プレート境界の固着状態の変化を高解像度で可視化

国立研究開発法人産業技術総合研究所（以下「産総研」という）活断層・火山研究部門 今西 和俊 副研究部門長、野田 朱美 主任研究員（研究当時 気象研究所）は、プレート境界の固着状態の時空間変動を高い分解能で検出する新たな手法を開発しました。また、その手法を東北沖のプレート境界に適用し、年スケールの時空間変動に加え、2011年東北地方太平洋沖地震に先行する固着状態の変化を検出することに成功しました。

海洋プレートが大陸プレートの下に沈み込むプレート境界では、プレート同士が強く固着してほとんど動かない場所と、比較的自由に動く場所が存在します。固着の強い場所ではひずみが蓄積され、それが解放されることで地震が発生するため、固着状態の時空間的な変動を把握することで、地震の発生場所や規模を推定できると考えられています。これまで、プレート境界の固着状態は地殻変動データから推定されてきましたが、時空間的な分解能に限界がありました。

今回、高い時空間分解能を持つ地震データと、空間的に安定した数年以上の長期変動の把握に優れた地殻変動データを相補的に組み合わせることで、プレート境界の固着状態の変動を高精度に検出する手法を開発しました。開発した手法を東北沖のプレート境界に適用したところ、地殻変動データのみでは検出できなかった年スケールでの固着状態の時空間変動に加え、2011年東北地方太平洋沖地震の数年前から進行していた固着の部分的な剥がれを捉えることに成功しました。本成果により、巨大地震の準備過程への理解が深まるとともに、地震の発生確率の高い場所の推定や発生時の規模評価の高精度化が期待されます。

なお、この技術の詳細は、2026年9月1日（米国東部夏時間）に「Journal of Geophysical Research: Solid Earth」に掲載されました。

日本列島周辺では、海洋プレートが大陸プレートの下に沈み込むプレート境界において、巨大地震が繰り返し発生しています。プレート境界では、場所によってプレート同士が強く固着してほとんど動かない場所と、比較的自由に動く場所が存在します。固着が強い場所ではひずみが蓄積されますが、固着が弱い場所ではすべりによってひずみが解放されています。強く固着した場所に蓄積されたひずみが増大すると、やがて急激なすべりが生じて地震が発生します。プレート境界の固着状態は時間や場所によって変化することが知られているため、その時空間変動を把握することで、地震の発生しやすい場所や地震の規模を推定できると考えられています。

プレート境界の固着状態は、地表のわずかな変形である地殻変動から推定することができます。日本では、人工衛星による全球測位衛星システム（GNSS）観測網が高密度に整備されており、そのデータを用いて固着状態が推定されてきました。しかし、GNSSの観測データは長期間の変動を平均して解釈するため、固着状態の時間分解能も数年以上に限られます。また、GNSS観測網は陸上に設置されているため、沖合のプレート境界の固着状態を推定する際、空間分解能に限界がありました。

産総研では、地震観測や地殻変動観測、およびそれらの大規模データ解析を通じて、地震発生の仕組みの解明と将来の地震発生の切迫度評価に向けた技術開発に取り組んでいます。本研究では、プレート境界近傍で日常的に発生する地震が、固着状態の変化に伴う応力場の変化に応答する点に着目するとともに、地震データと地殻変動データの特性を組み合わせて活用することで、固着状態の変化を検出する手法の開発に取り組みました。

なお、本研究では、国立研究開発法人防災科学技術研究所の広帯域地震観測網（F-net）により推定されたメカニズム解（F-net解）および、国土地理院のGEONET（GNSS連続観測システム）のデータを使用しました。また、本研究はJSPS科研費JP23K25975、JP23H01279、JP22H05317の助成を受けたものです。

プレート境界近傍では、被害を伴わないような小さな地震が日常的に多数発生しています。これらの地震は、プレート境界の固着状態の変化に伴う応力場の変化に応答して発生し、それぞれの地震のメカニズム解には応力場の情報が反映されています。本研究では、このような小さな地震を活用し、応力場との整合性を指標化することで、固着状態の変化を検出する手法を構築しました。

具体的には、次のプロセスにより基準状態からの変化を可視化します。

• GNSSデータから長期平均的なプレート固着分布（基準状態）を推定
• 推定した固着に起因する周辺域の応力場（基準応力場）を計算
• 発生した地震が基準応力場にどの程度整合的に発生しているか、ミスフィット角を指標として数値化
• ミスフィット角の時空間分布の変化を評価し、基準状態からの逸脱を可視化

ミスフィット角が小さい場合は固着状態がおおむね安定に維持されていることを示し、大きい場合は地震やスロースリップなどに伴う固着状態の解消を示唆します（図1）。このように本手法では、高い時空間分解能で地下の状態変化を捉えることができる地震データと、数年以上の長期的変動を安定的に把握できる地殻変動データの特性を相補的に組み合わせ、それぞれの利点を活用して固着状態の変化を捉えています。

本手法を東北沖のプレート境界に適用し、1997年から2023年までの約25年間の地震データを用いて解析を行いました（図2a）。なお、基準となる長期平均的な固着状態は、2011年東北地方太平洋沖地震発生前の状態を基準とするため、1998年から10年間のGNSSデータを用い、比較的大きな地震の影響を除去して推定しています（図2b）。その結果、2011年東北地方太平洋沖地震の発生前には、震源域に対応する広い範囲で小さなミスフィット角が維持されており、固着状態が長期間にわたり継続していたことが明らかになりました。一方、地震発生後には広域にわたってミスフィット角が増大し、固着の解消が生じたことが確認されました（図3）。ミスフィット角に大きな変化が見られない領域のうち、東北地方太平洋沖地震の前後を通じて、領域Ⅰでは固着状態が継続する一方、領域ⅡおよびⅢでは先行研究に基づきスロースリップ活動が持続していると解釈しています。

また、時間分解能を高めた解析により、固着状態は年スケールで変化するだけでなく、空間的にも複雑で不均質な構造を持つことが明らかとなりました（図4）。前述の領域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲにおいても、短期的には状態の揺らぎが見られることが確認されます。さらに、東北地方太平洋沖地震で大きなすべりが生じた領域周辺における時間変化を詳細に解析した結果、ミスフィット角は地震発生に向かって徐々に減少する傾向を示し、固着状態が時間的に維持・強化されていたことが示唆されます。しかし、2008年以降にはミスフィット角は増加に転じており、他の研究成果も含めて考えると、この時期にスロースリップが発生していた可能性が高いと解釈するのが妥当です（図5）。これらの結果は、大地震の発生に先立ち、数年前から固着の部分的な剥がれが進行し、それが最終的に東北地方太平洋沖地震の発生を誘発した可能性を示唆するものです。こうした変化は、大地震の発生可能性や切迫度の評価に直接関わる重要な情報です。固着状態の変動を高解像度で捉えることで、地震発生過程の理解を深め、防災・減災に資する高度な評価につながると期待されます。

今後は、南海トラフや千島海溝、海外の沈み込み帯など他地域への適用を進めるとともに、機械学習を用いたメカニズム解の大量推定を行うことで、本手法の汎用性と精度のさらなる向上を図ります。

掲載誌：Journal of Geophysical Research: Solid Earth
論文タイトル：Detection of Interannual and Fine-Scale Plate Coupling Variations Using Intraplate Earthquakes and Geodetic Data: Application to the Tohoku-Oki Plate Boundary
著者：Kazutoshi Imanishi, Akemi Noda
DOI：https://doi.org/10.1029/2025JB032509

プレート境界の固着

隣り合うプレート同士が強くくっつき、ほとんど動かなくなっている状態。固着した領域ではプレート運動によりひずみが蓄積し、限界に達すると急激にすべって地震が発生する。[参照元へ戻る]

地震データ

地震計による地震波観測から得られるデータ。地震の発生位置や規模、メカニズム解など、さまざまな情報を得ることができる。本研究では、固着状態の変化に伴って生じる応力場の変化を高い時空間分解能で捉えるために用いた。[参照元へ戻る]

地殻変動データ

GNSSなどの観測により得られる地表の位置変化のデータ。プレート運動に伴う数ミリから数センチメートル規模の長期的な変動を安定して捉えることができる。プレート境界の固着状態の推定に広く用いられている。[参照元へ戻る]

応力場

地下の岩盤にどの方向から力が加わっているか、その分布の状態を表したもの。この力の向きや分布が、地震の発生の仕方や断層の動き方を左右する重要な要因となる。[参照元へ戻る]

メカニズム解

地震がどのような断層運動によって発生したかを示す情報。断層の向きやすべり方向を表す。地震データの解析から求められ、地下の応力場の変化を知る手がかりとなる。[参照元へ戻る]

ミスフィット角

基準となる応力場から理論的に求められるすべり方向と、地震のメカニズム解から得られるすべり方向との角度差。この角度を用いることで、観測された地震が応力場とどの程度整合的に発生しているかを評価できる。本研究では、プレート境界の固着状態の変化をさぐる手がかりとして用いる。[参照元へ戻る]

スロースリップ

通常の地震のように急激にすべるのではなく、数日から数年かけてゆっくりと断層がすべる現象。地震波がほとんど発生しないため直接感じることはできないが、プレート境界の固着状態の変化を示す重要な現象であり、大地震との関係が注目されている。[参照元へ戻る]