巨大地震の高速すべりとスロー地震の低速すべりがプレート境界の同じ断層で起こったことを発見

記事 2022/06/13

南海トラフ地震海洋科学掘削高知コア研究所ちきゅう

濱田洋平

高知コア研究所物質科学研究グループ副主任研究員
構造地質学の専門家。プレート沈み込み帯や南海地震の研究を野外調査・掘削・実験をもちいておこなっている。

南海トラフの巨大地震とスロー地震

南海トラフのプレート境界断層では、巨大地震が過去に何度も発生したことが明らかとなっています。この巨大地震発生メカニズムの解明に向け、地球深部探査船「ちきゅう」を用いた国際深海科学掘削計画（IODP）^*1によって2007年から2019年にかけて紀伊半島沖や室戸岬沖にて掘削が行われました。

地球深部探査船「ちきゅう」。大きなやぐらにドリルパイプをつるし、海底下を掘削します。2018～2019年の紀伊半島沖南海トラフの調査中に、科学掘削の世界最深記録を更新（海底下3262.5m）しました。

このうち、2007～2008年に実施された第316次研究航海にて、プレート境界断層のコア試料^*2が回収されました（下図：サイトC0007、海底下深度438 m）。このコア試料の解析から、津波を生じさせる高速すべりの痕跡が発見されています。

プレート境界断層のコア試料写真（左）と、津波を生じさせた高速すべりの痕跡（右）。黒く見えている断層の中心部周辺で、石炭粒子の光の反射の度合い（反射率）が上がっています（赤線）。この反射率は石炭が加熱されると高くなる性質があります。地震の際の高速すべりの摩擦熱で反射率が高くなったと考えられています。

一方で、近年の地震・測地観測ネットワークの整備とそのデータ解析によって、大地震の発生と密接に関わっていると考えられるスロー地震が、プレート境界地震発生帯の周辺で頻繁に発生していることがわかってきました。スロー地震とは、低周波微動、超低周波地震、スロースリップなどに代表される、通常の地震よりゆっくりとした断層すべりのことです。

スロー地震は、大きな揺れや津波を伴わないため私たちの生活に直接的な影響はありませんが、その現象を正確に把握することは大地震発生との関連性を解明するために非常に重要です。しかし、このスロー地震が通常の地震と同様にプレート境界断層上で起こっているのか、そして、スロー地震はどのような断層すべり現象なのかは謎のままでした。

そこで、私たちは、東京大学、産業技術総合研究所、筑波大学、テキサス大学などと共同で、地球深部探査船「ちきゅう」によって紀伊半島沖南海トラフのプレート境界断層から採取されたコア試料を分析しました。その結果、厚さ2ミリメートルのプレート境界断層は、津波を引き起こすような高速なすべりと、スロー地震を引き起こす低速なすべりを両方とも経験していることが明らかとなりました。

巨大地震とスロー地震が「全く同じ場所で」起こっていた

2016年、地球深部探査船「ちきゅう」は室戸岬沖南海トラフでプレート境界断層（海底下758～796 m）を貫き、プレートの基盤である玄武岩（海底下1,180 m）を目指して掘り進んでいました。その途中、なんと掘削孔から地下深部の流体が噴出する様子が撮影されたのです。この映像を解析したところ、プレート境界の付近には、厚さ数十メートル、水平方向に数百メートルの広がりをもつ高圧の“水たまり”が存在することがわかりました。

掘削の際に使用する泥水と、海底下深部の水が混ざった流体が、掘削孔（掘削時の海底下深度1,129 m）を通って海底面（水深4,476 m）の掘削孔先端から噴出している様子。

この掘削地点の周辺では2017～2018年にかけてスロー地震が発生していることもわかっており、このような高圧の水の存在がスロー地震と密接に関連している可能性が示唆されました。

また、先述の高速すべりの痕跡が見つかっていた紀伊半島沖プレート境界断層のコア試料について、さらに追加的にX線CT、光学・電子顕微鏡観察、微小領域X線鉱物分析を行いました。

プレート境界断層のコア試料写真(a)とX-CTスキャン写真(b)。断層中心部は周辺に比べて密度が低くなっていることがわかりました。これは断層すべりの際に微小な亀裂がはいり、断層中心部が亀裂の分だけ膨らんだことによると考えられます。

断層の光学顕微鏡写真(a)では、小さなすべり量、低速度の変形の痕跡である複合面構造^*3 が詳細に観察されました。矢印はこのうち、破壊のはじめに形成されるせん断方向に対して斜めの面（R面、脚注参照）を示しています。電子顕微鏡写真(b)では、10ミクロン（1/100ミリメートル）スケールの微小な褶曲構造が観察されました。

これらの結果を総合すると、この断層中心部は高速すべりの後に低速すべりを経験したことが明らかとなりました。これにより、発生場所の確定が難しいスロー地震がプレート境界断層で生じていることが示されました。そして「巨大地震による高速で大きなすべり」と「スロー地震による低速なすべり」という違う性質のすべりが同じ断層・同じ場所で起こっていることが示唆されました。このことは、1944年東南海地震ののちスロー地震を繰り返し、近未来の南海地震の準備過程にある現在の南海トラフの状態と一致するものです。

今後、高知コアセンター^*4に保管・管理されているコア試料を用いて室内実験をおこなうとともに、様々な観測と総合することによって、ゆっくりと変形する際の変形のしかたを明らかにし、スロー地震の発生メカニズム解明に迫っていきます。

南海トラフ・プレート境界断層が経験した断層すべりの模式図。津波を引き起こすような高速すべりののちに、微小な低速すべりが生じたと考えられます。

研究成果のポイント

地球深部探査船「ちきゅう」を用いた掘削研究で、様々な地震の性質が明らかになってきました。特に、南海トラフ・プレート境界断層でみつかった、巨大地震の高速なすべりと、スロー地震のゆっくりしたすべりが「全く同じ場所で」起こっていた、ということは世界で初めての発見です。掘削で得られたコア試料やデータをさらに研究することで、スロー地震から巨大地震に至るより包括的な地震発⽣メカニズムの解明に大きく貢献すると期待されます。

本成果はアメリカ地球物理学連合が刊行する科学誌「Geochemistry, Geophysics, Geosystems」に4月20日付（日本時間）で報告されました。なお、本研究はJSPS科研費15H05717、JP20K14587、JP20J20413 、JP21H05201、20K21050, 20KK0078, JP21H05203及びJP21H05202の助成のもと行われました。

タイトル：Deformation Process and Mechanism of the Frontal Megathrust at the Nankai Subduction Zone（南海沈み込み帯前縁プレート境界断層の変形過程とメカニズム）
https://doi.org/10.1029/2021GC009855

脚注

1　IODP：国際深海科学掘削計画（International Ocean Discovery Program）。2013年10月から開始された国際科学研究協力プロジェクト。
2　コア試料：掘削などによって採取される柱状の地質試料。
3　複合面構造：断層がせん断をうけて破壊される際に形成される面構造。せん断方向に平行なすべり面（Y面）、破壊のはじめに形成されるせん断方向に対して斜めの面（R面）のような種類があります。
4　高知コアセンター：高知大学とJAMSTECが共同で運営し、コア試料の保管庫と多くの分析機・実験機を備える研究施設。