東北沖地震に伴い深部流体が マントルから海溝までプレート境界を迅速に移動した

2014年1月16日

佐野 有司　（東京大学大気海洋研究所）
長谷川 昭　（東北大学大学院理学研究科）

マグニチュード9を超える巨大地震の発生には、上盤側の大陸プレートと下盤側の海洋プレートの境界面に存在する流体が重要な役割を果たしていると指摘されている。2011年3月11日に発生した東北地方太平洋沖地震（以下、東北沖地震）はオホーツクプレートと沈み込む太平洋プレートの境界で発生し、これまでその発生メカニズムを突き止めようとする研究がなされてきた。しかし、海水、間隙水や堆積物に含まれるガスの量を比較するなどして、プレート境界面における深部流体の地球化学的な性質を調べた研究はほとんど行われてこなかった。
東京大学大気海洋研究所の佐野有司教授らの研究グループは、東北沖地震の約一か月後に震源域近くの海底で採取した海水中にマントル起源のヘリウム同位体異常（注3）を海洋研究開発機構と共同で発見した。この異常は地震に伴って深部の高圧流体がマントルから海溝域の海底までプレート境界の破断面（注4）を一気に移動したことを示唆する（図1）。この移動速度は、1日に4kmと計算され、これまで計算された地殻内の流体の移動速度の中でも最も早いものと一致した。このように流体が迅速に移動した原因として、プレート境界の間隙流体圧（注5）が地震の発生と関連して異常に上昇したためと推察された。また、この上昇した間隙流体圧が東北沖地震の引き金になった可能性がある。
本研究のように海溝付近における海洋底層水の地球化学的な性質を調べることは、巨大地震の発生メカニズムを明らかにする上で重要である。

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発表者

佐野 有司　（東京大学大気海洋研究所 海洋化学部門 教授）
長谷川 昭　（東北大学大学院理学研究科 地震・噴火予知研究観測センター 名誉教授）

発表のポイント

◆2011年に発生した東北沖地震では沈み込み帯のプレート境界面を深部流体（注1）がマントルから海溝まで迅速に移動した可能性を示した。
◆深部流体が異常に高圧になり、それが東北沖地震の引き金になった可能性がある。
◆マントル起源のヘリウムが火山活動のない前弧（注2）で突発的に放出された世界で初めての例である。

発表内容

地球上で起きるマグニチュード9を超える巨大地震の大部分はプレート収束域（注6）で観測される。これらの地震の発生に関して、上盤側の大陸プレートと下盤側の海洋プレートの境界面に存在する流体が重要な役割を果たしているとの指摘がある。この深部流体はプレート境界の間隙流体圧を高め、結果としてすべり面と垂直の法線応力（注7）を低下させて地震発生の引き金となる可能性がある。

2011年3月11日に発生した東北地方太平洋沖地震（以下、東北沖地震）はオホーツクプレートと沈み込む太平洋プレートの境界で発生した。破壊された断層面は日本海溝から日本列島下のくさび型マントルまで広がった可能性がある（注8）。また、この地震ではさまざまな地球物理学及び地質学的研究により破断面の間隙流体圧の上昇が示唆されている。しかしこの深部流体の地球化学的性質はほとんど研究されていない。ヘリウムの同位体比（³He/⁴He） は、一般にマントル物質で高く、地殻を構成する物質では低い。従ってヘリウム同位体比の変化を調べることによって、プレート境界の流体の起源を明らかにす ることができる。震源域のある東北日本の前弧では、海底堆積物およびその間隙水で観測されるヘリウム同位体比は海水の値より低く、通常は地殻物質の値を示 す。また、沈み込む太平洋プレートも年代効果による低下で、海水の値より低いと推定される。

東京大学大気海洋研究所の佐野有司教授らの研究グループは、海洋研究開発機構と共同で東北沖地震の震源域近くの地球化学的状態を調べるため、地震の約1か月後の2011年4月に図2にある4地点（N1, N2, N3, R）で深度1779mから5699mの底層海水を採取した（注9）。 また、同年の6月にも同様に6地点（2, 3, 5, 7, 8, DT99）で海水試料を採取し、8月には海底堆積物と間隙水を採取した。試料を研究室に持ち帰り、海水試料や間隙水についてはそれらに含まれるヘリウムと ネオンのガスを抽出し、精製した。ヘリウム/ネオン比とヘリウム同位体比を希ガス用質量分析計（注10）で測定した。堆積物試料については、堆積物を真空で加熱し、ガスを精製した後に希ガス用質量分析計を用いてヘリウム/ネオン比とヘリウム同位体比を測定した。

ヘリウム同位体比の分析結果を大気の値(1.4×10^-6)で規格化した過剰³He（ヘリウム）として％で図3に示す。図3(a)は地震前の海面から海底までの平均的な過剰³Heの値を黒丸で、地震後の値を赤丸で表した。地震前の値は、2007年5月から2010年6月までに行われた白鳳丸と淡青丸（注11）の研究航海で採取・分析された69個のデータに基づいている。過剰³Heは海面から深くなるにつれ増加し、約2000mの深さで最大となり、海底に向かって減少する典型的な北西太平洋の分布を呈している。一方、地震後のデータはわずかであるが過剰³Heが増加している。図3(b)～(e)は試料が採取された各地点での過剰³He分布の拡大図である。図中の灰色の影は地震前の平均値の誤差で、すべての地点で過剰³Heは地震前と等しいか、あるいは増加しており、特に海底に向かって増大する傾向が見られる。これらの結果は、地震後にマントル起源のヘリウムが海底から海水に供給されたことを示唆する。

こ れまでの研究によると、非火山性の東北日本前弧では、ヘリウム同位体比は海水の値より低い地殻起源の値を持つとされている。分析した震源域の海底堆積物の 間隙水は地殻起源の値を示し1980年代の分析値と一致した。また、堆積物自体も海水より低い値を示した。従って、堆積物や間隙水からの³Heの付加はヘリウム同位体比の上昇の原因として説明することはできない。地震後の津波による海水の上下混合は、2,000m以下の海水では下層部の上昇をもたらすが、図3(b)～(e)のように³He分布の逆転を起こす理由としては考えにくい。したがって、ヘリウム同位体比の上昇はプレート境界面を迅速に通過した高圧の深部流体によりマントルからもたらされた可能性が高い（図1と図4）。 日本列島下のくさび型マントルから日本海溝までの距離は約150kmである。研究グループが底層水のヘリウム異常を地震発生から35日後に発見したことと 合わせて、流体の移動速度は1日に約4kmと推定された。この速度は通常の地下流体移動としては非常に大きいが、2000年の三宅島噴火で観測されたマグ マ性流体の移動速度や東北沖地震の前震の移動速度と一致した。異常に高圧になった深部流体が地震により作られた透水性の高い破断面を迅速に通過した結果と 示唆される。この異常に高圧な深部流体が、プレート境界面の強度を低下させ、東北沖地震発生の原因となった可能性が高い。

本研究は大陸プレートと海洋プレートの境界面が流体移動の通路となった最初の観測例であり、海溝域の低層水や冷湧水の定期的なヘリウム観測は、甚大な被害をもたらす巨大地震発生のメカニズムを解明するのに役立つと期待される。

発表雑誌

雑誌名：Nature Communications　1月16日オンライン版掲載
論文タイトル：Helium anomalies suggest a fluid pathway from mantle to trench during the 2011 Tohoku-oki earthquake
著 者：Yuji Sano*, Takahiro Hara, Naoto Takahata, Shinsuke Kawagucci, Makio Honda, Yoshiro Nishio, Wataru Tanikawa, Akira Hasegawa, and Keiko Hattori
DOI番号：10.1038/ncomms4084

問い合わせ先

東京大学大気海洋研究所海洋化学部門　教授　佐野有司　
　　電話04-7136-6100　電子メール ysano★aori.u-tokyo.ac.jp
海洋研究開発機構　広報部　報道課　課長　菊地一成
　　電話 046-867-9198、電子メール　press★jamstec.go.jp
東北大学大学院理学研究科　長谷川昭
　　電話022-225-1950、電子メール hasegawa★aob.gp.tohoku.ac.jp

E-mailはアドレスの「★」を「@」に変えてお送り下さい

用語解説

注1 前弧：深部流体：地下深くに存在する流体で、プレートが沈み込む時に脱水された水などのこと。

注2 前弧：プレートの境界域に形成された列島（日本列島も含まれる）において海溝と火山フロントの間にある地域。

注3 ヘリウム同位体異常：一般にマントル起源のヘリウムの同位体比（³He/⁴He）は高く、地殻を構成する物質に比べて有意に高い（佐野、高橋、 2013年、地球化学、共立出版）。このことから、東北沖地震後に震源域の底層水で発見されたヘリウム同位体比の上昇が観測されたのは、マントル起源の深部流体の寄与と考えられる。

注4 プレート境界の破断面：地震によって破壊されたプレート境界面。

注5 間隙流体圧：プレート境界に存在する流体の圧力。

注6 プレート収束域：異なるプレートが接する領域のうちプレート同士が近づいていく領域。日本近海の海溝がこれにあたる。

注7 法線応力：プレート面とは垂直な方向にかかる力。

注8 東北沖地震により破壊された断層面：地震波の精密な観測から、東北沖地震により破壊された断層面の大きさが推定されている。たとえばIde et al. (2011) Shallow Dynamic Overshoot and Energetic Deep Rupture in the 2011 M_w 9.0 Tohoku-Oki Earthquake.  Science 332巻，1426-1429ページ。 

注9 同試料：「東北地方太平洋沖地震による深海の化学環境および微生物生態系の変化」として2012年2月17日にJAMSTECよりプレスリリースしている。http://www.jamstec.go.jp/j/about/press_release/20120217/

注10 希ガス用質量分析計：ヘリウムなどの希ガスの同位体が測定できる分析装置。分析法の詳細は Sano et al. (2008) Accurate measurement of atmospheric helium isotopes.  Analytical Sciences 24巻、521-525ページを参照。今回の研究では、分析誤差はおのおの0.4%と3%である。

注11 白鳳丸と淡青丸：白鳳丸は全長100メートル、総トン数3,991トンある大型の研究船で、2004年度から東京大学大気海洋研究所と海洋研究開発機構が協 力して研究船の運航にあたっている。淡青丸は全長51メートル、総トン数610トンある中型の研究船で、2013年1月31日に退役した。
白鳳丸　http://www.aori.u-tokyo.ac.jp/coop/hakuhomaru.html
淡青丸　http://www.aori.u-tokyo.ac.jp/coop/tanseimaru.html

添付資料

図1：東北沖地震に伴う深部流体の移動

図2：海洋底層水の採取地点

図3：北西太平洋の海水の過剰3Heの深度プロファイル。(a):全体図、 (b)、(c)、(d)、(e)：試料を採取した4地点R、N1、N2、N3における深度プロファイル。

図4：東北沖地震に伴う深部流体の移動経路と試料採取点の詳細図