 法により求められた各孔井のＰ波・Ｓ波速いない．しかし，後述の通り大局的に音波検層等度と深度との関係を図２に示す．なお，ここで示の結果と調和的であるため，信頼性があるものとしたデータは，以降の結果と同じ条件で比較する考えられる．

ために，堆積年代が得られている層準のみを用い

岩相柱状図は高橋ほか（1983），鈴木・高橋（1983，ている．いずれの孔井においても，地震波速度は1985），鈴木（1996）および鈴木・小村（1999）

深度にともなって増大しているが，その関係は直で公表されているものを用いた．

線的ではない．データの分布からは，地震波速度

堆積年代は，原則として林ほか（2004a）によっが深度の累乗に比例していることが予想される．て微化石層序に基づき作成された各孔井の堆積速この予想に基づき，以下の回帰式を算出した．

度曲線を用いて算出したが，岩槻，江東，下総，0.20

̶̶̶（式１）0.46

̶̶̶（式２）

Vp = 2.23 D

府中の各孔井については，柳沢ほか（2006）によVs = 0.96 Dって改訂された堆積速度曲線を用いた．年代決定には，堆積速度曲線のコントロール・ポイントがVp：Ｐ波速度（㎞/s），Vs：Ｓ波速度（㎞/s），D：深度（㎞）連続的に分布している区間を用い，各コントロー

求められた回帰式に対する相関係数は比較的高

ル・ポイント間は直線で結んで補間した．不整合

く（Vp では 0.83，Vs では 0.89），特にＳ波速度等で年代に不連続が認められる層準近傍，およびでは回帰曲線への収束が良好なのが見て取れる．

- 11 -

図４. 深度と地震波速度との関係（図２）を年代１Ma 毎に示した．測定点の多い 0-1 Ma，1-2 Ma，2-3 Ma の各年代区間については回帰曲線を示している．

図５．関東平野の孔井における地震波速度の深度・堆積年代による回帰式（式５，６）と実測値との比較
0.16───（式３）0.36

───（式４）Vp = 2.01T堆積年代と地震波速度との関係

Vs = 0.76 T

VSP 法により求められたＰ波・Ｓ波速度と，堆T：堆積年代（Ma）

積速度曲線により求められた堆積年代との関係を回帰式に対する相関係数は Vp で 0.72，Vs で図３に示す．この図で後期中新世に相当する年代0.70 となり，深度と比較すると若干相関が悪くな区間のデータが乏しいのは，この年代の地層を東る結果となった．なお，多くの孔井では深度に伴京都〜千葉県北部以北では欠いていることと，こって単調に堆積年代が増加するため，この結果はの年代の地層が分布する房総半島中部以南では上間接的に深度の影響を見ている可能性も否定でき位の上総層群が厚く発達するために，防災科研でない．堆積年代の寄与を確認するため，深度と地実施した 2000ⅿ級のボーリングでは回収されな震波速度の関係（図２）を堆積年代 100 万年毎にかったことによる．こうした限定されたデータで分けて示したものが図４である．この図によると，はあるものの，図２の深度̶地震波速度の関係と多少のばらつきはあるものの，同一深度では堆積同様に，地震波速度が堆積年代の累乗に比例して年代が大きい（古い）ほど地震波速度が大きくな増大しているようなパターンが見て取れる．算出るという傾向が認められる．特に S 波速度ではこされた回帰式は以下の通りである．の傾向が顕著である．

- 12 -

図６．関東平野の孔井における岩相ごとの深度と地震波速度との関係．地震波速度は音波検層の結果を原データのまま用いている．

図７．関東平野の孔井における VSP 法と音波検層のＰ波速度の比較．音波検層の結果は深度 50ⅿ区間で移動平均し，平滑化している．

深度・堆積年代と地震波速度の関係

岩相と地震波速度との関係

これまでの結果により，関東平野の新第三系で堆積岩の地震波速度は深度や年代のみではなく，は，特に深度の累乗と地震波速度の相関が顕著で岩相の違いにも影響されることが考えられる．岩ある（図２）．一般に，深度に伴って岩石にかかる相と地震波速度との関係を調べるため，音波検層拘束圧が高まるため，堆積層の圧密による空隙率による P 波速度と深度との関係を，７種類に区分の減少とそれに伴う地震波速度の増大が想定されした岩相（泥岩，泥岩卓越砂泥互層，砂岩卓越砂る．一方で，堆積年代が地震波速度に影響を与え泥互層，砂岩，礫質互層，礫岩，凝灰岩）ごとにる要因については，流体や熱の作用によるセメン示した（図６）．なお，音波検層のデータは深度５ⅿテーションの進行と構成粒子の物理化学的な変化毎にリサンプリングした値を用いた．音波検層は等が考えられるが，具体的な機構については不明

裸孔で実施されているため，掘削時の孔径の乱れな点が多い．以上に基づき，本研究では第一に深に起因するノイズを多少なりとも含むものと考え度が地震波速度に大きく影響しているものと考え，られる．また，発振源と受振点の間隔が近いため，その残差と堆積年代との関係についてさらに近似

局所的な岩相変化や変質，破砕等の影響を大きく式を作成することによって回帰式を求めることと受ける可能性がある．しかし，本研究では柱状図した．得られた式は以下の通りである．に記載された岩相と厳密に対比するため，平滑化

0.20

Vp = 2.37D0.46

Vs = 0.99D-2+4.49 10 T-0.21-2̶̶（式５）

処理は行わなかった．なお，音波検層によるＰ波-2+1.96 10 T-6.46 10 ̶（式６）

速度は，VSP 法による結果と大局的に良く一致し得られた回帰式に対する相関係数は Vp で 0.88，ている（図７）．

Vs で 0.92 となり，深度のみで作成された回帰式作成されたグラフ（図６）を見ると，岩相に関と比べて相関が向上した（図５）．なお，Vp，Vsわらずほぼ同様の分布形態を示し，粒度の違いにとも，低速度領域（Vp で 1.5 ㎞/s 以下，Vs で 0.5よる系統的な差異は特に認められなかった．ただ㎞/s 以下） では僅かに実測値の方が高くなる傾向

し，礫質互層については，全体の傾向から明らかが認められる．この低速度領域は全て深度 300ⅿに外れた高いＰ波速度を示す層準も認められた．

未満の測定点から構成されており，VSP 法の速度

また，凝灰岩で約 3.5 ㎞/s のＰ波速度を示す層準見積もりがやや過大となっている可能性がある．

は真岡観測井の安山岩質凝灰岩であり，一部溶結しているため高速度となっている可能性がある．

- 13 -

４．考察

続に変化する可能性を示した．こうした続成度の本研究では関東平野の地下に分布する新第三系差異を詳細に明らかにするためには，熱流量の履について，深度と堆積年代から地震波速度を求め歴や堆積盆の形成過程といった地域的な特性の影る経験式を作成した．作成された経験式と実測値

響を考慮し，関東平野をいくつかの地域に分割しとの相関係数は，Vp で 0.88，Vs で 0.92 の高い値て同様な解析を行う必要があると考えられる．しを示し，関東平野地下の高精度な速度構造モデル

かし，大深度ボーリング調査は関東平野の地下に構築において一定の有効性があるものと考えられ伏在する全ての小規模堆積盆を網羅するようにはる．しかし，大阪平野（大阪府，2006）や京都盆実施されていないため，孔井データのみに基づく地（京都市，2005）で作成された経験式と比べる分析ではこうした検討は困難である．関東平野でと，今回の方がやや相関係数が低くなっている．

は近年，大規模な反射法地震探査によって詳細なこれは，関東平野が大阪平野や京都盆地よりも広地下構造断面が広域的に得られつつある．こうしく，また地下に複数の堆積盆が伏在している（例た反射法地震探査による速度と孔井データを総合えば高橋ほか，2005）ため，堆積環境やテクトニすることにより，関東平野内での地域差を支配す

クス，地温勾配等が場所により異なっていることる要因を明らかにできる可能性がある．

が影響している可能性がある．また，大阪平野やさらに強震動予測を目的としたモデルの詳細化

京都盆地の解析では，前提となる地震波速度としを行うためには，大阪平野（関口ほか，2002；大て反射法地震探査に基づく速度値を用いている．

阪府，2006）や京都盆地（京都市，2005）で既に反射法地震探査では，地表の発振源による反射波実施されているように，得られた経験式を用いてを地表で受振するため，本研究で用いた VSP 法と実際に三次元速度構造モデルを作成し，シミュレ比べて深度や速度の決定精度が低くなる．したがーションによる合成波形と観測波形を比較してチって，本研究では VSP 法による詳細な地震波速度ューニングを行うことが有効であろう．

データを用いたために，岩相変化や埋没履歴などの局所的な要因がより詳細に反映され，結果的に謝辞モデルへの収束が悪くなっている可能性も指摘される．

本稿は，2008 年１月 11 日に島根県松江市で開催された第 32 回フィッション・トラック研究会に岩相による地震波速度の違いは，図６で示したおける，筆頭著者による特別講演「平野の地下地ように，深度による違いと比べて小さい．例外と質と地震災害」の内容の一部について解説したもして，礫質の岩相の場合にはしばしば全体の傾向のである．講演の機会を与えて下さった研究集会

より著しく大きな地震波速度を示す場合があるが，幹事の島根大学大平寛人博士に御礼を申し上げる．

これは基盤岩類からなる硬質な礫と礫とが接触す地球科学総合研究所の河村知徳博士および匿名査ることにより，局所的に弾性波を高速で伝えた可読者からの御助言は，本稿を改訂するうえで有益能性が考えられる．Faust（1951）は，砂岩の方がであった．本研究は大都市大震災軽減化特別プロ頁岩よりも平均的な地震波速度が速くなることをジェクト(I)大都市圏地殻構造調査研究（研究代表指摘し，その要因のひとつとして炭酸塩鉱物によ者：平田直）の一環として行われた．

る粒子間のセメンテーションの度合いを挙げた．
彼は，こうした岩相の違いが平均的なトレンドか文献らの偏差として現れている可能性を指摘している．

Faust, L. Y., 1951, Seismic velocity as a function of

また，柳沢ほか（2006）は，関東平野の孔井におdepth

ける泥質岩について珪藻化石の保存度と地震波速192-206.

度との関係を考察し，堆積物中に豊富に含まれる

andgeologictime.

Geophysics,

16,

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