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Index 第一部（一章 二章 三章） 第二部（一章 二章 三章 四章）
二章 海溝型巨大地震と津波発生のメカニズム
1 今回の地震の規模 top
三陸沿岸は津波の常襲地区です。明治以降、
①一八九六年（明治二九年）の明治三陸地震大津波マグニチュード（Ｍ）八クラス、最大遡上高三八・二メートル、
②一九三二年（昭和八年）の昭和三陸地震津波Ｍ八・一、最大遡上高二三メートル、
③一九六〇年（昭和三五年）チリ地震津波Ｍ九・五、最大遡上高六・三メートル、と二回の巨大津波に襲われています。
（出典：「地震調査研究推進本部」）
そして今回、東北地方太平洋沖地震が
④二〇一一年（平成二三年）三月十一日一四時四六分に発生し、巨大津波に襲われました。
「五分前後かけて三つの地震が連続して発生」（気象庁地震予知情報課長談）し、震源域は岩手県沖から茨城県沖までの南北約五〇〇キロメートル、東西約二〇〇キロメートルに及びました。
マグニチュード九・〇、一九〇〇年以降に世界で発生した地震の中で四番目の規模でした。
場所によっては波高一〇メートル以上、最大遡上高四〇・五メートルにも上る大津波が発生し、浸水面積は、青森から福島までの東北四県で合計五六一平方キロ（二〇一―・四・一八国土地理院発表）に及びました。
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今回の東北地方太平洋沖地震大津波は、明治三陸地震大津波や昭和三陸地震津波より大きく、約一一〇〇年前の八六九年（貞観十一年）に、三陸沿岸から東北地方南部沿岸に巨大津波が押し寄せた貞観地震津波に匹敵します。
国土地理院、海上保安庁海洋情報部が公表した地殻変動の資料を見てみましょう。（口絵図3参照）
この地震によって東北の太平洋岸が東南東へ移動して沈降し、日本海溝に近い海底は東南東へ移動して隆起しました。
宮城県石巻市の牡鹿では東南東方向へ約五・三メートル動いて、約一・二メートル沈下し、南三陸町の志津川で〇・七五メートル沈下、石巻市の河北で六七・四三センチメートル沈下、東松島市の矢本で五八・八四センチメートル沈下、相馬市の相馬でも三七・一五センチメートル沈下しました。
一方、震源のほぼ真中に位置する宮城県沖の海底基準点（宮城沖1）は東南東方向へ二四メートル移動して約三メートル隆起しました。
国土地理院が公表した電子基準点（ＧＰＳ連続観測点）のデータを元に上下方向の変動を推定した資料を見てみましよう。（口絵図4参照）
三陸沿岸から茨城沿岸にかけて南北約五〇〇キロメートル、東西約二〇〇キロメートルの広範囲の地盤が隆起、沈降しています。
隆起したのは日本海溝近くの海底で、沈降したのは三陸沿岸、福島沿岸、茨城沿岸に近い海底です。
長面の地盤沈下もこの地殻変動によって生じました。
そして巨大津波もこの地殻変動によって生じたのです。
2 地殻変動の原因 top
なぜこんなにも広範囲に地殻変動が起きたのでしょう。
日本周辺には、ユーラシアプレート、北米プレート、太平洋プレート、フィリピン海プレートの四枚のプレートがあります。
北米プレートの上に東日本が乗っています。
四枚のプレートはマントル対流によって、互いに押合っています。
北米プレートは太平洋プレートと押合い、北米プレートの下に太平洋プレートが年間八センチメートルずつ沈み込んでいます。
北米プレートと水平洋プレートの境界が日本海溝です。太平洋プレートは日本海溝を境に北米プレートの下に浅い角度で入り込んでいます。
太平洋プレートの沈込みに引きずられて北米プレートは変形します。
プレートの境界面で強く結びついている固着域を中心に変形が集中し、固着域の周囲に強い力が生じます。
時間の経過とともに固着域の周囲の変形は大きくなり、加わる力も増犬していきます。
そして固着域が耐えられる限界に達すると固着域は崩壊して、北米プレートは跳返り、変形が解消されます。
このとき生じる振動が海溝型地震です。
三陸北部から房総沖にかけての日本海溝沿いの北米プレートは、これまでの地震の観測から八つの震源域（三陸沖北部、三陸沖中部、三陸沖南部海溝寄り、宮城県沖、福島県沖、茨城県沖、房総沖、三陸沖から房総沖の海溝寄り）に細分され、震源域が連動して跳返ることはないと思われていました。
明治三陸地震（Ｍ八クラス）も昭和三陸地震（Ｍ八・一）も北米プレートの一部の震源域が跳返って起きた地震です。
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しかし、東北地方太平洋沖地震（Ｍ九・〇）は、八つの震源域のうち四つ（三陸沖中部、三陸沖南部海溝寄り、福島県沖、茨城県沖）が連動して跳ね返ったのです。
三陸沖から房総沖の海溝寄りの震源域も一部含まれるとの見方もあります。（日経サイエンスニ○一一・六）
地震のエネルギーは、跳返ったプレートの広さと動いた距離によって決まります。
Ｍ（マグニチュード）が一つ上がると、地震のエネルギーは約三二倍になります。
東北地方太平洋沖地震は震源域が連動して跳ね返ったために、地震のエネルギーも大きくなり、巨大地震となったのです。
3 プレートが跳ね返ると隆起と沈降が生じたのはなぜか？
top
プレートが跳ね返って変形前の形に戻ると、どうして隆起と沈降が生じるのでしょう。
北米プレートは、太平洋プレートから横向きの力（横圧縮応力）を受けます。
大陸プレートはこの横向きの力（横圧縮応力）によって、横方向に縮みます。
同時に、上に向かって伸びます。
それはちょうど、風船を手で握って風船の体積を小さくしようとすると、風船が指の間から出てきて、小さくすることができないのと似ています。
流体の体積を小さくするためにはすべての面に力を加えなければなりません。
少しでも力が加わらない面があれば、流体はそこからはみでてしまいます。
プレートは流体ではありませんが、横から力が加わっても上からは力が加わらない（重力だけ）ので、横方向に縮んで、上方向には、流体がはみ出るように、伸びて変形するのです。
つまり、プレートは変形しますが、体積は変りません。
北米プレートをたくさんの縱長のブロック（Ａ、Ｂ、Ｃ……）に分けて、どの様に変形するかを考えてみましょう。
仮に、各ブロック（Ａ、Ｂ、Ｃ……）が横方向に同じ割合で縮むとします。
各ブロック（Ａ、Ｂ、Ｃ……）は横圧縮応力を受け、横方向に縮み、縮んだ体積分縦方向へ伸びます（Ａ、Ｂ、Ｃ……）。
体積は変りません。
各ブロック（Ａ、Ｂ、Ｃ……）の横方向の縮みが合計されて、北米プレートの先端が水平方向に後退します。
縦方向には各ブロックの伸びがそのまま現れます。
その結果、北米プレートは、変形前に比べ、変形後は先端が沈み（沈降し）、後方が上昇（隆起）します。
北米プレートの体積は変りません。
沈降した体積と隆起した休積は等しくなります。
このことは、境界面の角度に関わらず起きます。
沈降から隆起に変わる境をＰ点とします。（Ｐ点は固定点ではありません。プレートの変形によって移動します。）
この変形した北米プレートが跳ね返って変形前の形に戻ると、先端が前方に移動して、Ｐ点を境に北米プレートの先端側か隆起し、後方が沈降します。
これが、海溝型地震によって起きる上下方向、水平方向の地殻変動の原因です。
実際には、どのブロックも同じように横方向に縮むのではなく、変形が境界面の同着域の周囲に集中すると考えられています。
東北地方の太平洋岸の広い範囲で地盤沈下が生じたのは、長い時間をかけて変形した北米プレートが跳ね返ったためです。 |
図16 北米プレートの変形の概略図
各ブロックは横圧縮縮応力を受け、横方向に圧縮し縦方向に伸びます。
各ブロックの体積変化はありません。
どのブロックも横方向へ同じ割合で圧縮した場合の概略図です。
北米プレートは変形して、Ｐ点を境に先端が沈降し、後方が隆起します。
北米プレートが跳ね返って、変形前の形に戻ると、先端が隆起しその
後方が沈降します。
図17 北米プレートの変形の推定図
実際には、北米プレートは固着面を中心に変形が集中します。
北米プレートは体積を変ずに横方向に圧縮し、縦方向に伸びます。
北米プレートの変形によって先端が沈降し、その後方が隆起します。
北米プレートが跳ね返って、先端が隆起し、その後方が沈降します。
沈降する体積と隆起する体積は同じです。 |
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北米プレートが変形前の形に戻った結果、太平洋岸で地盤沈下が起きたのです。
沈下した地盤が、地震の直後一時的に揺り戻すことはありますが、再び元の状態に戻るには長い時間かかかると考えられます。
北米プレートが再び変形するのを待たねばならないからです。
4 津波発生のメカニズム top
津波発生のメカニズムは次のように考えられています。
太平洋プレートの沈み込みによって変形した北米プレートが跳ね返ると、海底に隆起と沈降が生じます。
この地殻変動は短時間に生じます。
海底の上下方向の変化はほぼそのまま海面に現れます。
水平面より高くなったところの水と、低くなったところの水は、それぞれ水平面に戻ろうとして、海面から海底まで一斉に動き出します。
このとき水に起きる運動が横長の楕円運動です。
海面での楕円運動の楕円の縦幅は波高と同じです。横幅は波長と水深の比によって決まります。
水に生じた横長の楕円運動は、周囲の水へ少し遅れて伝わっていきます。
その結果、海面の凸（波の山）と凹（波の谷）も周囲に伝わっていきます。
これが津波です。
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波と一緒に伝わるのは周回運動（横長の楕円運動）であって、水ではありません。
今回の東北地方水平洋沖地震によって生じた津波は、南北約五○○キロメートル、東西約二〇〇キロメートルの広さの海底から海面までの海水が一斉に動き、水に生じた周回運動（横長の楕円運動）が周囲に伝搬してできました。
波の谷と波の山の距離は約一五〇キロメートルにもなります。
三月一一日一五時五〇分頃、宮城海上保安部の巡視船「まつしま」が相馬沖約五キロメートルで遭遇した津波は波高が約一〇メートルあったと報道されています。
まさに巨大津波です。
波の山から山までの距離を波長といいます。
津波は、大変波長の長い波です。波長が水深の二五倍以上長い波を長波と言います。
津波は長波と考えて良いのです。
長波の伝わる速さは、重力加速度（9.8m/s*s）と水深の積の平方根で決まります。
水深四〇〇〇メートルの海面を進む津波の速度は毎秒二〇〇メートル（毎時七二〇キロメートル）にもなります。
津波は、ひとつの波長の長い波だけでできているのではありません。長い波長の波の上に様々な波長の波が重なっています。
たくさんの波の重ね合わせによって波形ができているのです。
津波発生のメカニズムが分かると、津波について自ら考えることができるようになります。
たとえば、今回の津波は引き波から始まりました。国土地理院が発表した海底の土下変動図では、東北から茨城の海岸沖が広範囲にわたって沈降しています。
最初の引き波はこの陸に近い海底の沈降によって起きたのです。
最初の津波の引き波は、地震直後から始まっていたと考えられますから、きわめて感度のよい検潮機があれば津波の引き波を地震直後からとらえることができたかもしれません。
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