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
産業技術総合研究所
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の平均値を除して、これら4成分の値を、Matsumoto et al. (2010)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[Kita et al., 2010; Nakajima and Hasegawa, 2006; Nakajima et al.,2009]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[Wei and Seno, 1998]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]のプログラムを用いた。
断層面を推定した結果を図1a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モデル(暫定) [国土地理院, 2011]を図１b示す。また，観測データの例を図2と図3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(図４)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。図５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。図4a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。図4b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（国土地理院,2011）を用いて、地震の断層変位による静的な体積歪変化をMICAP-G（内藤・吉川,1999）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。

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
402 ANO

used for analysis(degree)

39

3 ICU

38

4 KST

37

5 MUR

36

6 KOC

235

7 SSK

134

8 633 978 MAT

354slip

20m

32132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145(degree)

9 UWA
Obs.

Calc.

5 x 10-7 strain
Extension
Contraction

図１a
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。

42°

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

100

80

41°

60

40Reference
Site: 950388

20km

40°

39°
4162024812

838°

37°

436°

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).

図１b
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デルの比較。(国土地理院, 2011 に加筆)

1030

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

100[hPa][mm/hr]

980

0

TYE horizontal strain-1 (N356E)

1.0×
10-6
TYE horizontal strain-2 (N86E)
1.0×
10-6
TYE horizontal strain-3 (N131E)
1.0×
10-6
TYE horizontal strain-4 (N221E)
1.0×
10-6
TYE vertical strain
1.0×
10-6

2122232425262728010203 0405060708091011121314 15161718192021
2011/02
2011/03
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

S1 (N356E)
S2 (N86E)
strainExt.
2.0×
10-5 S3 (N131E)
Cont.
S4 (N221E)
S5 (vertical)

LowPass 250 sec
S1 (N356E)

strainExt. S2 (N86E)
1.0×
10-6 S3 (N131E)
Cont.
S4 (N221E)
S5 (vertical)
23
4
5
time from 14:00 Mar. 11, 2011 (JST) [ x 1000 sec]

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．

6図４a 産総研の観測井における地震時のステップ状の地下水変化の分布と地震の断層変位による静的な体積歪変化
130˚
140˚

1Dilatation

1,2+10-7Contraction

40˚40˚+10-6+10-5+10-8 km
030˚500130˚30˚140˚36100 km

17213231

1,2,312728
29

45

1,43

1,2,32,341

46

33

1,2,34447

1,2,2,3637
38

1,2,32,340

16

11
1,2,3 15

1,2,31, 2
9 8

1,12
14
1,2 13
31,2,31052
4

6
3
1,2

1,2,3

1,2,3

1,2,

3

1,2,3

3

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

135
9:OGS
10:OMZ
11:KKZ
12:DIT
13:HMO
14:TYH
15:TYE
16:TYS7

1,2,33132
1:DTE
2:HKW
3:OMR
4:AKZ
5:EDY6:174
7:KNG
8:HAI

23

39

42

2224

33

35

2630
34

2025

i

1819

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

図4aFig.1a図４b 産総研の観測井における地震後1日間での地下水変化の分布と地震の断層変位による静的な体積歪変化
130˚140˚

1

Dilatation

1,2+10-7

Contraction

40˚40˚+10-6+10-5+10-8 km
030˚500130˚30˚140˚

36
100 km17213231

1,2,312728
29

34

45

1,43

2,1,2,3341

25

46

33

1,2,3 4447

1,233538

1,2,32,340

2,

3 7
1,1,2,3 15

1,312
14
1,2 13

1,2,

3

36
37

1,1,2,32

5

9 8
102
4

6
3
1,2

1,2,3

1,2,3

1,2,3

1,2,3

2,3

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

2,3

132
1:DTE
2:HKW
3:OMR
4:AKZ
5:EDY
6:174
7:KNG
8:HAI

2224
39

42

20

16

1126

30
33i1819135
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

図4b
Fig.1bGroundwater level at DTE1[m]
0.15
Groundwater level at OMR[m]0.1
Groundwater 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]
0.25
M9.00012
2011/03/1100

12
2011/03/1200

図5Fig.2