1-3 電磁気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

1-3 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
平田直 （東京大学地震研究所）

1. 研究の目的
ひずみ集中帯の形成においては、沈み込む海洋性プレートからの脱水によって供給された流体が地殻や上部マントルに局在し、そこが弱い部分となってひずみの集中をもたらす可能性があります。
東北地方においては、南北に貫く脊梁山地域ならびに日本海に面する背弧域にひずみの集中する地域があることが GPS 観測データの解析から明らかにされました 1) 。このうち脊梁山地域については、地震波速度構造ならびに比抵抗構造解明が精力的に進められ、地殻や上部マントルに局在する流体がひずみを集中させている様子が構造探査から明らかにされてきました 2),3)。
しかし背弧域、特に庄内平野－新庄・山形盆地周辺域
は、上述のように東北地方第二のひずみ集中域が分布し、1894 年庄内地震をもたらした庄内平野東縁断層帯、鳥海山や月山などの活火山が分布する活動帯であるにもかかわらず、構造探査による地下深部の詳細な描像は得られていませんでした。
このため、庄内平野－新庄・山形盆地周辺域をほぼ東西に横切る測線で地磁気地電流（マグネトテルリク：MT)法による比抵抗構造探査を実施しました。比抵抗は、間隙流体の存在に敏感な物理量ですので、地殻・上部マントルに存在する間隙流体の精密マッピングを行うことで、ひずみ集中の機構解明を図ることを本研究の第一の目的としたわけです。
また、局所的にひずみが集中する日本各地の活火山周辺域において MT 法による比抵抗構造探査やその連続観測、自然電位マッピング等を実施することによって、火山流体の存在と移動・その時間変化の検出を図ることも本研究の目的の一つとしました。
また、ひずみ集中帯機構解明のために取得される地震・地殻変動・地球電磁気データを一括して管理・公開するために、データセンターを構築・運用しました。

市に至る鶴岡測線(TRK：9 観測点、平成 21 年度)、
鶴岡市から月山を横切り天童市に至る月山測線(GSS：19 観測点、平成 21, 22 年度）、村上市から米沢を経て相馬市に至る米沢測線(YNZ：27 観測点、平成 22, 23 年度）の 6 測線、計 85 観測点において広帯域 MT 法観測を実施しました。測定は、本プロジェクトで整備された Metronix 社製の広帯域 MT 観測 装 置 (ADU-07) と 同 社 製 イ ン ダ ク シ ョ ン コ イ ル(MFS06, MFS07)のほか、地震研究所や他機関が所有している Phoenix Geophysics 社製広帯域 MT 観測装置(MTU-5)と同社製インダクションコイル(MTC50)をあわせて使用し、各観測点において、電場水平 2成分、磁場 3 成分の測定を行いました。
(2) 汎用の周波数応答関数解析コード 4) を用いて、上記の 2 種類の広帯域 MT 法観測データから水平電場－水平磁場間の MT 応答関数、鉛直磁場－水平磁場間の磁場変換関数を同一周期において解析するシステムを構築し、ほぼすべての観測点、周期において良好な周波数応答を推定することができました。
(3) 得られた周波数応答関数から、まず、各測線について 2 次元インバージョンコード 5)を用いた 2 次元比抵抗構造の推定を行いました。図 1 に、YNZ 測線で得られた 2 次元構造を示します。

2. 電磁気学的手法によるひずみ集中帯発生機構解明2.1 東北地方ひずみ集中帯における比抵抗構造解明(1) 庄内平野－新庄・山形盆地周辺域において地域をほぼ東西に切る 6 測線において広帯域 MT 法比抵抗構造探査を実施しました。北から順に、鳥海山を横切る鳥海測線(CHK: 11 観測点、平成 20 年度)、酒田市から金山町へ至る酒田測線(SKT：8 観測点、平成 21 年度）、酒田市から新庄市へ至る新庄測線(SNJ: 11 観測点、平成 20 年度)、鶴岡市から尾花沢

図1

YNZ 測線の 2 次元比抵抗断面。暖色系ほど比抵抗が低い（電気が流れやすい）ことを示し、黒丸は気象庁による一元化震源分布を示します。右側が東、左側が西。赤三角は蔵王山の位置を示します。

深発地震分布で特徴づけられる沈み込む太平洋プ
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レートの直上から、島弧中軸部脊梁山地域（測線のすぐ北側に蔵王山が位置する）、背弧側へむけて低比抵抗域が連続して存在しているかのようなイメージが得られました。水やメルトが存在すると電気が流れやすくなりますので、低比抵抗域はそれらの地下流体の存在を示唆します。従って、それらの地下流体が GPS の解析から求められた脊梁山地、背弧部でのひずみ集中帯形成 1)や火山形成に重要な役割を果たしていることになります。ただ、脊梁部の地下において沈み込むプレートからまっすぐに立ち昇るかのようにみえる低比抵抗域の深部での形状については、地震波速度構造探査から得られている（同じく地下流体の存在を示す）低速度層の描像 6)からは大きく異なっています。今後、適切に構造の信頼度を表す指標を考案し、構造の妥当性を検討する必要があります。
(4) 上述のように、まず、従来から行われてきた 2 次元解析を行いましたが、特に CHK 測線から GSS 測線にかけての庄内平野－新庄・山形盆地域においては、周波数応答関数に顕著な 3 次元性が認められました。このため、計算機環境と 3 次元インヴァージョンコード 7),8)を整備し、CHK 測線から GSS 測線に至る 5測線、計 56 観測点でのデータを用いた 3 次元構造解析を開始しました。
現時点ではまだ、MT 応答関数、磁場変換関数の両方を説明する構造モデルは得られていませんので、ここでは、ごく浅部の小スケール不均質構造の影響を受けずに観測値が歪められず、虚像を作りにくい、磁場変換関数のみのインバージョンから得られた結果を示します。3 次元構造から、鳥海測線から月山測線に至る 5 測線に沿って切った鉛直断面図を北から順に図 2a-2e に示します。各断面を見ると、上述した 2 次元解析による断面に表れていた性質がそのまま現在の 3 次元解析結果にも表れていて、1894 年庄内地震を引き起こしたとされる庄内東縁断層系のうち、SNJ 測線のところで東に傾き落ちる低比抵抗帯9),10)の強度が最も強くなっています。その両側のSKT 測線、TRK 測線においてもその東側の中部地殻あたりに低比抵抗域が認められますが、その西側表層へのつながりはあまり明瞭ではありません。SNJ測線近傍で流体が最もよく連結して存在することで低比抵抗帯が形成されていて、流体連結度の高さから SNJ 測線周辺域で断層に沿って最も変形が進行しているものと推定されます。一方、インバージョンを行った領域では最も南に位置する GSS 測線では、月山の東側中部地殻からさらに東に傾き落ちる低比抵抗帯がとらえられていて、月山火山へ流体を供給する経路がとらえられている可能性があります。

図 2a 磁場変換関数を用いた三次元インバージョンによる
CHK 測線比抵抗構造断面。暖色系ほど比抵抗が低い（電気が流れやすい）ことを示し、黒丸は気象庁による一元化震源の分布を示します。右側が東、左側が西。赤三角は鳥海山の位置を示します。

図 2b SKT 測線比抵抗構造断面。

図 2c SNJ 測線比抵抗構造断面。

図 2d TRK 測線比抵抗構造断面。

図 2e GSS 測線比抵抗構造断面。赤三角は月山の位置を示します。

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2.2 日本各地の火山における電磁気観測研究(1) 霧島山（平成 22, 23 年度）、富士山（平成 21, 23年度）、樽前山（平成 21, 22 年度）、伊豆大島（平成22 年度）、三宅島（平成 23, 24 年度）、浅間山（平成24 年度）の各火山周辺域において広帯域 MT 法構造探査や自然電位マッピングを実施しました。また、活発な活動が継続している桜島、平成 23 年 1 月 26
日に準プリニー式噴火を開始した霧島山、平成 23
年 3 月 15 日に直下で東北太平洋沖地震の誘発地震（M6.4）が発生した富士山において広帯域 MT 法連続観測を実施し、火山流体の分布や流動、その時間変化の検出を図りました。
(2) 上述の各火山周辺域で得られた観測データの解析を進め、MT 応答関数と磁場変換関数から比抵抗構造を推定しました。その一例として、霧島山周辺域で推定した 3 次元比抵抗構造を図 3, 4 に示します。
推定された構造の特徴として、(a) 新燃岳北西の深さ 10km 以深の低比抵抗体と、(b) そこから鉛直に

図 4 比抵抗東西鉛直断面。断面は順に北から南に並べてあります。2010～2012 年 の地震活動を重ねて示し[及川、私信]、1968～1969 年のえびの群発地震の震源域を白破線○、2011 年 1 月のサブプリニー式噴火と同時に生じた沈降源11),12 )を黒破線○印で重ねて示しています。

立ち上る柱状の低比抵抗体の存在があげられます。
柱上の低比抵抗体は東方に傾き、時計回りに回転しながら、硫黄山や新燃岳の方向に伸びています。マグマは低比抵抗体内部を上昇するという考えに基づくと、低比抵抗領域の分布から、霧島火山群におけるマグマ供給経路が推定されたことになります。

図 3 様々な深さでの水平方向に切った比抵抗断面。海水準下 10km の図には 2011 年 1 月のサブプリニー式噴火と同時に生じた沈降源 11),12) を白破線○印で重ねて示しました。
また、2010～2012 の地震活動を重ねて示してあります[及川、私信]。
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2005.
3) Mishina, M.: Distribution of crustal fluids inNortheast Japan as inferred from resistivity surveys,
Gondwana Research, Vol. 16, pp.563-571, 2009.
4) Chave, A. D. and Thomson, D. J.: Bounded influencemagnetotelluric response function estimation,Geophys. J. Int., Vol. 157, pp. 988–1006, 2004.
5) Ogawa, Y. and Uchida, T.: A two-dimensional
magnetotelluric inversion assuming Gaussian staticshift, Geophys. J. Int., Vol. 126, pp. 69–76, 1996.
6) Hasegawa, A. and Nakajima, J.: Geophysicalconstraints on slab subduction and arc magmatism,
In: Sparks, R.S.J., Hawkesworth, C.J. (Eds.), Stateof the Planet: Frontiers and Challenges inGeophysics, AGU Geophysical Monograph, 150,
vol. 19, IUGG, pp 81-94, 2004.
7) Siripunvaraporn, W., Egbert, G., Lenbury, Y. andUyeshima, M.: Three-dimensional magnetotelluric
inversion: data-space method, Physics of the Earthand Planetary Interiors, Vol. 150, pp. 3-14, 2005.
8) Siripunvaraporn, W. and Egbert, G.: WSINV3DMT:
Vertical magnetic field transfer function inversion
and parallel implementation, Physics of the Earthand Planetary Interiors, Vol. 173, pp. 317-329, 2009.
9) 市原寛, 上嶋誠, 坂中伸也, 小河勉, 三品正明,小川康雄, 西谷忠師, 山谷祐介, 渡邊篤志, 森田裕一, 吉村令慧, 臼井嘉哉:日本海東縁ひずみ集中帯（庄内—新庄地域）の比抵抗構造イメージン
グ: 月刊地球, Vol. 32, pp. 417-424, 2010.
10) Ichihara, H., Uyeshima, M., Sakanaka, S., Ogawa,T., Mishina, M., Ogawa, Y., Nishitani, T., Yamaya,Y., Watanabe, A., Morita, Y., Yoshimura, R. andUsui, Y.: A fault-zone conductor beneath acompressional inversion zone, northeastern Honshu,Japan, Geophys. Res. Lett., Vol. 38, L09301,
doi:10.1029/2011GL047382, 2011.
11) Ueda, H., Kozono, H., Fujita, E., Kohno, Y.,Nagai, M., Miyagi, Y. and Tanada, T.: Crustal
deformation and earthquakes associated with the2011 Shinmoe-dake eruption as observed by thevolcano observation network of NIED, submitted to
Earth Planets Space.
12) Kozono, T., Ueda, H., Ozawa, T., Koyaguchi, T.,
Fujita, E., Tomiya, A., and S. Y. J., Magmadischarge variations during the 2011 eruptions ofShinmoe-dake volcano, Japan, revealed by geodetic
and satellite observations, submitted to Bull.
Volcanol.

3. 機構解明データセンターの運用
ひずみ集中帯機構解明のために取得される地震・地殻変動・地球電磁気データを管理・公開するためのデータサーバを東京大学地震研究所に整備し、各研究グループから観測データの収集を行って、サーバ上にひずみ集中帯機構解明データベースを構築しました。
収集したデータの種類や量（例えば、地震波形データの場合は収集したデータの期間）、観測点一覧の情報を随時更新するとともに、集約管理されたデータに関する利用の申請および照会を効率的に実施できるデータ利用システムの運用を行いました。
4. まとめ東北日本海側のひずみ集中帯、および日本各地の火山地域で電磁気的手法による観測研究を実施し、比抵抗構造・自然電位分布の解明やその時間変化の抽出を図りました。その結果、従来から指摘されていた脊梁部の地下に存在する局在した低比抵抗域のほか、背弧域において断層帯に沿う低比抵抗帯、地下深部から火山につながる低比抵抗域が見出されました。低比抵抗は連結した地下流体の存在を示唆しますので、従来から指摘されてきた地下流体と歪集中帯との定性的な関連性が東北背弧域においても検証されたことになります。また、火山へのマグマ供給経路に関しても新たな知見が得られました。また、本研究課題を通じて、実データを用いた比抵抗 3 次元構造解析を実現させた結果、従来より 3 次元解析を実施していた地震波速度構造等との定量的な比較が可能になったことは大きな進展だと評価できます。ただ、まだ 3 次元解析には解決するべき多くの問題を含んでいて、観測値を完全に説明するモデルがなかなか得られないことや、特に得られた構造の妥当性を評価する指標については、今後、早急に検討する必要性があります。
機構解明データサーバを用いて、地震・地殻変動・地球電磁気データなどの多項目データの収録・収集を行い、データベースを運用しました。また、データを効率的に流通させるためのデータ利用システムをデータサーバ上に構築し、そのシステムを運用しました。
参考文献
1) Miura, S., Sato, T., Hasegawa, A., Suwa, Y.,
Tachibana, K., and Yui, S.: Strain concentration
zone along the volcanic front derived by GPS
observations in NE Japan arc, Earth Planets Space,Vol. 56, 1347–1355, 2004.
2) Hasegawa, A., Nakajima, J., Umino, N. and Miura,S.: Deep structure of the northeastern Japan arc andits implication for crustal deformation and shallow
seismic activity, Tectonophysics, Vol. 403, pp. 59-75,
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