３－26 2011 年東北太平洋沖地震（M9.0) に伴う東海～四国周辺における地下水・地殻歪変化
Changes in groundwater and crustal strain in Tokai, Kinki and Shikoku related to
the 2011 Off the Pacific Coast of Tohoku Earthquake (M9.0)
産業技術総合研究所
Geological Survey of Japan, AIST
１．歪ステップから推定した 2011 年東北地方太平洋沖地震の断層モデル
2011 年 3 月 11 日の東北太平洋沖地震による断層変位に伴い，産総研が東海・紀伊半島・四国に展開している歪観測網で 10-5 オーダーの歪地震動と，10-7 オーダーの strain step が観測された．本
報告では，それらの観測結果と，歪ステップから推定される東北地方太平洋沖地震の断層モデルについて紹介する．
歪ステップ量は次の手順で求めた．下処理として，3/11 の 24 時間分の記録から 1 次トレンドを取り除く．その後，本震や余震の揺れによる影響を避けるために，15:00-10 の間の平均値から，14:35-45 の平均値を引いて，これら 4 成分の値を，Matsumoto et al.（2010）1）によってキャリブレーションしたものを観測値とした．このキャリブレーションによって，観測された歪変化値は概ね1/2 ～ 1/3 の大きさになる．断層面は，太平洋プレート境界面上 2,3,4）に１枚の均質な滑りの断層面を仮定してグリッドサーチにより推定する．断層面の中心の位置は，経緯度共に 0.1°ごと，すべり量は 1 ～ 30m の間で 0.5m 間隔，断層面の幅・長さをそれぞれ 50 ～ 500km の間で 50km 間隔で可変，すべり方向は太平洋プレートの沈み込み方向 5）に平行（N115°E）として計算を行なった．仮定した断層面上のすべりによって各観測点で期待される歪変化の計算には Okada（1992）6）のプログラムを用いた．
断層面を推定した結果を第 1a 図に，GPS 観測結果から推定したプレート境界面上のすべり分布
7）
モデル（暫定）を第１b 図に示す．また，観測データの例を第 2 図と第 3 図に示す．断層面の長さは 150km，幅は 100km，すべり量は 27.0m，Mw は 8.7 と推定された．観測値と，推定した断層面から期待される値は概ね一致している．国土地理院の結果は，3/9 11:45 に発生した MJMA7.3 の前震や，本震後数時間分の余震，余効変動による変動が含まれているが，歪ステップから推定したモデルは本震を含む 35 分間のみのデータで推定しており，相対的に本震の情報をより多く含んでいると考えられる．２つのモデルを比較すると，地理院のモデルで 20m を超える大きなすべりが推定される領域と，本報告で推定した断層面の位置がよく一致していることが分かる．
2．2011 年東北太平洋沖地震（M9.0）に伴う東海～四国周辺における地下水変化
産業技術総合研究所が東海・近畿・四国に展開している観測井で，地震に伴う地下水位・水圧・自噴量に変化が観測された．47 観測点の観測井 82 本（第 4 図）における地下水の観測結果を紹介する．複数の観測井がある観測点では，深い観測井から順に 1, 2, 3 と番号を付けている．第 5 図に観測例を示す．地震波に伴うダイナミックな振動・ステップ状の変化・地震直後からの上昇あるいは低下が観測された．海岸沿いの観測井の一部では大津波に伴う振動が観測された．
地震時のステップ状の変化および地震後の変化を以下の方法で計算した．まず，地震直前の値を2011/3/1114:35-14:45（JST）の平均値とする．次に，地震直後の値を 2011/3/11 15:00-15:10（JST）の平均値とする．更に，地震後１日目の値を 2011/3/1214:35-14:45（JST）の平均値とする．そし－ 159 －て，地震時のステップ状の変化は地震直後の値と地震直前の値との差とする．地震後１日間での変化は地震後１日目の値と地震前の値との差とする．変化の大きさが水位 10mm 以下（自噴量では10cm3/min 以下）の場合は変化なしと決めた．第 4a 図に地震時のステップ状の変化を示す．上昇した観測井が 12 本，低下した観測井が 32 本，変化なしの観測井が 38 本であった．最も水位が上昇した観測井は HGM2 で 250mm 上昇した．最も水位が低下した観測井は ANO2 で 511mm 低下した．伊豆半島では全般に上昇した．それ以外の地域では低下の割合が大きかった．第 4b 図に地震後１日間での変化を示す．上昇した観測井が 14 本，低下した観測井が 56 本，変化なしの観測井が 12 本であった．最も水位が上昇した観測井は ODG で 403mm 上昇した．最も水位が低下した観測井は KNG2 で 926mm 低下した．伊豆半島では全て上昇した．それ以外の地域では低下の割合が非常に大きかった．複数の観測井がある観測点では，最も深い観測井の水位が上昇している傾向が見られた．国土地理院による暫定の断層モデル 7）を用いて，地震の断層変位による静的な体積歪変化を MICAP-G8）によって計算した．全ての観測井は膨張の領域にあることが分かった．推定された体積歪変化量は +10-8 から +10-7 の桁であった．地震による変化は主に低下であり，低下傾向は地震の断層変位による静的な体積歪変化で説明可能である．しかしながら，幾つかの観測井では上昇であり，それは静的な体積歪変化では説明できない．
参考文献1）	Matsumoto, N., O.Kamigaichi, Y.Kitagawa, S.Itaba and N.Koizumi(2010), Eos, Trans. AGU,
Abstract G11A-0626.
2）	Kita, S., T. Okada, A. Hasegawa, J. Nakajima, and T. Matsuzawa(2010), Earth Planet. ScienceLett., 290, 415-426.
3）	Nakajima, J., and A. Hasegawa (2006), Geophys. Res. Lett., 33, L16309, doi: 10.1029/2006GL026773.
4）	Nakajima, J., F. Hirose, and A. Hasegawa(2009), J. Geophys. Res., 114, B08309, doi:10.1029/
2008JB006101.
5）	Wei, D. and T., Seno(1998), Geodynam. Series ed. by M. Flower et al. 27 337-346.
6）	Okada, Y.(1992), Bull. Seismol. Soc. Am., 82, 1018-1040.
7）	国土地理院 (2011), http://www.gsi.go.jp/cais/topic110315-index-e.html.
8）	内藤宏人・吉川澄夫 (1999), 地震２, 52, 101-103.

－ 160 －42°

From 2011/03/01 21:00 - 2011/03/08 21:00 JSTTo 2011/03/11 18:00 - 2011/03/12 3:00 JST10041°

Lat: 38.80, Lon: 143.43, Depth of the fault’s top: 20 km, Length: 150 km, Width: 100 km,Strike: 192°, Dip: 10° , Rake: 57°, Slip: 27.0 m, Mw: 8.7
41
1 TYE
Ishii-type strainmeter
Gladwin strainmeter
40
2 ANO

used for analysis

20km

40°

36

6 KOC
7 SSK

18 678 MAT

35420

35838°
2165 MUR

243739°812

4 KST

33 9403 ICU

3834604(degree)

3980

Reference
Site: 950388

slip

20m

Obs.

Calc.

5 x 10 strainExtension-7Contraction࿑䋱㪸
図1: 観測された歪ステップから推定された断層モデル。主歪について、観測値と、推定した断層モデルからの計算値の比較を右側に示す。

36°

432
132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145(degree)

37°

9 UWA

20m
100 km

35°
141°
142°
144°
138°
139°
140°
143°
145°
A star indicates an epicenter released from USGS (142.369°, 38.322°).
Total moment magunitude: Mw8.9 (Rigidity 40GPa).

第 1a 図 観測された歪ステップから推定された断層モデル。主歪について、観測値と、推定した断層モデルからの計算値の比較を右側╙㪈㪸࿑ に示す。
第 1b 図 GPS データにより推定された断層モデル 7）と我々のモデルの࿑䋱㪹
Fig.1aEstimated fault model and observatories. Observed and
図12: GPSデータにより推定されたすべりモデルと、本研究で推定した断層モ比較。
calculated principal strains are shown in the right side of theルの比較。(国土地理院,2011に加筆)
Fig.1b Comparisonof ourmodel with that from GPS7）.
figure.
－ 161 －1030

図2: Crustal strain at TYE（時間値）(2011/02/21 00:00 - 2011/03/22 00:00)
TYH atmospheric pressure, rainfall
M 9.0

[hPa]
980

100
[mm/hr]TYE horizontal strain-1 (N356E)

0

1.0×
10-6
S1 (N356E)

TYE horizontal strain-2 (N86E)

S2 (N86E)
strainExt.
2.0×
10-5 S3 (N131E)
Cont.

1.0×
10-6

S4 (N221E)

TYE horizontal strain-3 (N131E)

S5 (vertical)

1.0×
10-6

LowPass 250 sec
S1 (N356E)

TYE horizontal strain-4 (N221E)

strainExt. S2 (N86E)
1.0×
10-6 S3 (N131E)

1.0×
10-6

Cont.
S4 (N221E)

TYE vertical strain

S5 (vertical)
2

1.0×
10-6

3
4
5
time from 14:00 Mar. 11, 2011 (JST) [ x 1000 sec]

6

図3: TYEにおける歪地震動観測結果（20Hz）
上図が生データ，下図は250秒のローパスフィルターをかけたデータ．

2122232425262728010203 0405060708091011121314 15161718192021
2011/02
2011/03╙䋳࿑
第 3 図 TYE におけるダイナミックな歪変化。サンプリングは 20Hz である。時間は 3 月 11 日 14 時からの経過秒数で示されている。3000 秒付近が本震（M9.0）
で 4700 秒付近が余震（M7.7）による変化である。上図が生データを示し、下図は 250 秒のローパスフィルターをかけたデータを示す。
Fig.3 Dynamic strain changes at TYE. The sampling rate is 20 Hz. Time isshown by seconds after 14:00 on March 11, 2011. Changes around 3,000
seconds and those around 4,700 seconds were caused by the main shock(M9.0) and the aftershock (M7.7), respectively. Upper graphs show the raw
data. Lower graphs show the results through a low-pass filter with 250
seconds.

観測点名: 豊橋多米 (旧名称: 豊橋東, TYH(豊橋)は変更無し)
Strainmeter depth = 266.5-267.9 [GL-m]
上: 1次トレンドを除去
下: BAYTAP-Gにより潮汐・気圧応答成分を除去後、1次トレンドも除去

第 2 図 2011 年 2 月 21 日～ 3 月 22 日の TYE における歪変化（時間値）
Fig.2 Hourly values of the crustal strain at TYE from February 21 to March 22in 2011.

− 162 −

130˚140˚

1130˚140˚

1

Dilatation

1,2+10-740˚40˚+10-6Contraction

40˚40˚+10-6+10-5+10-8 km+10-5+10-8 km

030˚Dilatation

1,2+10-7Contraction

500

130˚

30˚140˚

030˚36500

130˚30˚140˚

36
100 km32
31

1,2,312728

26

2925

30
34

45

1,43

2,32,341

46

33

1,2,34447

1,2,2,

35

36

39

2,337

40

16

3 15

1,2,1,3

14

100 km
1,2,1, 2
9 8

121,2 13

10

52
4

31
1,22,334

333

3

Coseismic rise (>+10mm)
No coseismic change
Coseismic drop (<-10mm)

138
33:BND
34:ODG
35:ANO
36:ITA
37:MYM
38:ICU
39:HGM
40:KST

1,2,43

41:ANK42:MUR
43:KOC
44:SSK
45:MAT
46:UWA
47:TSS

26

29

25

341

1, 2, 3 44

47

1,Fig.1a

第４a 図 国土地理院（2011）7）の断層モデルによる静的な体積歪変化（上図）と産総研の観測井における地震時の地下水変化（下図）Fig.4a The static volumetric strain changes (Upper) calculated from the faultmodel7) and coseismic groundwater changes at the observation wells ofGeological Survey of Japan, AIST.

22

24
39

1,2,32,340

3 15

1,2,3638

1,2,11

35

37

16

1,3
1,2,143 7
1,12
1,2 13

1,2,3259 8
1024

6
3
1,2

1,2,331,2,31,2,3

1,2,32,3

Postseismic rise (>+10mm)
No postseismic change
Postseismic drop (<-10mm)

2,3132
1:DTE
2:HKW
3:OMR
4:AKZ
5:EDY
6:174
7:KNG
8:HAI

20

23

33
1,2,34246

25:TNN
26:IKD
27:ING
28:TKZ
29:HRB
30:SED
31:YST
32:YSK

2,327
28

30

45
1,2,1,1,2,31i

18

19

21

32

6
3

1,2,3

17:HKS
18:HTS
19:HNO
20:OHR
21:OBK
22:KRY
23:GOJ
24:NGR

17

31,2,3135
9:OGS
10:OMZ
11:KKZ
12:DIT
13:HMO
14:TYH
15:TYE
16:TYS

71,2,311

1,38
2,3i

3132
1:DTE
2:HKW
3:OMR
4:AKZ
5:EDY
6:174
7:KNG
8:HAI

2224

1,42

20

2333
1,17
18

19

21

135
9:OGS
10:OMZ
11:KKZ
12:DIT
13:HMO
14:TYH
15:TYE
16:TYS

17:HKS
18:HTS
19:HNO
20:OHR
21:OBK
22:KRY
23:GOJ
24:NGR

138
25:TNN
26:IKD
27:ING
28:TKZ
29:HRB
30:SED
31:YST
32:YSK

33:BND
34:ODG
35:ANO
36:ITA
37:MYM
38:ICU
39:HGM
40:KST

41:ANK
42:MUR
43:KOC
44:SSK
45:MAT
46:UWA
47:TSS

Fig.1b

第４b 図 国土地理院（2011）7）の断層モデルによる静的な体積歪変化（上図）と産総研の観測井における地震発生 1 日後の地下水変化（下図）Fig.4b The static volumetric strain changes (Upper) calculated from the faultmodel7) and the groundwater changes 1 day after the main shock.

− 163 −

Groundwater level at DTE1[m]0.15
Groundwater level at OMR[m]0.1Groundwater level at KNG2[m]2Groundwater level at TYH1[m]0.4
Groundwater level at HTS[m]0.25Groundwater pressure at ANO2[m]4Groundwater level at KST1[m]0.4
Groundwater pressure at SSK1[m]1
Groundwater level at TSS2[m]0.25M9.000

122011/03/1100

122011/03/1200

Fig.2

第 5 図 地下水位や水圧の地震に伴う変化の観測例。サンプリング間隔は 1-2 分。
Fig.5 Some examples of observed changes in groundwater levels or pressures related to the mainshock. The sampling interval is 1 or 2 minutes.
－ 164 －