東北大学、海洋研究開発機構（JAMSTEC）、東京大学地震研究所などの国際共同研究チームは、2011年3月の東北地方太平洋沖地震（M9.0）の後に緩んでいた日本海溝沿いのプレート境界の「固着」が、地震後約10年で地震前の状態まで回復したと発表した。東北沖の26か所の海底観測点で14年間にわたって測った地殻変動を、陸上の観測などと合わせて数値モデルで分析した。チームは、プレート境界ではすでに次の地震に向けたエネルギーの蓄積が再開していると説明している。成果は11月5日、米科学誌「Science」に掲載された。東北大学は5日付、JAMSTECは6日付で発表文を公表した。
プレートの「固着」とは何か
日本海溝では、海のプレートである太平洋プレートが、陸のプレートの下へ沈み込んでいる。発表文の用語説明によると、両者の境界は強い摩擦でぴったりと密着し、海のプレートが陸のプレートを引きずり込みながら、ひずみをためていく。この状態を「固着」と呼ぶ。固着の強い領域では長い期間をかけて大きなひずみがたまり、それが一気に解放されると巨大地震が起きると考えられている。
2011年の地震では、このプレート境界が広い範囲で一気にずれた。発表文の図の説明では、断層のすべりが10メートル以上に達した領域がある。大地震の直後は、破壊や摩擦熱で固着がいったん失われる。その後、本震で壊れた領域の周りがゆっくりとすべり続ける「余効すべり」が起きる。余効すべりは強い揺れや津波を出さないが、地震前にたまったひずみを解放している状態で、固着とは逆の現象にあたる。
さらに地下深くのマントルでは、地震で急に加わった力を逃がすように、岩石が長い時間をかけてゆっくり変形する「粘弾性緩和」が進む。余効すべり、粘弾性緩和、固着の三つが同時に地面を動かすため、陸上の観測だけでは、震源域の真上でプレート境界がどこまで固着を取り戻したのかを見分けにくい。チームは、判定には「震源域の直上に位置する海底での精密な測地観測」が欠かせなかったとしている。
26か所の海底局を14年間測る
チームが使ったのは「GNSS-A」と呼ぶ海底地殻変動の観測方法だ。海底に音響測距装置（海底局）を3〜6台置いて1つの観測点とし、その真上の海面に観測船や無人機を浮かべる。海面の位置は衛星測位（GNSS）で決め、海面と海底局の間を音波が伝わる時間から海底局の位置を割り出す。これを繰り返して、海底がどの方向へどれだけ動いたかを求める。
東北大学は東北沖の20地点に観測点を設けて維持してきた。2019年以降は、自律型の水上航行機「ウェーブグライダー」を使い、観測にかかる費用を大幅に減らしたという。これに海上保安庁が運用する6地点の観測データを加え、合計26地点で2011年から2025年までに得た14年分のデータを解析した。
海底のデータに加え、国土地理院の電子基準点（GEONET）による陸上の観測と、プレート境界で同じ場所が繰り返しずれて起きる小さな地震（繰り返し地震）から推定した断層のすべりの速さも使った。これらを、弾性のプレートや粘弾性のマントルなど地球内部の構造を組み込んだ3次元の数値シミュレーションと突き合わせ、地震後の地殻変動の仕組みを検証した。研究にはカナダのヴィクトリア大学とカナダ地質調査所も加わった。
福島・茨城沖で動きの向きが逆転
地震前の東北地方では、プレート間の固着によって、陸上の観測点も海底の観測点も年におよそ8センチ以下の速さで西北西へ動いていた。地震の後はこの様子が一変した。陸上の観測点は東南東へ動き、海域の観測点は地震前より速く西北西へ動くという複雑な動きになった。
解析の結果、チームは三つの点を示した。一つ目は、2011年に大きくずれた範囲の周りで、プレート境界の浅い部分の余効すべりが2021年ごろまでにほぼ止まったことだ。余効すべりにつられて増えていた繰り返し地震の回数も、2011年より前の落ち着いた水準まで下がった。
二つ目は、粘弾性緩和がまだ続いていることだ。プレート境界の深い部分では、繰り返し地震が2011年以前より多く起きており、ゆっくりとした断層のすべり（クリープ）が続いているとみられる。チームは、このクリープを、マントルの粘弾性緩和で生じた力の変化がプレート境界に沿ったすべりとして現れたものと考えている。
三つ目は、浅い部分の固着が戻ったことだ。超巨大地震を起こす領域であるプレート境界の浅い部分の固着の状態は、2011年の地震前とほぼ同じだと分かった。2011年に大きく壊れた領域のほとんどでは、地震から間もなく次の地震に向けたエネルギーの蓄積が始まり、その沖合で余効すべりが起きていた領域も、10年程度かけて固着を取り戻したという。
固着の回復を示す根拠の一つは、福島県から茨城県にかけての沖合の観測点の動きだ。地震直後から2021年までは東南東〜南東へ動いていたが、2021年以降は西北西〜北西へと向きが逆になった。チームは、余効すべりが止まっただけでなく、固着が回復したことを強く示すものだとしている。発表文は、超巨大地震の後にプレート境界が再び固着する過程の全体を「世界で初めて詳細に描き出しました」と記している。
政府の長期評価は「30年以内ほぼ0％」
今回の成果は、プレート境界がいまどういう状態にあるかを観測で示したもので、次の地震がいつ起きるかを予測したものではない。地震の起きやすさの公式な評価は、政府の地震調査研究推進本部（地震本部）の地震調査委員会が「長期評価」として出している。
地震本部が2026年1月1日を基準日として算定した最新の値では、2011年の地震と同じ型の「超巨大地震（東北地方太平洋沖型、M9.0程度）」が今後30年以内に起きる確率は「ほぼ0％」、300年以内でも「ほぼ0％〜5％」だ。平均発生間隔は約550〜600年とされ、前回からの経過時間は14.8年にとどまる。一方、同じ日本海溝沿いでも、ひとまわり小さい地震の確率は高い。
| 日本海溝沿いの主な地震 | 規模 | 30年以内の発生確率 | ランク |
|---|---|---|---|
| 超巨大地震（東北地方太平洋沖型） | M9.0程度 | ほぼ0％ | Ⅰ |
| 青森県東方沖及び岩手県沖北部のプレート間巨大地震 | M7.9程度 | 20％〜40％ | Ⅲ（高い） |
| 宮城県沖の陸寄りの地震 | M7.4前後 | 80％〜90％程度以上 | Ⅲ（高い） |
地震本部のランクは、30年以内の確率が26％以上を「Ⅲランク（高い）」、3％未満を「Ⅰランク」とする。地震本部は、確率値が小さく見えても、地震が起きないことを意味するわけではないと注意を促している。2019年2月に公表した日本海溝沿いの長期評価では、津波堆積物の調査をもとに超巨大地震を評価し直している。茨城県沖のように、M7級の地震の30年以内の確率が「80％程度」と評価されている海域もある（茨城県沖でM5.9、宮城・福島・茨城・栃木で震度3 同じ海域で7日にもM5.6）。
「短い間隔での再来も否定できない」
チームは発表文で、地球が粘弾性体であるため、次の地震に必要なひずみのエネルギーの大部分は、地震後の早い時期を含む地震の周期の前半に効率よくたまることが、これまでの数値シミュレーションで示唆されていたと説明する。今回の「急速な再固着」は、超巨大地震の後の早い時期にプレート境界がエネルギーをためる力を取り戻すことを観測で示したものだとしている。
そのうえで、日本海溝の超巨大地震の平均的な再来間隔について「約500〜900年とされています」と記し、カムチャツカなど他の沈み込み帯の例を挙げて、「通常のサイクルより短い間隔で大地震が再来する可能性も否定できません」と述べている。発表文の示す間隔は、地震本部の長期評価の約550〜600年とは幅が異なる。
チームは、高い精度の海底地殻変動観測を続け、プレート境界の固着の推移を監視し続けることが、将来の地震と津波の防災ハザード評価の精度を上げるのに不可欠だとしている。研究は文部科学省の「災害の軽減に貢献するための地震火山観測研究計画」や日本学術振興会の科学研究費助成事業の支援を受けた。論文の責任著者は東北大学災害科学国際研究所の富田史章助教。
震源域の真上の海底での14年間の観測は、2011年に大きくずれた東北沖のプレート境界で、次の地震に向けたひずみの蓄積がすでに始まっていることを示した。