AIST

地震テクトニクス研究グループ
Seismotectonics Research Group


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．そして，地震発生の背景となる物理的要因を解明しなければなりません．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，震源メカニズム解（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 et al., 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（Shiina et 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 et al.,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綺麗にし，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).



断層深部で起こる諸現象を再現し物性を決定するための室内実験

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れば決められません．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長石（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（右図の明るい部分）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

        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．




        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．