研究概要

研究テーマ

• 地震後の粘弾性応答
• マントルダイナミクス
• プレート間カップリング

これまでの研究概要

我々の研究室では、これまで一貫して、有限要素法や差分法といった数値解法、インヴァージョン解析やその他の解析的手法を駆使し、沈み込み帯における難問題に真正面から取り組み、それらを定量的に明らかにすることを目指した研究を行ってきた。以下、主として国際誌に掲載・投稿された論文のうち、主なものについて、具体的な研究経過をまとめて述べる。文中のカッコ内の番号は （研究業績リストの論文（査読あり））の番号である。

海溝型巨大地震の発生に伴う変位・歪・応力場

大地震の発生に伴う地震相互間の関連性を定量的に評価するため、紀伊半島・四国沖で発生した1944年東南海(M 7.9)・1946年南海(M 8.0)地震、その後の地震の間に見られる関連性のシミュレーションを行った。西南日本下に沈み込むフィリピン海プレートの複雑な形状を考慮した３次元弾性有限要素モデルを構築し、断層運動に伴う歪場・応力場を計算し、観測データと比較した。その結果、東南海・南海地震後の紀伊水道〜四国東部での南北方向から東西方向への圧縮応力場の急変をその応力変化から定量的に評価し、その応力場が支配的であっ時空間的範囲を示すことに成功した。また、東南海・南海地震が中央構造線沿いに発生する内陸大地震の応力蓄積過程に及ぼす影響を定量的に評価し、東南海地震による三河地方での地震活動の増大や和歌山周辺での地震活動の急激な低下の機構を明らかにした（2,3）。

さらに、3次元粘弾性有限要素モデルを構築し、プレートの3次元的形状が断層運動に伴う変位・歪・応力場に及ぼす影響を詳しく調べた。その結果、従来の水平成層構造モデルとは大きく異なる結果が得られ、海溝型巨大地震後の粘弾性変形を解析する際、プレートの形状を考慮する重要性を指摘した（13）。このモデルを、1993年釧路沖地震（M7.5）（16）、1946年南海地震（17）に適用し、期待される余効変動を計算によって示した（図1参照）。

環太平洋地域の沈み込み帯におけるプレート間カップリングの推定

南海トラフにおけるプレート間カップリングの時空間分布を推定するため、地震間の水準測量、三辺測量のデータを用い、１．と同様な３次元有限要素モデルを構築して、フォワードモデリングにより固着状況を推定した。その結果、南海トラフではカップリングが非常に強いことを測地データに基づいて初めて明らかにした。また、カップリングの強い領域は、東南海・南海地震時のすべり領域とよく一致していることを指摘した （5） 。
また、東海地域 （8） 、関東地域 （9） において、水準測量・三辺測量のデータに対し、赤池のベイズ型情報量基準を用いたインヴァージョン解析により、プレート境界での固着状態を明らかにし、来るべき東海地震や関東地震の応力蓄積過程、プレート相対運動の方向を推定することに成功した。

さらに、環太平洋の海溝型巨大地震の発生地域である、南海トラフ （20） 、千島〜日本海溝 （21） 、メキシコ （31） 、カスカディア（カナダ） （33） において、指導学生や海外の研究者と共同で、近年のGPSデータを用いて同様なインヴァージョン解析を行い、プレート間の固着状態を明らかにし、各地域での海溝型巨大地震の地震発生ポテンシャルを推定してきた( アニメーション1 参照）。メキシコでは最近、GPSにより大規模なゆっくり地震が観測され、同時にその解析も行った。

スラブ深部の数値シミュレーション（応力場、温度・流れ、変形、地震波波動伝播）

1. スラブデタッチメント（深さ100〜300kmでスラブが水平方向に裂けていること）の物理過程を定量的に解明するため、3次元粘弾性有限要素モデルを構築し、スラブの片側から初期裂け目を入れ、スラブに働く力のバランスを考慮し、スラブ内応力の時空間変化を計算した。その結果、１）ある条件下では、数百MPaの剪断応力の集中が裂け目先端部のスラブ内に現れ、その量はスラブ内の裂け目をさらに伝播させるのに十分な応力であること、２）応力集中は周囲の粘性率が低く、裂け目の長さが長いほど、またスラブ内がdown-dip tensionの状態に近いほど、より大きくなることを明らかにした（10,11）（図2、図3参照）。
2. 深発地震の発生メカニズムを明らかにするため、オリビンの相転移のカイネティクスを考慮したthermo-kinetic カップリングモデルを構築し、スラブ内の温度分布を計算した。さらに、高温高圧実験で得られているオリビンの物性値を用いて、スラブ内の温度・圧力の変化を考慮した体積弾性率、剛性率、周囲のマントルとの密度差の空間分布を求めた。この密度差に起因するスラブ内応力を有限要素法を用いて計算し、オリビン→ウォズリアイト相転移による負の浮力と、リングウッダイト→Pv+Mw相転移に伴う浮力の相乗効果によって、スラブ内深部にdown-dip compressionの高応力場が生じ、これが深発地震の起震応力となる可能性があることを示した（15）。
3. 下部マントル最上部に横たわるスラブの形成メカニズムを明らかにするため、2次元差分法を用いた熱と流れの数値シミュレーションを行った。その結果、リングウッダイト→Pv+Mw相転移に伴う浮力によりスラブは横たわりやすくなること、下部マントルの高粘性による摩擦により、スラブがメガリスを形成する可能性があることを示した（27）（アニメーション2、アニメーション3、アニメーション4参照）。
4. スラブ内のオリビン（α）の準安定相が地震波形に及ぼす影響を評価するため、高温高圧実験と熱と流れのシミュレーションの結果に基づいて、沈み込み帯での温度・圧力、相転移を考慮した地震波速度構造モデルを構築した。その構造に対して、2次元差分法を用いた深発地震に対する地震波波動伝播のシミュレーションを行い、準安定相の存在が実体波のコーダ波として検出されうることを定量的に示すことに成功した（29）（アニメーション5参照）。