2014年12月16日発表
くり返し地震のゆらぎ、再現に成功！
くり返し地震を手掛かりに地震発生メカニズムの理解が大前進！
同じ震源で同じ規模で定期的に発生する地震のことを「くり返し地震」と呼びます。そのくり返し地震が発生する場所の1つが、釜石沖です（図1）。マグニチュード（M）4.8クラスの地震が約5年おきに発生してきました。
図1 釜石沖で発生するくり返し地震の震源
ところが2011年3月11日に発生した東北地方太平洋沖地震直後に、地震が多発したのです。その震源、規模、発生間隔はバラバラで、くり返し地震が 一時的に乱れる「ゆらぎ」であると研究者は考えました。
このたび、そのくり返し地震のゆらぎを再現するシミュレーションに 成功し、地震発生メカニズムの 理解が大きく前進しました。いったいどういうこと？ 有吉 慶介 博士による研究を紹介します！
地球上で巨大地震を引き起こす場所の1つに、 大陸プレートの下に海洋プレートが沈みこむプレートの境目があります。
「大陸プレートは、海洋プレートに引きずり込まれ、たえきれなくなった時に大陸プレートがすべって地震が発生する」（図2）という説を聞いたことがある方がいるかもしれませんね。
図2 プレートの境目で発生する地震のメカニズム
今回は、このメカニズムをもっとくわしく見ていきます。
実はプレートの境目はどこもぴったり引っ付いているわけではなく、場所によりくっつきが強い部分と弱い部分とがあります。 その理由は、陸と同じように海底（海洋プレートの表面）にも山（海山）があり、大陸プレートの下に沈みこんでいく際、山のでっぱりが引っかかり続けると、上の大陸プレートとかたくくっつくことがあるためです（図3）。そのくっついた部分を「アスペリティ」と呼びます。英語で「でっぱり」（凸）を意味します。アスペリティはその場所の温度や圧力などの影響で、かたいけれど、こわれると一気につるんとすべり、でも止まると再びくっつく性質があると考えられています。たとえると氷のようなイメージです。反対に、アスペリティのまわりは粘土が多くぬるぬるしていて、すべりやすいと考えられています。
図3 アスペリティのでき方
大陸プレートの下に海洋プレートが沈み込んで行くとき、アスペリティのまわり（くっつきが弱い部分）では海洋プレートが沈んでいきますが、アスペリティではひっかかるため徐々に「ひずみ」がたまります（図4）。そのひずみが限界に達したとき、アスペリティが一気にすべります。地震発生です。アスペリティの大きさにより、地震の規模や発生間隔は変わります。
図4 アスペリティが引き起こす地震（ま横から見たとき）
アスペリティが日本周辺に数多くある中、他から離れてぽつんと位置するアスペリティが、くり返し地震を引き起こす正体です。他から距離があるため、他がすべっても影響を受けません。ひずみがたまって一気にすべって、再び上の大陸プレートとくっついて、がほぼ同じ規模で定期的に発生し、くり返し地震が起きるのです。
こうして発生するくり返し地震の1つが、釜石沖のくり返し地震です。
釜石沖でくり返し地震を引き起こすアスペリティは直径1kmほどの大きさで、海底から約50kmの深さにあります（図5）。
図5 釜石沖のアスペリティ（東北大学の内田 直希 氏らの研究成果をもとに作成）
M4.8ほどの地震を約5年おきにくり返してきました。しかし2011年3月11日の東北地方太平洋沖地震直後、1年間で7回もの地震が発生したのです。震源も規模も、発生間隔もバラバラ。くり返し地震が乱れる「ゆらぎ」です（図6）。
図6 くり返し地震のゆらぎ
いったいなぜ？ 多くの研究者が、「これまで未発見だったたくさんのアスペリティがすべったのだろう」と考えました。そんな中で異を唱えたのが、今回の研究者、有吉博士です。
「もしそこにアスペリティがたくさんあったのなら、ふだんから地震が多く発生するはず。でも実際には、東北地方太平洋沖地震の直後しか発生していない。」と有吉博士。 考えた仮説は、「このあたりに存在するアスペリティはやっぱり1つ」です（図7）。
図7 有吉博士の仮説
同時に注目したのが、「余効すべり」です。余効すべりとは、巨大地震の名残の、ゆっくりとしたすべりです。東北地方太平洋沖地震では、海溝近くで約50ｍもすべりました（図8）。すべりの勢いは弱まっていくものの、広く伝わります。 やがて名残の余効すべりとなり、ゆっくりと伝わっていくはずです。その余効すべりが釜石沖まで達して、アスペリティに影響を与え、くり返し地震にゆらぎが生じたのではないかと、有吉博士は考えたのです。
図8 東北地方太平洋沖地震で観測されたすべり
それを確かめるべく、有吉博士が研究を始めました。
有吉博士は、スーパーコンピュータ「地球シミュレータ」を使ったシミュレーションに 挑みました（写真1）。
写真1 スーパーコンピュータ「地球シミュレータ」。シミュレーションのための膨大な計算を超高速にこなします。
どんなシミュレーションかというと、まず、これまでの研究データに基づき、プレートの境目の状態を図9のように設定しました。
図9 シミュレーションで設定したプレートの境目の状態
大きな青丸は、M7クラスの地震を引き起こすアスペリティです。東北地方太平洋沖地震に相当するM9の地震が発生する大きさのアスペリティを設定することも考えましたが、M9が発生する 確率は1000年に1度です。今回は、日本各地の地震研究に 応用できるように、比較的発生しやすいM7としました。3つの小さな青丸は、M4クラスのくり返し地震を引き起こすアスペリティです。有吉博士は自分の仮説を確かめるためバラバラのアスペリティではなく、「1つのアスペリティ」を、大きなアスペリティから 距離を変えて3箇所設定しました。
まわりの赤い部分は、プレートのくっつきが弱い部分です。ここでは海洋プレートが矢印の方向に沈みこんでいきます。赤が濃いほどすべりやすく、うすいほどすべりにくい性質です。
プレートの境目をこのように設定して、海洋プレートを数百年スケールで沈み込ませていった時、アスペリティでは何がおきるのか、ゆらぎはみられるのか。数百年スケールで海洋プレートを沈み込ませていきました。
シミュレーションの結果、有吉博士は、3点の小さなアスペリティのうち真ん中のアスペリティで、くり返し地震のゆらぎを確認しました。
動画 シミュレーション結果
何が起きているかというと…。
小さなアスペリティがふだんくり返し地震が発生しているときは、その小さなアスペリティの中心だけで地震が発生していて、まわりはぬるぬるすべっていました（図10）。
図10 くり返し地震が発生するふだんのアスペリティ
ところがM7の地震が発生して余効すべりが 通過した瞬間、小さなアスペリティが 全体的にすべってM5の地震が発生したり（図11-1）ちがう場所がすべってM3の地震が発生したりしたのです（図11-2）。そして、時間がたつと、やがて元のくり返し地震を発生させる状態に 戻りました（図11-3）。
図11 シミュレーションで確認された現象
まとめると、くり返し地震の震源では、ふだんは小さなアスペリティの中心だけでくり返し地震が発生しています。しかし巨大地震が発生して余効すべりが通過すると、アスペリティ全体がすべって地震が多発します。そして時間がたつと、元の状態に戻るのです。
さらに有吉博士は、立て続けに発生した地震の震源が、余効すべりの方向と一致することに気づきました。
ならば釜石沖で一時的に多発した地震の震源のゆらぎも、余効すべりに沿っているはず。有吉博士が調べると、図12に丸で示す震源が、東南東から西北西にゆらいでいました。まさに、余効すべりがこの方向に進んだと考えられます。
図12 左：釜石沖で確認された震源（Ο）のゆらぎ 右：余効すべりの方向
今回、東北地方太平洋沖直後に発生した釜石沖のくり返し地震のゆらぎは、1つのアスペリティ内で起きたこと、そしてそれは余効すべりの影響であることを、シミュレーションで 再現することに成功しました。さらに、くり返し地震のゆらぎを手がかりに、余効すべりの進む方向をとらえられることがわかりました。
日本周辺には数多くのアスペリティが 存在します。有吉博士は、「余効すべりがどの方向に進んでいるのか具体的にわかれば、どのアスペリティが危険なのか事前に予測する上で役立つ」と話します。
さらにこうした研究は、東北地方太平洋沖だけではなく、今後発生すると考えられる東南海、南海地震の研究にも応用できると期待されます。
写真2 学生時代から地震の研究を続けている有吉博士
