東北大が大地震再来の可能性示唆、日本海溝沿いにひずみ蓄積　地質研究の最新成果

2011年の東北地方太平洋沖地震(東日本大震災)のような超巨大地震の発生後、プレート境界断層がどのように、かつどれほどの期間を経て再固着し、次の地震に向けてひずみを蓄積し始めるのかを把握することは、きわめて重要な課題となっている。

こうした課題に対し、東北大学、海洋研究開発機構(JAMSTEC)、東京大学の3者は、東北沖地震の発生以降、2011年から2025年まで14年にわたる長期かつ高密度な海底地殻変動、陸上の地殻変動、および「繰り返し地震」の活動の観測データを数値モデルを使って分析。北海道南東から千葉県沖に至る南北約800kmの日本海溝沿いのプレート境界における地震後の挙動を詳細に解明したと、11月5日に共同発表した。

(a)GNSS-A観測による観測方式の概念図。(b)GNSS-A観測に用いられた自律型水上航行機「ウェーブグライダー」の画像。(c)東北沖のGNSS-A観測点に設置された音響測距装置(海底局)の画像 (出所:東北大ニュースリリースPDF)

同成果は、東北大災害科学国際研究所の富田史章助教、同・木戸元之教授、JAMSTEC 地震火山研究部門地球モニタリングセンターの飯沼卓史センター長兼上席研究員、東大地震研究所附属地震火山研究連携センターの内田直希教授、東北大大学院理学研究科附属地震・噴火予知研究観測センターの太田雄策教授、同・日野亮太教授らの国際共同研究チームによるもの。詳細は、世界二大総合学術誌の一角をなす、米国科学振興協会の「Science」に掲載されている。

東日本大震災後の地殻変動メカニズム、14年分の観測データから検証

プレート境界での巨大地震は、プレート間の突発的なすべり(破壊)によって強大な地震動と巨大津波を引き起こす。地震発生後、プレート境界断層の一部では過渡的にゆっくりとすべり続ける「余効(よこう)すべり」現象が生じる。また、地下深くのマントルでは、地震によって生じた応力変化が時間をかけて緩和される「粘弾性緩和」現象が進行する。

これらが複合的に作用することから、プレート境界の状態を正確に把握するには、長期的かつ広域的な地殻変動観測データと高精度な数値シミュレーションモデルが必須となる。地震発生後、陸上の観測網により広域の地殻変動が詳細に捉えられてきたが、プレート境界の再固着状態を正確に判定するには、震源域の直上に位置する「海底での精密な測地観測」も不可欠だ。

研究チームはこれまで、東北大が設置・管理する20地点の海底観測点において、全球測位衛星システム(GNSS)を利用した「海底地殻変動観測」(GNSS-A観測)を繰り返し実施してきた。特に2019年以降は、自律型水上航行機「ウェーブグライダー」を活用し、観測コストの大幅な削減を実現している。

今回の研究では、この独自観測データに加え、海上保安庁が運用する6地点の観測データを加えた計26地点における2011年から2025年までの14年間の観測データが解析に用いられた。

さらに、国土地理院の電子基準点「GEONET」で得られた陸上GNSS観測データおよびプレート境界で発生する小規模な繰り返し地震から推定された断層すべり速度を、地球内部構造(弾性プレート、粘弾性マントル、粘性せん断帯など)を組み込んだ三次元有限要素法による数値シミュレーションモデルと比較することで、東北沖地震後の地殻変動メカニズムの検証を行うことにした。

今回の研究成果

地震直後は、余効すべりと粘弾性緩和、そして固着の影響が組み合わさった複雑な地殻変動場が確認され、陸上の観測点は東南東方向へ、海域の観測点は地震前を上回る速度で西北西へ変動していることが判明した。地震前はプレート間の固着によって陸上の観測点も海域の観測点も年に8cm以下の速度で西北西に変動していたが、この地震によって地殻変動の様相が一変した。一方、こうした変動パターンは時間経過に伴い急速に変化している様子も確かめられた。

東北沖地震発生後の累積変位(2012年9月〜2025年9月)。陸上・海底地殻変動観測点における水平方向(a)と鉛直方向(b)の累積変位。(a)では、緑のベクトルが観測値を、青のベクトルが今回の研究モデルによって再現された変動値を、背景色が同地震時のすべり分布、黄色星が同地震の震央を示す。(b)では、四角が観測点位置を、その内部色が観測された累積鉛直変位量を、背景色がモデルから計算された累積鉛直変動量の空間変化を示す (出所:東北大ニュースリリースPDF)

東北沖地震後の陸上・海底地殻変動観測点における水平方向の地表面変位速度を、4期間に分割してベクトルで示した図。ベクトル・背景色・黄色星は、画像2(a)と同じ形式で示されている。福島県から茨城県にかけての沖合の観測点では、地震直後から2021年までは変位速度が東南東〜南東向きだったものが、2021年以降は西北西〜北西方向に変化しており、余効すべりが止まって固着が回復したことが表れている (出所:東北大ニュースリリースPDF)

詳細な解析により、観測された地震後の地殻変動の時空間変化を再現するモデルが構築され、その結果、「余効すべりの時間変化」、「粘弾性緩和の継続」、「浅部でのプレート間固着の回復」という3つの主要な知見が導き出された。

第1の「余効すべりの時間変化」については、地震発生時の大型の断層すべりが生じた範囲の周辺において、発生直後から継続していたプレート境界浅部での余効すべりが2021年頃までにほぼ終息し、それまでのすべりの影響で高まっていた繰り返し地震の発生頻度も2011年以前の静穏なレベルまで低下した。一方、プレート境界深部では2011年以前よりも繰り返し地震の発生頻度が高まっており、依然としてゆっくりとした断層のすべりである「クリープ」が継続していることが推測された。

第2の「粘弾性緩和」については、浅部の余効すべりよりも長い時間軸で継続していることが判明。プレート境界深部で長期持続中のクリープは、この粘弾性緩和によって生じた応力変化が、プレート境界に沿ったすべりとして発現しているものと考えられるという。

そして、第3の「浅部でのプレート間固着の回復」に関して。プレート境界浅部の現在の固着状態は、地震発生前の状態とほぼ同様であることが明らかにされた。つまり、地震で巨大な破壊が生じた領域の大半において、次の地震に向けたエネルギーの蓄積がすでに開始、あるいは間も無く始まり、その周辺のプレート境界浅部の余効すべり域は同すべりの減衰に伴い、約10年で固着を回復したことを示すとした。変動パターンの時間変化のうち、例えば福島〜茨城県沖の観測点における変位速度の方向の逆転は、余効すべりが終息したのみならず、固着が回復していることを強く示唆しているとした。

東北沖プレート境界での多様なすべり現象をまとめた模式図。赤実線領域は、東北沖地震時に10m以上の大型すべりの発生領域で、次の地震に向けたエネルギーの蓄積が地震発生から間もなく始まった。過去の大地震の破壊域はSatriano et al.(2014)に、1896年の明治三陸地震の破壊域はTanioka&Seno(2001)に基づくもの。濃紺色および淡紺色の領域は、共に今回の研究で求められたプレート境界沿いで余効すべりの範囲を示す(淡色領域での余効すべりは濃色領域よりも小規模)。濃紺色領域のうち、プレート境界浅部の領域(茶色破線よりも沖合のもの)では余効すべりの減衰に伴い、約10年をかけて固着が回復した。橙色破線領域は、粘弾性緩和に伴う粘性せん断帯における粘性クリープ域を示す (出所:東北大ニュースリリースPDF)

今回の研究で示された「急速な再固着」は、プレート境界が超巨大地震発生後、早期にエネルギー蓄積能力を取り戻すことを実証するものだという。日本海溝における超巨大地震の平均再来間隔は約500〜900年とされているが、他地域の沈み込み帯の例を踏まえると、通常のサイクルより短い間隔で大地震が再来する可能性も否定できない。

今後も高精度な海底地殻変動観測を継続し、プレート境界の固着状態の推移を監視し続けることが、将来の地震・津波ハザード評価の精度向上において不可欠だとしている。