Obliquity limit of megathrust earthquakes

技術要約：メガスラスト地震の斜行限界

問題提起
地球上で発生する最大規模の地震は、プレートが海溝に対して斜めに収束することが多い沈み込み帯のメガスラスト（巨大断層）で発生する。この斜め収束は、プレートの相対運動に海溝平行成分を生じさせ、これはメガスラスト自体の滑り、あるいは上盤プレート内の変形（具体的には横ずれ断層運動）のいずれかによって解消されなければならない。初期のモデルでは、歪みが完全に上盤の横ずれ断層へと分配される臨界的な収束斜行閾値が存在すると提案されていたが、近年の測地学的解析によれば、低斜行においても上盤の変形が発生しており、また斜行と前弧変形の関係はマージン（境界）によって大きく異なることが示されている。収束斜行、スラブの幾何学、メガスラストの滑り方向、および上盤の変形を結びつける定量的な枠組みが欠如していた。この欠如は、歪み蓄積量、地震学的カップリング、および地震の再来周期の正確な推定を妨げている。なぜなら、一般的な単純化された仮定（メガスラストの滑りは完全に海溝直交、あるいは完全に海溝平行であるとする仮定）は、実際の歪み蓄積を誤って表現してしまうからである。

手法
著者らは、収束およびメガスラストの滑りの斜行を定量化するために、3つのグローバルデータセットを組み合わせている。すなわち、地震のフォーカルメカニズムに関するGlobal Centroid Moment Tensor (GCMT) カタログ（1976–2020）、スラブの界面幾何学に関するSlab2モデル、およびプレート運動に関するGlobal Strain Rate Model (GSRM) である。各インターフェースのスラスト型地震について、局所的なスラブのダウンディップ（傾斜方向）方位に対する収束斜行（$\beta$）および地震滑り斜行（$\alpha$）を算出する。

観察された系統性を説明するために、著者らは力学的仕事最小化モデルを開発した。このモデルは、2つの端点となる変形構成において必要とされるテクトニクス的仕事量を比較する。

1. 完全分配型 (Fully Partitioned): 海溝平行方向の歪みがすべて上盤の横ずれ断層によって解放され、結果としてメガスラストの滑りは海溝直交となる（$\alpha = 0$）。
2. 非分配型 (Non-Partitioned): すべての斜め方向の歪みがメガスラストの滑りによって解放される（$\alpha = \beta$）。

モデルは、地震が結合したメガスラスト・上盤断層系における全テクトニクス的仕事を最小化するように蓄積された弾性歪みを解放すると仮定している。メガスラストと上盤横ずれ断層の間の有効せん断抵抗比（$R$）を定義することで、著者らは傾斜に依存する斜行限界（$\beta_{rb}$）の解析式を導出している。さらに、全仕事を最小化する最適滑り方向（$\alpha_{opt}$）を特定するための連続的な定式化も展開している。

この枠組みを適用するため、著者らは14のグローバルな沈み込み帯について、集団レベルの有効せん断抵抗比（$R^*$）を推定している。グリッドサーチを用いて、観測された「分配された」イベント（$\alpha < \beta$ となるもの）の最大割合がモデルと一致する領域に配置されるような $R^*$ の値を求めている。また、これらの知見を地震のb値から導出された独立した応力プロキシを用いて検証している。

主な結果

• グローバルな系統性: 全球的に、ほとんどのメガスラスト地震は局所的なプレート収束よりも滑りの斜行が小さく（$\alpha < \beta$）、純粋な海溝直交方向には滅多に滑らない。セグメント平均の滑り斜行は通常10度から30度の範囲にあり、純粋な直交滑りという一般的な仮定からは逸脱している。
• 斜行限界: データは、メガスラストの滑り斜行に傾斜依存の限界が存在することを支持している。解析モデルは、「分配された」レジーム（メガスラストの滑りが禁止される領域）が存在することを予測しており、そこでは収束斜行がスラブの傾斜と抵抗比 $R$ によって決定される限界値を超える。
• 地域的変動: 代表的な4つのマージン（スマトラ、アリューシャン、フィリピン、ケルマデック）の解析により、それぞれ異なる最適抵抗比（$R^*$）が明らかになった：スマトラ (1.74)、アリューシャン (1.41)、フィリピン (1.35)、ケルマデック (3.75)。これらの値は、局所的なメガスラストの強度や上盤の岩石種の違いを反映している。しかし、いずれの場合も、観測された滑り方向は、仕事最小化モデルによって予測される傾斜依存の最適滑り方向と一致している。
• 歪み分配: 評価された14のマージン全体で、解析された10,383件のメガスラスト地震の約68%（および $M_w \ge 7$ のイベントの80%以上）が、局所的なプレート収束よりも滑りの斜行が小さい。これは、相当部分の海溝平行方向の歪みが、メガスラストの滑りではなく上盤の変形によって解消されていることを示している。

意義と主張
本論文は、斜め収束を受けるメガスラストにおける歪み蓄積を推定するための力学的根拠を提供すると主張している。歪み分配に関する従来の閾値論的な見方を修正することで、著者らは、変形の移行（分配型から非分配型への移行）は収束斜行だけでなく、スラブの傾斜と断層系間の有効せん断抵抗比にも決定的に依存すると論じている。

著者らは、彼らの仕事最小化の枠組みが、なぜメガスラストの滑り方向が、完全に分配された状態と非分配の状態の間の中間的な方向になるのかを説明できると主張している。また、どちらかの極端なケース（純粋な直交滑り、または完全なプレート平行滑り）を仮定することは、歪み蓄積、地震学的カップリング、および再来周期の推定において重大なバイアスを導入すると主張している。例えば、カスカディア沈み込み帯において、最適な滑り方向ではなく、完全な収束方向または純粋な直交収束を仮定すると、再来周期の推定値が数十パーセント変化する可能性がある。

さらに、本論文は、この傾斜依存のメカニズムが、地質学的時間スケールにおける長期的な前弧の移動およびテレーンの移動に対する物理的な説明を提供し、極端な収束斜行を必要とせずに、地震スケールの歪み分配と大規模なテクトニクス輸送を結びつけることを示唆している。観測された滑り方向と単純なエネルギーモデルとの一致は、スラブの傾斜が、斜め沈み込みのテクトニクスにおいてこれまで過小評価されていた制御パラメータであることを示唆している。