Subsurface fault geometries in inland Hokkaido from geometric clustering of dense hypocenter distributions

地球の表面の下では、地面は固い、途切れることのない殻ではありません。むしろ、テクトニクプレートが互いに擦れ合う「断層」と呼ばれる巨大な割れ目によって、分断されています。これらの割れ目に沿ってストレス（応力）が蓄積し、それがついに解放されるとき、その結果として地震が発生します。どこで、どの程度の強さで地面が揺れるかを予測しようとする科学者にとって、これら隠れた割れ目の正確な形状と方向を知ることは不可見欠です。しかし、地質学者が地表に現れている断層をマッピングできる一方で、危険な地震の大部分は、地表に決して到達しない「ブラインド断層（隠れた断層）」で発生します。これらの目に見えない構造は地下深くにあるため、衛星画像や地表調査のような従来のツールでは捉えることがほぼ不可能です。これらの隠れた幾何学的構造の明確なイメージがなければ、地殻の中でストレスがどのように移動しているのかを理解したり、将来の災害のリスクを正確に評価したりすることは困難です。

日本の北部の島、北海道において、この課題は特に深刻です。この地域は、いくつかの巨大なテクトニクプレートが衝突し、互いに滑り合う複雑な接合部に位置しています。この構造活動は頻繁に地震を引き起こしますが、それらの原因となる断層の多くは、土壌の下深くに埋もれているか、厚い雪や植生によって隠されているため、未知のまま残っています。このパズルを解くために、研究チームは地震そのものに目を向けました。過去20年間に発生した数千もの小さな震動の正確な位置を分析することで、彼らはそれらを引き起こした断層の三次元的な形状を再構築することができました。彼らの研究は、北海道の内陸部全域におけるこれら隠れた構造の最初の包括的なマップを提供し、地表のマップが示唆していたものとは大きく異なる、深く急峻な割れ目の風景を明らかにしました。

研究者たちは、極めて敏感な耳で地球の音を聞くことから始めました。彼らは北海道全域に配置された高密度な地震計ネットワークから連続的な記録を集め、2004年から2024年までのあらゆる振動を捉えました。地震の微かな信号を認識するように訓練された高度なコンピュータモデルを用いて、従来の方法では見逃されていた何十万もの地震イベントを特定しました。その多くは人間には感じ取れないほど小さな震動でしたが、それらが集まることで、地面が破壊された場所を示す詳細な点の雲を形成しました。研究チームは、地震波が異なる種類の岩石を通る際に速度が異なるという事実を補正することで、各イベントの位置を極めて精密に精査しました。このプロセスにより、地震が発生した場所の非常に正確なマップが得られ、地震活動を、目に見えない断層線の輝く輪郭へと変えることに成功しました。

この高密度な地震発生位置の雲を手に入れた後、チームは断層を表す平面を見つけ出すための新しい手法を適用しました。彼らは、地震発生位置の集合体を、それらが滑った割れ目の形に自然に落ち着く「塵の雲」のように扱い、点がどのように集まっているかのパターンを探りました。これらのクラスターの向きを分析することで、断лоの方向と傾斜を決定することができました。その結果、北海道内陸部における184の明確な矩形の断層セグメントの再構築が行われました。これらの知見は、この地域が急傾斜の高角断層によって支配されており、そのほとんどが深さ6キロメートルから12キロメートルの間に位置していることを明らかにしました。この深さは重要です。なぜなら、これは地震が地殻の上部、つまり岩石が流れるのではなく破壊される地球内部の脆い層の中に位置していることを意味するからです。

彼らが作成したマップは、島を形作るテクトニクの力を明確に物語っています。北海道中央部では、断層は南北に長い線を描いており、これは二つの主要な地質学的領域が衝突している境界と完璧に一致しています。この衝突帯は「日高衝突帯」として知られ、千島弧が東北日本弧に対して押し寄せている場所です。研究者たちは、このエリアの断層が急傾斜で整然としていることを発見しました。これは、地殻が非常に特定的かつ予測可能な方法で押し潰され、破壊されていることを示唆しています。一方、東北海道ではパターンが変わります。ここでは、断層は北東から南西へと延びており、沈み込む太平洋プレートによって横方向に押し出されている地殻の破片の動きを反映しています。これらの向きは、より広範なプレートの動きと一致しており、隠れた断層が地域の地質を駆動する力に直接反応していることを裏付けています。

最も驚くべき発見の一つは、異なるエリアにおける断層の深さでした。ほとんどの地震活動は上部地殻で発生していましたが、研究者たちは、中央北海道の南部においてのみ、20キロメートルを下回る深い断層が存在することを発見しました。このエリアは、テクトニク弧の衝突によって岩石が積み重なった、地殻の最も厚い部分に対応しています。対照的に、北部および西部の火山地域では、非常に浅い断層が見られました。これはおそらく、マグマや熱水による熱が岩石を弱め、深い亀裂の形成を防いでいるためです。また、本研究は、断層パターンが複雑で定義が困難な領域、例えば、地殻のゆっくりとしたクリープ運動（蠕動運動）が混沌とした混合状の破砕を生み出している可能性のある北海道の最北端についても指摘しています。

新しいマップの信頼性を検証するために、研究者たちは、再構築した断層を、過去20年間にこの地域で発生した8つの主要な地震の破壊パターンと比較しました。その結果、6つのイベントにおいて、特定された断層が実際の破壊面と驚くほど正確に一致し、その差はわずか数度であったことが分かりました。これには、2018年の東部胆振での壊滅的な地震も含まれており、彼らのモデルは、その災害を引き起こした急傾斜で東側に傾いた断層を正しく特定しました。この一致は、大規模な地震が発生する前であっても、彼らの手法が断層の幾何学的形状を成功裏に明らかにできるという自信を科学者に与えます。また、彼らがマップ化した隠れた断層が、将来の地震を引き起こす可能性が高いものであることも示唆しています。

研究では、現在のストレス条件下でこれらの断層が再び滑る可能性についても調査しました。各断層に作用する力を計算することで、研究者たちは、中央の衝突境界に沿った急傾斜の断層が、破壊するのに最適な状態にあること、つまり高いストレス下にあり、破壊する準備ができていることを発見しました。対照的に、北東および南西の火山鎖に沿って走る断層は、滑る傾向がはるかに低いことが示されました。これは、これらの火山地域においては、地下流体の高圧やストレス場の変化といった局所的な条件が、断層の破壊を防いでいるか、あるいは断層の挙動を変えていることを示唆しています。この区別は、どの部分が即時の破壊に対して最も脆弱であるかを特定する上で、災害評価において極めて重要です。

この新しいマップの成功にもかかわらず、研究者たちはその限界も認めています。この手法は、高密度の地震活動の存在に完全に依存しているため、石狩低地や十勝平野のように地震が少ない場所では、断層は見えないままとなります。これは、マップが島の広大な部分をカバーしている一方で、まだすべての断層系を示しているわけではないことを意味します。さらに、断層が平坦で矩形の平面であるという仮定は簡略化であり、実際には断層はしばしば曲線的で複雑です。しかし、研究者たちは、このアプローチが第一近似としての確かな推定を提供し、以前は達成不可能であったレベルの詳細を実現していると主張しています。地球の目に見えない震動を明確な幾何学的イメージへと変えることで、この研究は北海道における地震リスクを理解するための新たな基礎を提供し、世界中の同様のテクトニク活動地域における隠れた構造のマッピング方法のモデルを提示しています。