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発表・掲載日:2017/06/29

日本列島の地殻変動の謎を解明

-フィリピン海プレートの動きが東西短縮を引き起こす-

ポイント

  • 第四紀の東西短縮地殻変動の原因は、太平洋プレートではなくフィリピン海プレートの運動
  • 山地の隆起や内陸地震など、現在進行中の地殻変動とプレート運動の枠組みが判明
  • 過去だけでなく日本列島の地質学的将来像の推定が可能に


概要

 国立研究開発法人 産業技術総合研究所【理事長 中鉢 良治】(以下「産総研」という)地質情報研究部門【研究部門長 田中 裕一郎】 高橋 雅紀 研究主幹は、アナログ模型を併用した思考実験に基づいて、第四紀の日本列島の東西短縮地殻変動の原因が、これまで考えられていた太平洋プレートの運動ではなくフィリピン海プレートの運動であることを明らかにした。山が隆起し陸地の拡大が続く日本列島の地殻変動は、本州で頻発する内陸地震の原因でもある。

 今回の研究により、日本列島を取り巻くプレートの運動と地殻変動が論理的に結びついたことで、過去のプレート運動と過去の地殻変動の因果関係だけでなく、将来の地殻変動についても、地質学的なシナリオを描くことが可能となる。

 この研究の詳細は、2017年6月29日に地質調査研究報告 にオンライン掲載される。

アナログ模型で明らかにした日本列島の地殻変動の力学的枠組みの概念の図
アナログ模型で明らかにした日本列島の地殻変動の力学的枠組みの概念図


研究の社会的背景

 本州は、およそ300万年前に開始した東西短縮地殻変動によって、かつての海底が隆起し広い範囲が陸化して生まれ、今もなおその範囲は東西方向に強く押されている。北アルプスや南アルプスなどは、本州が強い力で東西に押され隆起しているために急峻な山岳となっている。現在見られる日本列島の起伏に富んだ風景は、まさに、過去300万年間に及ぶ地殻変動によって生み出されている。

 この第四紀の東西短縮地殻変動は、日本列島の風景を生み出すと同時に、地震災害といった負の自然現象ももたらしている(図1)。本州では1995年の兵庫県南部地震や2004年の新潟県中越地震など内陸地震が頻発しているが、これは東西短縮地殻変動が日本列島の各所に歪みをともなっているためである。地殻が東西に短縮すると、地殻には歪みエネルギーが蓄積される。そして、地殻の強度を超えると地殻は破壊され、逆断層や横ずれ断層が動くことによって歪みエネルギーが解消され地震が発生する。

 このように、第四紀の東西短縮地殻変動は、地震災害といった負の自然現象を生む一方で、日本人の生活する場所(陸地)をもたらした。さらに、われわれ日本人固有の文化や美意識に対しても、強い影響を与えてきた。その原因を明らかにすることは、単に防災や地学的課題に留まらず、われわれが住むこの日本とわれわれ自身の来歴の理解に繋がる。

日本列島周辺のプレート運動と頻発する内陸地震の図
図1 日本列島周辺のプレート運動と頻発する内陸地震
本州の広い範囲は東西方向に押されている(図中の赤矢印)。

研究の経緯

 日本列島を東西に短縮する地殻変動は、長い間、西に移動する太平洋プレートの沈み込み運動が原因と考えられてきた。ところが、太平洋プレートの運動は4000万年以上も概ね一定であったことが知られている。日本列島の活発な地殻変動の原因が太平洋プレートであるとすると、日本列島は300万年前より以前から東西短縮地殻変動が継続してきたことになり、地質学的に整合性が取れないという問題があった。今回、他のプレートの運動も考慮し、アナログ模型を用いた思考実験を行い、この問題の解決に取り組んだ。なお、プレートはオイラー極と呼ばれる回転軸を中心にした回転運動を行っているが、この資料の図ではこの回転軸をピンで表してある。

研究の内容

 日本海溝と伊豆-小笠原海溝、南海トラフはいずれもプレートの沈み込み境界であり、房総半島の東方沖には、それら三つの海溝が1点に会合する世界で唯一の海溝-海溝-海溝型三重会合点(以下、三重会合点)がある。この三重会合点の配置の時間経過についてアナログ模型を使って考察した。

 まず、日本列島(本州)を変形しないユーラシアプレートに属するとし、北海道の北東方を回転軸としてフィリピン海プレートを運動させてみた(図2)。

日本列島周辺のプレート運動の従来のモデルの図
図2 日本列島周辺のプレート運動の従来のモデル
地質学的時間スケールでは、太平洋プレートが三重会合点で切断されてしまう。

 フィリピン海プレートを回転させ続けると、三重会合点で会合していた日本海溝と伊豆-小笠原海溝がずれてしまう。これは1969年に既に指摘されており、その内容は地球科学に関する多くの教科書に掲載され、固体地球科学においては常識と受け取られている。二次元でみると矛盾する点はない。

 ところが、三次元で考えてみると、日本海溝と伊豆-小笠原海溝がずれるということは、西に移動する太平洋プレートが三重会合点で切断され、両海溝の間にトランスフォーム断層が形成されることを意味している(図2)。しかし、太平洋プレートは世界で最も厚く(90 kmほど)、また温度が低いために固いプレートであり、容易に切断されるとは考えられない。また、プレートの上面で発生する深発地震は三重会合点の周辺で連続的に分布しており(段差がない)、これは、三重会合点の周辺で太平洋プレートが切断されていないことを示している。したがって、三重会合点で太平洋プレートが切断されず、日本海溝と伊豆-小笠原海溝が連続するようにアナログ模型を修正する必要がある。

 ところが、日本海溝と伊豆-小笠原海溝がずれないように両者を画びょうで接合させると模型は可動せず、フィリピン海プレートが移動しないことになる。そこで、東北日本を、ユーラシア大陸本体とは別個に動けるようにした。東北日本の日本海東縁で東西短縮地殻変動が進行していることは、東北日本とユーラシア大陸との距離が縮んでいることを示しており、両者は別個に運動しているからである。そして、伊豆-小笠原海溝と日本海溝の南端がずれないようにし、地震学的に明らかにされているオイラー極を中心に東北日本が可動するようにしたところ(図3)、太平洋プレートが剪断されずにフィリピン海プレートが動くことが確認できた(図4) 。

太平洋プレートが剪断されずに動くアナログ模型の図
図3 太平洋プレートが剪断されずに動くアナログ模型
フィリピン海プレートが現在のオイラー極を中心に回転し、太平洋プレートが切断されないと、東北日本は必然的に西に移動するので地殻は東西に短縮せざるを得ない。

太平洋プレートが剪断されずに動くアナログ模型の図
図4 太平洋プレートが剪断されずに動くアナログ模型
フィリピン海プレートが北西に移動すると、東北日本は必然的に西に移動する。

 この模型で、フィリピン海プレートをオイラー極(赤ピン)を中心に時計回りに回転させると、東北日本はそのオイラー極(青ピン)を中心に時計回りに回転した。すなわち、フィリピン海プレートが運動すると、東北日本は必然的に西に移動する。ところが、日本海の地下の基盤は固いマントルなので変形せず、西に移動した東北日本は東西に短縮せざるを得ない。

 このことは、日本列島(本州)の東西短縮地殻変動やその変動の一端を示す内陸地震が、太平洋プレートの沈み込み位置(日本海溝)の移動によって引き起こされていることを示している。日本海溝の西向きの移動はフィリピン海プレートの運動によって引き起こされているので、日本列島(本州)の東西短縮地殻変動の原因は、従来考えられていた太平洋プレートの運動そのものではなく、フィリピン海プレートの運動であると結論づけられる。

今後の予定

 今回明らかにしたフィリピン海プレートの北西方向への動き、東北日本の西への移動、日本海東縁での地殻変動の関係をベースに、日本列島周辺でのさまざまな現象が説明できるようになることを示していく。



用語の説明

◆三重会合点
地球の表面は十数枚のプレートで構成され、それらが相互に運動するために、プレートとプレートの境界に沿って、火山の噴火や地震などの地学現象が発生する。プレート境界は、発散型境界(海嶺)、横ずれ型境界(トランスフォーム断層)、収束境界(海溝)の3つに分けられる。大陸と大陸が衝突すると、境界は海溝ではなく大規模な逆断層となるが、これも収束境界に含まれる。隣り合う3つのプレートが1点に集まる点を三重会合点とよび、海嶺-海嶺-海嶺型や海溝-海溝-海溝型など様々な組み合わせがある。房総半島の東方沖には、陸側のプレート(ここではユーラシアプレート)にフィリピン海プレートが沈み込み、さらに両者に太平洋プレートが沈み込むため、世界で唯一の海溝-海溝-海溝型三重会合点が存在する。[参照元へ戻る]
三重会合点のさまざまな組み合わせと幾何学的安定性の図
三重会合点のさまざまな組み合わせと幾何学的安定性
時間の経過とともに組み合わせが変わらなければ安定、組み合わせが変わる場合は不安定とされる。
◆オイラー極
球面である地球表面のプレート運動は、地球の中心を通る1つの軸の回転運動として表現され、回転軸と地表との交点のうち、反時計回りの回転に対応する交点をオイラー極という。例えば、赤道を東から西に移動する運動は、北極点を中心とする時計回りの回転、あるいは南極点を中心とする反時計回りの回転として表現される。「オイラーの定義」に則れば、この場合は南極点がオイラー極とされるが、運動する対象と同一画面に回転中心が表示される利便性を優先し、もう一方の回転中心をオイラー極とし、回転の向きとセットで取り扱う場合がある。[参照元へ戻る]
プレート運動とオイラー極の関係の図
プレート運動とオイラー極の関係
地球(球面)上の運動は、ある点を中心とした回転運動を行っている。回転角速度が大きくなれば、プレートの速度も増加する。
◆トランスフォーム断層
プレートとプレートの境界の横ずれ断層のことで、ずれた海嶺と海嶺の間をつなぐように形成される場合が多い。下図のケースでは、海嶺は左横ずれにずれているが、トランスフォーム断層は反対に右横ずれ断層として活動しており、通常の横ずれ断層とは大きく異なる。また、海嶺と海嶺の間でのみ横ずれ断層運動が発生し、それらの外側では断層運動は生じない。そのため、海嶺→トランスフォーム断層→海嶺へとプレート境界が変換するので、transform(変換) fault(断層)とされる。[参照元へ戻る]
大陸の分裂につづく海洋底の拡大と、海嶺およびトランスフォーム断層の関係の図
大陸の分裂につづく海洋底の拡大と、海嶺およびトランスフォーム断層の関係
このケースでは、海嶺と海嶺をつなぐ部分に横ずれ断層であるトランスフォーム断層が形成されている。



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