2011年東北地震後、断層の固着が回復し日本海溝沿いでひずみ蓄積

14年間の観測で明らかになった断層の再固着

2011年のマグニチュード9.0の東北地震で破壊したプレート境界は、災害から約10年後には大部分で固着状態をほぼ取り戻していた。11月5日付の科学誌Scienceに掲載された研究で明らかになった。プレート同士が再び固着したことで、日本海溝の地震発生域の広範囲にわたり、ひずみが蓄積している。

国際研究チームは、14年間にわたる海底観測データに、陸上での地殻変動の観測と繰り返し地震の観測を組み合わせた。分析の結果、地震後に続いたゆっくりとしたすべりは約10年後にはほぼ収まり、固着状態は災害前に近い状態まで回復していたことが分かった。

東北大学災害科学国際研究所の准教授、冨田史章氏が筆頭著者と責任著者を務めた。この研究は、東北地方の地下で起きている大きな変化を明らかにした。深部の岩石は今も2011年の地震に伴う変動を続ける一方、プレート境界では将来の地震で解放されるエネルギーがすでに再び蓄積されている。

東北大学の11月6日の研究発表は、二つの過程が同時に進行していると説明している。次の地震がいつ、どの程度の規模で起きるかは分かっていない。

プレートの固着とは

日本海溝は日本の東北地方沖の太平洋沿岸に位置し、陸地を載せたプレートの下に、海洋プレートである太平洋プレートが沈み込んでいる。プレート境界は巨大な断層で、その両側の岩石が動く面だ。

プレートが動き続けていても、摩擦によって境界の一部が固着することがある。すると陸側のプレートが曲がり、変形して、弾性ひずみが蓄積する。ゆっくり圧縮されるばねを想像するとよい。動きが抑えられる間にエネルギーがたまっていく。

2011年の地震は、広い固着域が突然すべり、変形した地殻が元に戻るように動いて蓄積したひずみを解放したことで発生した。破壊の後も、境界の一部ではゆっくりとしたすべりが続いた。今回の研究は、そのすべりがどのように弱まり、断層が沈み込むプレートに再び固着したのかを追跡した。

海底下の動きをどう測定したか

研究者らは2011年から2025年にかけて、東北沖の海底26地点で変化を追跡した。東北大学と海上保安庁が実施した観測を組み合わせた。こうした沖合の測定により、陸上の観測機器だけでは届かない断層に近い場所を調べることができた。

GNSS-Aと呼ばれるこの手法は、衛星測位と水中音響を組み合わせる。GNSSは全球測位衛星システムの略称だ。衛星で調査船など海面上の観測点の位置を決める一方、音響信号を使って海底の観測機器に対する位置を測定する。

観測を繰り返すことで、海底の観測機器の位置に生じるわずかな変化を捉える。衛星測位信号は、海水中を通って海底の機器を直接測位できるほどには伝わらないため、水中部分の測定には音響を用いる。

研究チームは、こうした観測データを、陸上で記録された地殻変動や繰り返し地震の観測とあわせて分析した。さらに数値モデルを用いて、測定された動きと、プレート境界や地下深部で進む過程との関係を調べた。

地面の動きを生む3つの過程

日本の地殻は2011年以降、いくつもの要因で動き続けている。中心的な課題は、地震後のゆっくりとしたすべり、深部の岩石の緩やかな変形、プレート境界の再固着という3つの過程を切り分けることだった。

余効すべりとは、大地震の後、断層域の周辺で続くゆっくりとした動きだ。本震の破壊とは異なり、同じような破壊的揺れや津波を伴わずに進行する。地面や海底の位置が徐々に変化するのを観測機器で捉える。余効すべりが起きている場所では、ひずみが解放されている。

粘弾性緩和は、より深い場所で起きる。マントルの岩石は急な力に弾性的に反応する一方、長い時間をかけてゆっくり変形することもある。巨大地震によって地下にかかる力が変化すると、この緩やかな調整により、広い範囲の地表が何年にもわたって動くことがある。

固着は余効すべりとは逆に働く。境界で摩擦が動きを抑え、再びひずみを蓄積させる。今回の分析では、マントルの緩和が続いていたにもかかわらず、2011年から約10年後には余効すべりがほぼ終わっていたことが分かった。したがって、地表の動きには、再びエネルギーを蓄える断層と、今も調整を続ける深部の岩石、両方の影響が表れている。

地震発生から再固着までの経過

固着の回復は、ある一時点で起きたのではなく、長年の観測を通じて明らかになった。主な日付をたどると、地震、先行するモデル研究、そして今回の論文が分析した長期記録の関係が分かる。

• 2011年：マグニチュード9.0の東北地震が、東北地方沖のプレート境界を破壊した。
• 2011～2025年：研究者らは海底26地点で動きを追跡し、14年間にわたる記録を構築した。
• 地震から約10年後：今回の分析では、余効すべりがほぼ終わり、固着状態が2011年以前に近い状態まで回復した時期とされる。
• 2023年1月：地震後最初の7年間を調べた先行研究が、余効すべりの減衰と固着域の拡大を報告した。
• 2026年11月5日：Scienceが今回の研究と関連する展望論文を掲載した。
• 2026年11月6日：東北大学が研究成果を説明する発表を公開した。

約10年という期間は、モデルが固着の回復時期として示したおおよその目安だ。観測はその後も続き、研究者らはより長い期間にわたって変化を調べることができた。

先行する7年間の観測で分かっていたこと

Physics of the Earth and Planetary Interiorsに掲載された2023年1月の研究は、ひずみの蓄積が徐々に再開する兆候をすでに捉えていた。日本のGEONET衛星測位ネットワークの陸上観測点276カ所と、沖合の音響測位観測を組み合わせ、約7年間の地殻変動を分析した。

同研究は、余効すべりの量と範囲が、主に地震後最初の2年間に縮小したことを明らかにした。その後、固着域は徐々に拡大した。著者らは、プレート同士が結合し、弾性ひずみが蓄積する大地震の間の期間へと、境界が戻りつつあると結論づけた。

今回の研究は観測期間を7年から14年へと2倍に延ばした。先行研究は数年のうちに始まった変化を示し、より長期にわたる今回の分析は、余効すべりがほぼ終わり、固着が回復した時期を約10年後と位置づけた。これらの知見は、同じ回復過程の異なる段階を示している。

深部の岩石が重要な理由

2023年の分析は、地表の観測結果を解釈する際にマントルを考慮しなければならない理由を示した。調査期間中、陸上観測点は東向きに動いた一方、大半の沖合観測点は西向きに動いた。東岸の一部も約10センチまで隆起した。

こうした動きを再現するため、研究者らは、ゆっくりした変形への抵抗力が温度や岩石の変形速度によってどう変わるかをモデル化した。最も適合したモデルには、沈み込むプレートの上にある、比較的低温で硬いマントルの一角（コールドノーズと呼ばれる）と、沈み込むプレートの下にある、より変形しやすい層が含まれていた。

研究者らはマントルの緩和による動きを計算し、観測された動きから差し引いた。次に、残った信号を使って余効すべりと固着を推定した。この手法により、海底の観測機器が特定の方向へ動いていても、地下で起きていることを考慮せずには解釈できない理由が説明できる。

2026年の研究でも、複数種類の観測結果を分析するために数値モデルが使われた。中心的な発見は、マントルが以前の破壊に対するはるかに遅い反応を続ける一方で、境界ではひずみの蓄積が再開しうるということだ。

地震サイクルをより詳しく見る

今回の論文のタイトルは「巨大な2011年東北地震後の急速な巨大逆断層の再固着を海底測地が明らかに」だ。測地学とは地球の形状や動きを測る学問で、巨大逆断層（メガスラスト）とは、一方の構造プレートが他方の下に沈み込む大断層を指す。

付随するScienceの展望論文の著者であるケイ・M・ジョンソン氏は、地震が繰り返し起こる仕組みを説明する弾性反発理論の枠組みに沿って、今回の知見を位置づけた。この理論では、摩擦が断層を固着させ、周囲の岩石が変形し、その後の破壊で蓄積した弾性ひずみが解放される。ジョンソン氏は今回の研究の意義について、次のように述べた。

この研究成果は、巨大な破壊の後に地震サイクルがどのように新たに始まるのかを、直接捉えたものだ

研究には、東北大学、海洋研究開発機構、東京大学地震研究所、ビクトリア大学、カナダ地質調査所、および東北大学とJAMSTECの共同研究所WPI-AIMECが参加した。

沿岸地域にとっての意味

日本の東北地方の太平洋沿岸地域にとって、実際的なメッセージは、プレート境界がひずみを蓄積しうる状態に戻ったということだ。2011年の災害後に続く緩やかな調整も、地下では新たなひずみの蓄積と並行して続いている。

日本海溝沿いの巨大地震は、およそ500～900年の間隔で繰り返すとされる。研究チームはまた、海外ではマグニチュード9に近い地震が約70年の間隔で起きた事例にも言及した。これらの間隔は地震の再来についてのものであり、今回の発見は破壊後に断層がどれほど速く再固着するかに関するものだ。

海底観測を続けることで、固着域がどこで変化するのか、境界がどのように変化するのかを研究者が追跡できる。研究チームは、将来の大地震や津波の評価にはこうした監視が不可欠だとしている。住民にとって具体的なメッセージは、地震と津波への備えを続けることだ。科学者らは、数十年、さらに長い時間をかけて進む過程を観測している。

要点

• 2026年11月5日付のScience掲載論文は、2011年の東北地震の発生域で、広い範囲にわたり固着が再開したことを明らかにした。
• 分析では、海底26地点の測定を含む14年間の観測データに、陸上の地殻変動と繰り返し地震の観測を組み合わせた。
• 2011年から約10年後には、余効すべりがほぼ終わり、固着状態が災害前に近い状態まで回復していた。
• 深部のマントルの岩石が地震後の調整を続ける一方で、プレート境界ではひずみが蓄積している。
• 7年間の観測を調べた先行研究では、余効すべりの減衰と固着域の段階的な拡大が確認されていた。
• 沖合での観測を継続し、地震と津波への備えを続けることが重要な課題となる。