東大、東日本大震災の浅部のすべり過ぎと深部の高周波震動についてなど発表

東北沖地震の二面性
―浅部のすべり過ぎと深部の高周波震動―

■発表者
　井出　哲（東京大学大学院理学系研究科地球惑星科学専攻　准教授）


＜発表概要＞
　東北地方太平洋沖地震の破壊プロセスを地震波の分析により解明した。地震はプレート境界浅部では、海溝まで達する大きなすべりを引き起こし、さらにすべり過ぎることにより巨大な津波を発生させた。一方で人が感じるような高周波の地震波（ガタガタ震動）はむしろプレート境界深部から放射された。この奇妙な二面性は、地震発生プロセスの理解にとって重要である。


＜発表内容＞
　３月１１日の東北地方太平洋沖地震（以下東北沖地震と略す）は、日本史上最大のマグニチュード９という規模で東日本一帯を襲い、広範囲での揺れと巨大な津波によって日本社会に大混乱を巻き起こしている。地震発生時に、海底下の岩盤で破壊すべりはどのように進行したのか？これを解明することは、今回の地震による災害から未来への教訓を得るために、まず解決しなければならない問題である。当研究室は米国スタンフォード大学と共同で世界各地の地震波データを解析し、東北沖地震の全体的な破壊プロセスを解明した。その結果からは、マグニチュード９という近代地震学史上も希な巨大地震であるがゆえの、研究者も驚くような一種異様な二面的振る舞いが浮かび上がってきた。

　今回主に用いたのは全世界のデジタル地震観測網で観測された地震波記録である。図１はその記録の例であり、３月１１日の本震とその２日前に発生したマグニチュード７．３の前震の波形を比較している。この比較から最初の奇妙な点として、前震の地震波より本震の地震波の方がゆるやかに始まっていることに気づく（図１）。本震は約３秒の間、ためらいがちに破壊し始めたのである。

　さらに分析を進めた結果、破壊すべりは次のように進行したことがわかった（図２がデータ、図３が概念図）。最初の３秒の初期破壊（［１］）の後、次の４０秒間はプレート境界深部、陸地方向へ向かって破壊すべりが進展する（［２］）。このときに宮城県を中心に最初の大きな地震波が到達する。一方プレート境界浅部ではこの時点まではあまり破壊すべりが進行していないが、約６０秒に一番浅い部分、つまり海溝の岩盤を一度に破壊するような大きなすべりが起きる（［３］）。このすべりに伴う海底面の変動が巨大津波を引き起こした主要因である。その直後、破壊すべり（注１）はプレート境界を深部へ、陸地に向かって再び進展し、約９０秒で海岸線近くに達する（［４］）。つまり上方（東向き）から下方（西向き）へと破壊すべりの進行方向転換が起きるのである（注：すべる領域が変化するのであり、陸側が海側に乗り上げるという運動は変化しない）。これもあまりこれまでに報告例の少ない奇妙な振る舞いである。最大すべり量は３０メートル（数値には倍半分程度の不確定性あり）である。大きなすべりの領域を取り囲むように余震が起きていて、これは東北沖地震に限らず巨大地震一般でよく知られた観察事実である。但し大きなすべりの領域は地震発生直後の報道で伝えられたほど大きなものではなく、むしろ海溝近傍に集中したコンパクト（それでも差し渡し３００キロメートル超）なものである。

　地震に伴う災害は主に津波によって引き起こされた。その津波を引き起こしたのが［３］の海溝付近の大きなすべりである。このすべりは地震以前に蓄えられていた力を１００％解放するだけでなく、さらに「すべり過ぎ」るほどすべったために、大きな津波を引き起こした。これがダイナミックオーバーシュート（動的過剰すべり）と呼ばれる現象である。東北沖地震のダイナミックオーバーシュートはもうひとつの奇妙な現象となって現れている。沈み込み帯の地震ではプレート境界をはさんで陸側が海側に乗り上げる（逆断層地震）。その反対、陸側が海側に対してずり落ちるような地震（正断層地震）はまず起きない。ところが地震直後マグニチュード６程度の正断層地震が２つ発生した（図２）。すべり過ぎた分のおつりとしてずるずるっと戻ったようである。このような報告例は未だかつてない。今回ダイナミックオーバーシュートがいかに大きかったかが示唆される。

　４つの段階のうち［１］と［３］は主にプレート境界浅部、［２］と［４］は深部で起きた。日本列島で観測された地震波のうち特に、体に感じるようなガタガタという高周波の地震波はこのうち［２］と［４］の深部の破壊すべりからしか放射されていない。これは各地への地震波到達タイミングから明らかである（図４）。そして海溝近傍での最大のすべりからはこのような地震波はあまり放出されなかった。これが東北沖地震の性質を決定づける二面性である。

　東北沖地震は、浅部での静かだが大きなすべりと深部でのガタガタすべりの共存する現象であった。このことは今後の、沈み込むプレート境界での地震の発生パターンを予測する際の鍵をにぎる。基本的には、このすべりの性質の違いは境界面の摩擦特性と応力場の特徴を反映したものであろう。但し両者が互いに影響するかしないかで起きる地震の振る舞いは大きく異なる。東北沖地震は、深部のガタガタすべりが浅部の静かなすべりを誘発したかもしれない。両方が存在したために全部まとめてみると普通の地震に見える点も奇妙である。（一方浅部の静かなすべりだけが起きた地震として知られているのが１８９６年明治三陸地震（マグニチュード８程度）、深部のガタガタすべりだけが起きる地震で有名なのは釜石沖で何度も起きている繰り返し地震、東北沖とは逆に浅部が深部を誘発したのが１９９４年三陸はるか沖地震、とその起こり方は多様である。）プレート境界の性質に対するこのようなイメージはこれまでにも漠然と考えていた研究者はいるだろうが、まだ十分理解されていない。今後重要な研究対象となるだろう。


●この研究は以下の資金により行われた。
　科学研究費補助金（日本学術振興会）基盤研究（Ａ）　２３２４４０９０
　科学研究費補助金（文部科学省）新学術領域研究　２１１０７００７
　発表雑誌Ｓ．　Ｉｄｅ，　Ａ．　Ｂａｌｔａｙ，　ａｎｄ　Ｇ．　Ｃ．　Ｂｅｒｏｚａ，　Ｓｈａｌｌｏｗ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｏｖｅｒｓｈｏｏｔ　ａｎｄ　Ｅｎｅｒｇｅｔｉｃ　Ｄｅｅｐ　Ｒｕｐｔｕｒｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　２０１１　Ｍｗ　９．０　Ｔｏｈｏｋｕ−Ｏｋｉ　Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ，　Ｓｃｉｅｎｃｅ（Ｅｘｐｒｅｓｓ），　２０１１．


＜用語解説＞
注１　破壊すべり
　地震は地下で岩盤にずれが生じるときに起きる。このずれは岩盤の破壊を伴いながらすべりが生じる現象であり、これを破壊すべりという。このすべりによって岩盤に蓄えられた力が解放される。


※下記資料は、添付の関連資料を参照

　・図１：３つの観測点における本震と前震の観測波形の比較。右は左の図の時刻０周辺の拡大図。本震のほうがむしろゆるやかな立ち上がりである。

　・図２：破壊プロセスの分析結果。左は最終的なすべり量、右は６つの時刻でのすべり速度の分布を表す。左図の下に全体的な時間変化を示す。左図白い線が海溝の位置。

　・図３：４つの段階の概念図

　・図４：高周波波動とすべりの分布。右図のすべり分布中に各色で示した時刻（単位は秒で地震発生時がゼロ）に放出されたＳ波が各観測点に到達する時刻を左図に線で示す。