地震発⽣過程と地震発⽣環境の解明に向けた地球物理学的研究

Geophysical Studies for Understanding Generation Processes and Tectonic Environments of Earthquake

⼤地震発⽣の理解と評価のためには，まず実際にどこでどのような地震が発⽣しているかを知る必 要があります．そこで，地震波形データ，地震カタログデー タ，測地データを解析して，震源過程の特徴（断層すべり過程，震源スペクトル，震源メカム解（代表的な断層⾯と断層すべりの⽅向）），地 震発⽣の統計的性質，地下構造，地震発⽣深度における歪や応⼒を推定するといった幅広い研究を展開しています．臨時地震観測も適宜実施し ています．
近年では，⼩地震の分布から地下における断層形状を推定する⼿法の開発とその適⽤による地下断層形状の解明（Sawaki et al., 2025a, 2025b），⼤量の⼩地震の震源メカニズム解の推定とそれに基づく⽇本全国内陸部ストレスマップの作成（Uchide et al., 2022; 産 総研 GSJ地殻応⼒場データベース ）を ⾏っています．

To understand and evaluate the occurrence of large earthquakes, it is essential to determine where and what types of earthquakes are taking place. It is also necessary to elucidate the physical factors underlying earthquake generation. Our research group analyzes seismic waveform data, earthquake catalog data, and geodetic data to investigate a wide range of topics, including characteristics of the source process (such as finite-fault rupture process, source spectra, and focal mechanism solutions̶which provide representative fault-plane orientations and slip directions), statistical properties of seismicity, underground structures, and stresses and strains at seismogenic depths. We also conduct campaign seismic observations as needed. In recent years, we have developed and applied methods to infer the geometry of fault from the spatial distribution of small earthquakes, achieving detailed characterization of underground fault structures (Sawaki et al., 2025a, 2025b). We have also estimated focal mechanisms for large numbers of small earthquakes and used these results to construct stress maps for inland regions of Japan (Uchide et al., 2022; GSJ Crustal Stress Database).

⽇本列島内陸部ストレスマップ（Uchide et al., 2022）．地殻を圧縮するストレスが主にどの⽅位に掛かっているかを⽰しています．

Stress map for the inland Japan (Uchide et al., 2022), which shows the principal azimuth of compressional stress.

最新技術を活⽤した地震研究の⾼度化

Advancing Earthquake Research Using State-of-the-Art Technologies

地球科学においても，他の分野同様，取り扱うデータの量が増⼤し，そこから新しい知⾒を得るこ とが重要になってきています．当研究グループでは，AI技術等 最新の解析技術を導⼊して，次世代の地震研究を開拓しています． 近年の研究成果を列挙してご紹介します．地震波のP波初動極性の読み取りにニューラルネットワークモデルを導⼊して，⼤量の震源メカニズム解を得ることに 成功 しました（Uchide,2020）．ニューラルネットワークモデルにより地震波形判別モデル（DiET）を構築し，これによりテクトニック微動検知能⼒ を格段に 上げることができ ました（Sagae etal.,2025）．地殻内の地震波反射⾯の同定や震源決定の信頼性評価にはマルコフ連鎖モンテカルロ法（MCMC）を活⽤しています （Shiinaet al., 2024, 2025）．

Like other scientific fields, the amount of data handled in geoscience has grown rapidly, making it increasingly important to extract new insights from large datasets. Our research group incorporates state-of-the-art analytical technologies, including AI, to pioneer next-generation earthquake research. Below are some examples of recent research achievements. We successfully developed a neural network model to pick the P-wave first-motion polarities of seismic waves, enabling large-scale estimation of focal mechanism solutions (Uchide, 2020). Using neural network models, we also developed a seismic waveform classification model called DiET, which has significantly improved the sensitivity of tectonic tremor detection (Sagae et al., 2025). Furthermore, we employed Markov Chain Monte Carlo (MCMC) methods to evaluate the uncertainty in identifying seismic reflectors in the crust and in determining hypocenter locations (Shiina et al., 2024, 2025).

テクトニック微動検知システム の概要（Sagae et al., 2025）．
Illustration of tremor monitoring system (Sagae et al., 2025).

内陸地震の発⽣過程の解明に向けた地質調査と岩⽯解析

Field Surveys and Fault Rock Analyses for Understanding Earthquake Generation Process of Inland Fault

地震発⽣を⽀配する物理・化学的要因を知るためには，断層を構成する岩⽯（断層岩）の観察と各 種解析を通じて，震源付近での岩⽯変形過程を明らかにする必要があります．しかし，内陸⼤地震の震源の多くは地下10−15km に位置しており，現在の活断層深部を直接⼿に取って観察することは困難です．そこで，過去の断層深部が地表に露出している場所（削剥断層）を対象に，地質 調査と採取した岩⽯試料の室内解析（鉱物分析，化学組成分析，微細構造解析等）を⾏い，断層で⽣じた変形過程とその空間的広がりを明らか にしています．近年の成果として，広域かつ詳細な地表踏査に写真測量，⾼精度測位，3D-CADなどの技術を組み合わせることで，中央構 造線沿いの断層帯の三次元モデルを作成しています（Katori etal.,2021）．また，EBSD（電⼦後⽅散乱回折法）を始めとする微細構造解析から，内陸⼤ 地震の 震源付近における強い延性変形が地下の断層の破壊につながった事例を明らかにしました（Yeo et al., 2025)．

To understand the physical and chemical factors controlling earthquake generation, it is necessary to clarify the rock deformation processes near at seismogenic depths through observation and analysis of rock samples. However, it is difficult to observe the deep part of active faults directly since hypocenters of most inland large earthquakes are located at depths of 10‒15 km, near the lower boundary of the seismogenic layer. Therefore, we conduct geological surveys and rock analyses at locations where the deep part of ancient faults has been exposed at the surface due to uplift and erosion of the Earthʼs crust (namely exhumed faults). This allows us to clarify the deformation processes that occurred within the faults and their spatial extent. We employed state-of-the-art techniques, including photogrammetry using drones and multi-cameras, three-dimensional modeling on 3D-CAD (cf. Katori et al., 2021), and microstructural analysis including EBSD (Electron Backscatter Diffraction) (cf. Yeo et al., 2025) as well as detailed field surveys

ドローン（UAV）で撮影した写真をもとにSfM-MVS技術を⽤いて断層帯 の三次元モデルを作 成しています． We create three-dimensional fault-zone models using SfM-MVS techniques and drone aerial photography.	⾼圧洗浄機を⽤いて露頭表⾯を洗浄し，断層帯中の微細構造を徹底 的に観察します． We use a high-pressure washer to clean the outcrop surface, allowing us to observe the microstructures within the fault zone in detail.

SEM-EBSD を⽤いて作成したマイロナイト中の⽯英の EBSD マップ（Katori et al., 2021, JSG)． EBSD map of quartz in mylonite created using SEM‒EBSD (Katori et al., 2021, JSG).	紀伊半島東部の中央構造線周辺の三次元断層帯モデル（Katori et al., 2021, JSG)． 3D fault zone model around the Median Tectonic Line in the eastern Kii Peninsula (Katori et al., 2021, JSG).

Laboratory Experiments for Understanding Deformation Processes and Physical Properties of Fault at Depths

削剥断層の地質調査や地震波の解析から，活断層深部で起こる現象を推定することはできますが， 実証するためには，実際の岩⽯をもちい変形や断層すべりを室内で再現する必要があります．また，強度や透⽔能⼒といった断層や岩⽯の⼒学 的・⽔理学的な性質の測定は，変形実験の中で実測しなけ決められません．そこで、地下深部の⾼温・⾼圧条件を模擬した岩⽯変形実験を⾏ い、活断層深部で起こる現象を再現したり、物性を測定したりしています。また野外調査と室内実験のそれぞれで得られた変形構造を⽐較し， 現象の再現性の検証を進めています．近年の成果として，地熱地帯を想定した⾼温・⾼圧変形実験を⾏い，貯留層の維持と誘発地震の抑制を両 ⽴する，地熱開発に適した温度域が存在することを明らかにしました （Kitamura et al.,2024）．また，より現実的な活断層深部で起こる現象の再現に向け，技術的な困難さを伴う斜⻑⽯（地殻に最も普遍的に存在する鉱物）の合成 （Shigematsu et al.,2022）と変形実験にチャレンジしています．

While geological investigations of exhumed faults and seismic wave analyses allow us to infer the processes occurring at depth along active faults, definitive evidence must be obtained from controlled laboratory experiments. Furthermore, the mechanical and hydrological properties of faults and rocks under deviatoric stress conditions cannot be determined without direct measurements. For these reasons, we perform a series of measurements aimed at quantifying fault strength and permeability, etc. In our experimental approach, we compare deformation structures obtained from both field observations and laboratory deformation experiments to evaluate the reproducibility of natural processes. In recent years, we have conducted high-temperature and high-pressure deformation experiments to identify an optimal temperature range for geothermal energy development, in which reservoir performance is enhanced while induced seismicity is suppressed (Kitamura et al., 2024). Furthermore, in order to reproduce phenomena occurring at greater depths of active faults under more realistic conditions, we are undertaking the technically challenging tasks of synthesizing plagioclase̶the most ubiquitous mineral in the Earthʼs crust (Shigematsu et al., 2022).

650℃で変形させた花崗岩の実験後試料．割れ目が密に生じているが，焼結作用により亀裂の拡大は抑えられている （Kitamura et al., 2024, Geothermics）． Specimen of granite deformed at 650 °C. Fractures are densely developed, but crack growth is suppressed by sintering (Kitamura et al., 2024, Geothermics).	セラミックス分野の技術（固相焼結）を応用して合成した Naに富む斜長石（Shigematsu et al., 2022, PEPS）． Albite-rich plagioclase synthesized using ceramics technology (solid-state sintering) (Shigematsu et al., 2022, PEPS).

当グループが保有する主な実験装置

Deformation apparatus owned by our group

• ガス圧式⾼温・⾼圧岩⽯変形試験機

       Gas-medium, high-pressure and high-temperature rock deformation apparatus

   地下深部，⾼温・⾼圧を再現した環境で，断層を構成する岩⽯・鉱物の強度， 摩擦特性，流体移動特性などを計測することができます．特徴は，アルゴンガスを圧媒体に封圧 200MPa までの⾼圧(地下約 8km 相当)・800℃までの⾼温・荷重 200kN・0.01µm/s から100µm/s までの変位速度で岩⽯の強度の測定ができること，また，封圧とは独⽴して試料の孔隙に⽔を流すこともできることです．間隙圧振動法を ⽤い，⾼温・⾼圧環境での浸透率・⽐貯留率の計測も可能です．





• 回転式低速〜⾼速摩擦試験機

        Rotary-shear, low- to high-velocity friction apparatus

モーターの回転による剪断を，断層を模擬した試料に与えることで摩擦を測ることができます．特 徴は，減速ギアを電磁クラッチで組み替えることで,プレート運動速度に相当する nm/s の超低速から，地震時の断層のすべり速度に相当する m/sの⾼速までの，幅広いレンジの変位速度を再現することができることです．回転速度の制御だけでなくトルクの制御での変形実験も可能です． 試料によります が，直径 25mm の試料で 10MPa の垂直応⼒，1.3m/sの⾼速摩擦実験では岩⽯が摩擦発熱で溶融する様⼦が⾒られます．

• Ｘ線ＣＴ撮影⽤⼩型回転式試験機（SPring-8 にて実験中）

        Rotary-shear friction apparatus for X-ray computed tomography

Ｘ線ＣＴ撮影による，変形のその場観察ができるよう⼩型化・軽量化を図った回転式摩擦試験機で す．外径 20mm・内径 10mmの円筒形試料に 5MPa の垂直応⼒をかけることが可能 です．回転式低速〜⾼速摩擦試験機ほどではあり ませんが，0.1µm/s から 1mm/s までの幅広いレンジの回転速度を与えることが可能です．現在，⼤型放射光施設 SPring-8のビームラインを使⽤しながら，断層の変形組織の発達や変形の局所化過程を観察しています．