(別紙様式１０)２０２１年度 北極域研究共同推進拠点 共同研究等報告書【申請区分】：□萌芽的異分野連携共同研究■共同推進研究□産学官連携フィージビリティ・スタディ□共同研究集会【研究課題名】：□産学官連携課題設定集会

グ リ ー ン ラ ン ド 氷 床 モ ニ タ リ ン グ 観 測 網 （ GLISN ） デ ー タ を 用 い た
氷河地震活動・氷床～地殻マントル異方性・氷床減衰構造の推定【研究期間】：

2021 年度【共同研究員】
共同研究員

氏名

研究代表者

金尾 政紀

（拠点内外）

所属・職名

専門分野

区分

国立極地研究所 地圏研究 地震学
グループ・准教授(注 2)

研究分担者 豊国 源知東北大学大学院 理学研究 地震学

（拠点外）

科・助教
坪井 誠司

(注 2)

海洋研究開発機構 地球情 地震学
報基盤センター・情報技術
担当役

研究分担者 榎本 浩之

国立極地研究所 国際北極 雪氷学（拠点内）

環境研究センター・教授

(注 2)

研究協力者

Kent Anderson

アメリカ統一地震学研究シス 地震学
テム・ディレクター

(注 2)
(注 3)

Trine

デンマーク及びグリーンラン 地震学

Dahl-Jensen

ド地質調査所・室長(注 2) 拠点内外については、募集要項別添の北極域研究共同推進拠点を形成する３研究施設の研究者リストをご覧ください。
(注 3) 計画申請書に含まれていなかった方でも結果的に本共同研究に参画された方（招へい者等）が居られれば、研究協力者として記述して下さい。
【研究の内容】(1) 概要を 400 字以内（文字のみ）で記載してください。
グリーンランド氷床変動の長期監視に向けた国際的な研究活動「グリーンランド氷床の地震モニタリング観測計画（The GreenLand Ice Sheet monitoring Network; GLISN）」での取得データを用いた
1

本研究により、本研究では氷河地震の活動度を統計分析すると共に、波形解析により発生メカニズムを解明する。現地観測データとグローバル観測網（FDSN）を統合して、温暖化による氷床後退と氷河地震発生の関連を明らかにすると共に、地震波干渉法によるレイリー波の観測波形と、現実的な氷床モデルを用いた 3 次元波形計算で求めた理論波形とを比較して、氷床の減衰定数（Q 値）を推定した。推定した Q 値の分布から、氷床内部の状態を考察し、P 波走時データを用いた「異方性」に着目したトモグラフィー解析により、グリーンランドとその周辺地域下のホットプルームに関連したマントルの動的構造を推定した。我が国は平成 23 年度より米国 IRIS との共同で、科研費補助金等をベースに氷床上の観測点（ICE-S、標高 2,900ｍ）を設置・毎年夏期間の現地観測を行っていたが、2021 年度においては新型コロナウイルス（COVID-19）の影響により、グリーンランド氷床上での現地観測は実施できなかった。
(2) 図表や写真も交えて、研究の内容や成果等を 2000 字程度でまとめてください。
近年グリーンランド氷床は、衛星データ等より氷体積の減少速度が顕著に加速している。これに伴い氷床縁辺の流動・崩壊・流出に関連した振動現象である「氷河地震」が 21 世紀になり顕著に増加しており、その発生機構と時空間分布の解明は温暖化に伴う氷床変動と増幅作用を知る上で重要である。氷河地震は、氷河・棚氷の流出、氷崖の崩落、氷床底面流動による基盤岩摩擦、氷床表面の融解、氷床下湖からの流出等で起こるが、その励起メカニズムは未解明な部分が多い。また海洋変動や氷床後退に伴う固体地球隆起応答（GIA）との関連もあり、氷河地震は氷床下部・底面状態等のモニタリングをはじめ、極域表層環境変動の検知のための新指標となる。
ポスト国際極年（IPY）では、グリーンランド氷床変動の長期監視に向けた国際的な研究活動「グリーンランド氷床の地震モニタリング観測計画（The GreenLand Ice Sheet monitoring Network;GLISN）」が行われている。GLISN は世界科学会議（ICSU）下の国際地震学会（IASPEI）の国際デジタル地震観測網（FDSN）で提案され、気候変動監視と温暖化増幅メカニズム解明を目的とし、NSFによる予算支援を柱にした 14 カ国の国際共同プロジェクトで(Clinton, Tsuboi et al., Eos Trans.,
AGU, 2014)、SCAR/SERCE, IASC/SAON, IPY/POLENET 等と連携して実施している。我が国は平成 23 年度より米国 IRIS との共同で、科研費補助金等をベースに氷床上の観測点（ICE-S、標高2,900 ｍ） を 設 置 ・ 毎 年夏 期 間 の 現地 観 測 を 行っ て い た が 、 2021 年 度は 新 型 コ ロ ナ ウ イ ル ス（COVID-19）の影響により、グリーンランド氷床上での現地観測は実施できなかった。
観測データを用いた研究では、本研究では氷河地震の活動度を統計分析すると共に、波形解析により発生メカニズムを解明する。現地観測データとグローバル観測網（FDSN）を統合して、温暖化による氷床後退と氷河地震発生の関連を明らかにすると共に、地震波干渉法によるレイリー波の観図１．グリーンランド氷床上に置か測波形と、現実的な氷床モデルを用いた 3 次元波形計算で求めた理論波形とを比較して、氷床のれた観測点ペア（SUMG-NEEM）
減衰定数（Q 値）を推定した。推定した Q 値の分布から、氷床内部の状態を考察し、P波走時データ間を伝播するレイリー波の波形．赤を用いた「異方性」に着目したトモグラフィー解析により、グリーンランドとその周辺地域下のホットプ線は観測波形，黒線は Q 値を様々にルームに関連したマントルの動的構造を推定した。
変えて計算した理論波形．観測点間距離は 650 km．Qp=Qs=20 の場合に観測波形を最もよく説明できる2ことから，氷床は極めて高減衰であることが明らかとなった （Toyokuniet al., J. G. R., 2021）これまでの GLISN データを用いた研究成果としては、グリーランド周辺の地震・氷河地震活動の時空間分布(Kanao et al., Geosci. Frontier, 2015)、グリーンランド沿岸での潮汐変化に伴う氷河地震励起、表面波ノイズ解析によるグリーンランド周辺の波浪脈動研究、氷床内部構造推定のための波動伝搬モデリング(Toyokuni et al., Polar Sci., 2015)、地震波干渉法を用いた表面波ノイズ解析による氷床底部の温度状態の推定（Toyokuni et al., P.E.P.I.,2018)、等を行った。2020 年度には、GLISN観測データを用いて走時トモグラフィー手法によりグリーンランド直下・周辺域の全地殻・マントルの地震波 3 次元構造を詳細に求めた（Toyokuni et al., J. G. R., 2020a; J. G. R., 2020b）。主な成果は下記の通りである：(1) グリーンランド直下の核-マントル境界からマントル遷移層の底まで上昇する未知のホットプルームを発見し、「グリーンランドプルーム」と命名した、(2) スバールバル諸島西部直下の上部マントルに未知のホットプルームを発見し、「スバールバルプルーム」と命名した（図 1）、(3)
グリーンランド氷床直下の地殻内に、グリーンランドを乗せたプレートが過去（8～2 千万年前）にアイスランドプルームの上を通過したことに伴う熱軌跡に対応する低速度域を見いだした。類似した特徴は先行研究でも指摘されていたが、本研究で初めて、低速度域が地殻内の高温域と一致することが確かめられ、熱軌跡であることが明確となった。さらに未知であったヤンマイエンプルームの熱軌跡も発見した。(4) グリーンランド氷床が底部で大規模に融けている地域は、(3)の 2 つの熱軌跡の交点に位置していることが見いだされた。交点では他の地域よりも地殻の温度が上昇していると考えられることから、従来謎であった氷床底部融解のメカニズムを初めて説明する概念で、氷床融解や全地球海面上昇の予測にも大きく寄与すると考えられる。

2021 年度の研究では、主として地震波干渉法によるレイリー波の観測波形と、現実的な氷床モデルを用いた 3 次元波形計算で求めた理論波形とを比較して、氷床の地震波減衰定数（Q 値）を推定した（Toyokuni et al., J. G. R., 2021）。結果としてグリーンランド氷床の Q 値は、P 波と S 波ともに10～50 程度であり、氷床は非常に高減衰であることが明らかとなった。似たような高減衰は、氷河の末端などの数 100 m～数 10 km 程度の伝播距離で求められたことはあったが、本研究では伝播距離数 100～1,000 km という超長距離伝播での推定に世界で初めて成功した（図１）。
3図 2．グリーンランド下のマントル（深さ 310 km）における地震波異方性．(a) 鉛直異方性．
横棒は水平方向の P 波速度＞鉛直方向の P 波速度，縦棒は水平方向の P 波速度＜鉛直方向の P波速度の領域．(b) 方位異方性．棒の方向は水平面内で P 波速度が速い方向を示す．棒の方向がアイスランドに向かうのはマントルプルームの上昇による（Toyokuni & Zhao, E. S. S., 2021）．

また GLISN データから読み取った大量の P 波走時データを用いて、グリーンランドとその地域下のマントルの地震波異方性構造を調べた（Toyokuni & Zhao, E. S. S., 2021）。地震波異方性とは、地震波速度が方向によって変わる現象である。マントル内部での異方性は主に、鉱物の結晶がマントルの流れに沿って配向することで引き起こされる（＝格子選択配向）ため、異方性構造を調べるとマントルの流れなどの動的状態の推定が可能となる。本研究では高度化した異方性トモグラフィー手法でグリーンランド下の上部マントルの P 波速度異方性構造を世界で初めて明らかにし、アイスランドプルーム等の上昇に伴う周辺のマントルの流れの証拠を発見した（図２）。
本研究により期待される効果としては、氷河地震は極域表層環境変動の新指標となる可能性が高く、その地震活動から温暖化の影響を評価する研究は独創的であり、グリーンランド氷床の気候変動に対する応答メカニズム解明と将来予測に関する新しい学際的視点をもたらすと期待される。氷河地震の発生機構研究は、地震活動の時間的推移と氷河末端部のダイナミクス解明への貢献が期待され、また他の雪氷学・気象学・地球物理学データとの比較により、新知見が得られる可能性がある。さらに、気候モデリングや氷床古環境との対比・連携により、気候変動のグリーランド氷床変動に及ぼす影響の精度向上にも貢献する。
特に、GLISN 観測データを用いた地震波干渉法・地震波トモグラフィー手法により得られる、グリーンランド氷床下の地殻・上部マントルの地震波速度構造・熱構造と地殻熱流量、氷床下部・及び氷床底面での融解状態の把握は、経年変化・季節変化を考察することで、北半球の温暖化のグリーンランド氷床への影響とその増幅メカニズム解明へ貢献する。これらの研究を発展させれば、氷床底部からの融水量を地震観測から関節的に推定することができ、将来の海水準変動予測の精度向上にも役立つことが期待される。
(3) 本共同研究に関する活動・実績等を下表に記入してください。
4

①研究打合せ、学会参加・集会(注 4)、調査等(注 4)

研究代表者、共同研究分担者、研究協力者、招へい者によるもの

日程(月日)

日数

活動内容

場所

(日)

研究代表者、共同研究分担者、研究参加者数

協力者、招へい者の参加者名・部署

(人)

②研究論文
研究代表者並びに、研究分担者あるいは研究協力者が著者の関連論文がありましたら可能な限り記載ください。
論文が複数ある場合は、そのフォーマットとして論文 1 の分をコピーして記載してください。
論文 1
項目

記入要項

回答

(1)著者名(共著者名含む)、

Toyokuni, G., Komatsu, M., & Takenaka, H. (2021): Estimation of seismic

発行年、論文タイトル、掲載

attenuation of the Greenland Ice Sheet using 3‐D waveform modeling. Journal

誌名、巻・号、ページ数、of Geophysical Research: Solid Earth, 126, e2021JB021694.

DOI、出版年月日

https://doi.org/10.1029/2021JB021694

論文 2
項目記入要項

回答(1)著者名(共著者名含む)、

Toyokuni, G., & Zhao, D. (2021): P-wave tomography for 3-D radial and発行年、論文タイトル、掲載

azimuthal anisotropy beneath Greenland and surrounding regions. Earth and

誌名、巻・号、ページ数、Space Science, 8, e2021EA001800. https://doi.org/10.1029/2021EA001800

DOI、出版年月日③研究書等著書
出版年月

著書名・著者名

出版社名④特許等出願
特許、実用新案、商標⑤研究発表(資料添付も可)
発表年月日

発表者名（共著者を含む）

発表タイトル

発表学会等名称

発表地

招待講演
(〇)

2021.8.22-27

Kanao, M.

Cryoseismologic

IAGA-IASPEI
2021

5

Onlinestudies

for

polar
environment –recent progressofJapanesecontribution⑥国際シンポジウム等(資料添付も可)参加をした主な国際シンポジウム等
開催時期（年月）

国際シンポジウム等名称

招待講演/議長の有無⑦本共同研究に関し実施(主催、共催、後援等)したシンポジウム・集会(注 6)等(資料添付も可)(注 6) 研究代表者、共同研究分担者、研究協力者、招へい者以外を含む参加募集によるもの
開催日

実施形態

シンポジ

地

(注 7)

ウム・集目的及び概要

対象者

参加人数

(注 7)

(海外(注 8))

会等名称

（国、県、市など）(注 7)
形態:シンポジウム、セミナー、公開講座、ワークショップ、その他
対象：一般、地域、学生、研究者(注 8) 海外機関に所属するもの⑧本拠点共同研究に係る成果が科学研究費などの外部資金の応募(予定を含む)やプロジェクトに発展した例があればご記入ください。
・プロジェクト名・プロジェクトの主な プロジェクト期間

・プロジェクト概要

・代表者・関係者(所属)

財源(目的・期待効果、規模、参加・関係研究者

・金額

国等)

・予定の場合は、(予定)

・これまでの本共同研究との関と記載してください

連性(300 字程度)

⑨研究成果が一般社会産業界などに還元（応用）された事例や新しい研究分野の開拓や教育活動に反映された事例(資料添付も可）
6⑩その他国際研究協力活動事例
事業名

概要

受入人数

派遣人数

⑪学会賞等受賞、アウトリーチ、取材、その他
年月日

所在・出典・新聞名等受賞者・関係者(所属)

研究課題名・賞名・内容等

記事コピ－等を添付してください。
⑫コロナ禍の影響と対策
本共同研究へのコロナ禍の影響と対策(改善・代替策、計画変更、工夫等)、助成金執行率(%)について記述してください。
影響の事象

対策の有無と内容(計画変更・中止、改善・代替策、工夫等)

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