IRIDeSの木戸元之教授ら、巨大地震後の海底地殻変動を世界で初めて明らかに

災害理学研究部門　木戸教授

2011年3月11日、宮城県沖の太平洋海低深くの日本海溝沿いで、プレート（地球の表面を覆う岩盤）同士が大きくずれ動き、マグニチュード9.0の巨大地震が発生しました。この地震と地震による津波は東北地方を中心に甚大な被害をもたらしました。専門家の間では、「純粋な自然現象としての地震」は「2011年東北地方太平洋沖地震（以下、東北沖地震）」、「地震が引き起こした災害」については「東日本大震災」と、区別して呼ばれています。

大きな地球の動きとして、日本列島付近では、常に陸側のプレートの下に海側のプレートが沈み込んでいますが、摩擦力が働くため沈み込みとともにプレート内にひずみがたまり、時折、このひずみを断層の破壊として解消することで地震が発生します。東北沖地震も同じ原理に基づくものでしたが、断層の破壊域が極めて広く、日本の観測史上最大規模であったことが特徴です。

IRIDeSの木戸元之教授、日野亮太教授（東北大理学研究科所属、IRIDeS兼任）らの研究チームは、特別な観測機器を用いて地震時の大きな動きを観測した他、地震後は観測網を拡充させ2012年から約4年間にわたり、東北沖全域にわたる海底の地殻（プレート表層部）の動きを継続して調べてきました。いわば「海底における2011年巨大地震の続き」の調査で、木戸教授らはこの観測結果から、巨大地震後の海底の複雑な動きを世界で初めて明らかにし、2017年、論文として発表し^*1、国内外から大きな反響がありました。

*1: Tomita, F., M. Kido, Y. Ohta, T. Iinuma, and R. Hino, “Along-trench variation in seafloor displacements after the 2011 Tohoku earthquake,” Science Advances, 3, e1700113, doi:10.1126/sciadv.1700113, 2017.

高度な技術が必要な海底調査

そもそも、海底深くの動きをどうやって調査するのでしょうか。陸上の位置測定については、昔は地上の測量で行っていましたが、近年では人工衛星を使った全地球測位システム（GPS）の発達により、電波を使って正確・容易・安価に行えるようになりました。ある地点の位置の経時変化を常時監視でき、地殻が一定期間にどれだけずれ動いたかを、正確に割り出すことが可能です。一方、海中は電波が届かないためGPSは使えません。日本海溝付近ともなると、陸地から遠く離れ、かつ水面から5000m以上もの深さに位置します。人が近づけない深海底の正確な動きを捉えることは、長年にわたり、極めて難しいことでした。

しかし、海底で発生する地震のメカニズムを解明するためには、遠く離れた陸で観測するだけでは不十分で、海底に肉薄することが不可欠です。木戸教授ら研究者はその重要性を認識し、すでに2000年代初頭からこの課題に取り組んでいました。海上保安庁などと連携し、特に定期的に発生してきた宮城県沖地震を視野に入れて海底地殻変動観測システムの開発・導入を進め、東北沖地震直前の2010年には海底地殻変動の観測体制を軌道に乗せることができました。

【図1】深海精密トランスポンダの投入設置作業

木戸教授らが用いる海底の動きを計測する機器は、「深海精密トランスポンダ」と呼ばれます【図1】。３つ以上を一組であらかじめ海底に沈めておき、GPSで位置がモニターされている海上の船から音波を送ります【図2】。各トランスポンダから返事が返ってくるまでの時間を測定し、海水温度などによる音の伝わる速度の影響も補正してトランスポンダの位置を求めます。この観測を定期的に行い、深海底に沈めてあるトランスポンダが、前回の調査からどれだけずれ動いたかを調べ、地殻の移動距離や移動方向を明らかにします。基本的に、トランスポンダの位置変化を正確に調べ続けるという、原理としては単純なものですが、水深5000mで起こっている、センチ単位の動きを正確に割り出すのは、非常に高度な技術が必要です。

【図2】　船上からトランスポンダへ音波を送る（船の位置はGPSで計測）

2011年東北沖地震は、予想していた宮城県沖地震より、はるかに大規模かつ広範囲にわたる想定外のものでしたが、すでに海底地殻変動観測システムが稼働を始めていたため、結果として、この地震により陸側のプレートが最大で31mも東にずれ動いたことなどを、世界で初めて捉えることができました^*2。一方、このとき陸上で観測できた最大のずれ幅は、もっとも海側に位置する牡鹿半島付近でもわずか5mでした【図3】。もしこの観測システムが存在していなかったら、この海底での大きな動きが、解明されないままであったことになります。

*2: Kido, M., Y. Osada, H. Fujimoto, R. Hino, and Y. Ito, “Trench-normal variation in observed seafloor displacements associated with the 2011 Tohoku-Oki earthquake,” Geophys. Res. Lett., 38, L24303, doi:10.1029/2011GL050057, 2011.

【図3】2011年東北地方太平洋沖地震による地震時の海底の動き（Kido et al., 2011, GRL）

木戸教授らの研究の意義

　今回の木戸教授ら研究チームの成果は、「2011年東北沖地震のその後4年間の動き」を解明したことです。研究によると、2011年地震時に巨大な断層すべりが起きた宮城県沖では、その後、プレートが西向きに動き続けていました。一方、それより南側の福島県沖では、正反対の東向きの動きがみられました【図4】。領域により地殻の動きは異なり、複雑な様相を呈しており、研究チームは、宮城県沖の変動の原因は「粘弾性緩和」で説明できる一方、福島県沖については、巨大地震のときに持ちこたえた場所が、今、ゆっくり動きながら、いわば「巨大地震の続き」である「アフタースリップ」が発生しているのではと、指摘しています。

【図4】2011年東北沖地震後の4年間にわたる海底の複雑な動き（Tomita et al., 2017, Science Adv.）

なぜ、「巨大地震のその後」に迫ることが重要なのでしょうか。木戸教授は、「地震は、それが起こった瞬間だけではなく、前後に連続したサイクルとして捉える必要があるからです」と説明します。「特に巨大地震ともなると、地震から相当長い年月をかけて、いわば『後始末』の動きが続いていきます。2011年の東北沖地震関連の動きは、現在も続いています。地震直後の速い動きは徐々に減衰してきましたが、地震前の状態に戻るには、まだ何十年もかかるのです。」

地震後の地殻の動きを正確に捉えることは、その後どのようにプレート内のひずみが解消され、あるいはさらにひずみがたまっているかを理解し、それが将来さらなる地震にどのようにつながりうるかを考える上で、極めて重要です。将来起こる地震の日時や大きさを正確に予知することは、現在の科学ではできませんが、こういった地殻変動の解明は地震のリスクの評価に役立ち、防災計画を立てる上で重要な参考資料にもなりえます。

「今回、貞観地震（869年）以来ずっと動いていなかったと考えられる日本海溝付近のプレートが大きく動きました。」数百年から千年以上の周期の巨大地震の科学的データは、過去に存在しませんでした。巨大地震の発生頻度を考えると、まさに今のタイミングで観測を行わないと、今後何百年もデータを得る機会が失われることになります。そもそも調査が容易でない海底の動きを、しかも極めてまれな巨大地震の影響について、世界に先駆けて解明した、木戸教授らの研究の意義は、極めて大きいといえます。

今後の研究

通常の巨大地震以外にも、その発生場所の周囲に、時間をかけて時折ゆっくりとすべる、地震波を出さない「スロースリップ」と呼ばれる現象が存在することが知られています。いわば「スローモーションの地震」ともいえる現象ですが、地震と同じようにひずみの蓄積と解放に影響を与え、また、巨大地震の引き金になることがあることもわかっています。近年、この「スロースリップ」は、世界中で新たに確認されており、今後、木戸教授も研究を続ける予定です。月単位で動きの変化するスロースリップによる海底地殻変動をモニターするためには、頻度の高い観測が必要となります。毎回船に乗って海溝付近まで移動し、その都度計測する現在のやり方では、観測頻度が限られ、コストも甚大です。今後、無人船等での自動計測により、時間的に連続したデータを得られる道を開拓していきたいと、木戸教授は語ります。また、例えば琉球列島や千島列島の沖合など、過去に巨大地震が発生したことが知られているにもかかわらず観測体制がない地域もあり、観測網のさらなる拡大も課題です。今後も木戸教授は、最後のフロンティア・深海の研究を進め、地震発生のメカニズム解明を続けていきます。

【お問い合わせ】IRIDeS広報室　電話 022-752-2049、Eメール koho-office*irides.tohoku.ac.jp　（*を@で置き換えてください）