[S-CG50] 変動帯ダイナミクス

[SCG50-01] プレート定常沈み込みによる島弧変形の3次元数値シミュレーション：海溝軸の屈曲の効果

*森 祐太朗¹、深畑 幸俊² (1.京都大学大学院理学研究科、2.京都大学防災研究所)

キーワード：島弧-海溝系、プレート沈み込み、フリーエア重力異常、地殻変動、島弧接合部

島弧海溝系では島弧で高く海溝で低い重力異常および地形のペアが例外なく観測されるが、その変形の物理的メカニズムは未解明の問題として残されている。Fukahata and Matsu’ura (2016, GJI)は、プレートの定常沈み込みによって引き起こされる島弧リソスフェアの変形を弾性-粘弾性2層構造における変位の食い違い理論に基づいて理論的に計算し、島弧-海溝系の2次元的な変形メカニズムをリソスフェアの回転運動と重力の組み合わせで合理的に説明した。しかし、実際の沈み込み帯では、沈み込む海洋プレートの3次元的な形状による効果も無視できない。例えば、日本海溝と千島海溝の接合部(下北半島沖)など、海溝軸が屈曲している場所で屈曲部付近に大きな負のフリーエア重力異常が観測される(Sandwell and Smith,1997, JGR)。この効果は数値モデルにより再現されている(Hashimoto et al., 2004, 2008, PAGEOPH)が、重力異常が生じる物理的メカニズムは良く分かっていない。

本研究では、弾性-粘弾性2層構造における変位の食い違い理論(Fukahata and Matsu’ura, 2005, 2006, GJI)に基づいた3次元モデルにより、直線的な海溝軸が一点で屈曲する場合について定常沈み込みによる島弧の変形を計算した。まず、海溝軸が島弧側に凸に屈曲している場合について、2本の海溝軸の交わる角度を変化させてその影響を調べた。数値計算の結果、屈曲部周辺の島弧側に顕著な沈降域が現れ、その沈降量および空間スケールは海溝軸の屈曲が⼤きいほど⼤きくなるという結果が得られた。次いで、海溝軸が海洋側に凸に屈曲している場合についても同様に計算を行った。その結果、屈曲が大きいほど屈曲部周辺の島弧側で大きな隆起が⽣じることが明らかになった。

この結果は、次のようなメカニズムで合理的に説明できる。島弧側に凸に屈曲した海溝軸に対して海洋プレートが沈み込むと、テーブルクロスのアナロジーから理解できるように、沈み込む海洋プレートの上面において質量の過剰が生じる。海洋プレートの上面と島弧側プレートの下面は変位の食い違い(合力と合トルクが0の力のシステム)によりちょうど逆センスの運動をするため、島弧側プレートでは質量が不足して沈降が生じていると考えられる。また、海溝軸の屈曲が海洋側に凸の場合には同様の考え方によって海洋プレート上面で質量不足が生じ、島弧側プレートでは質量の過剰に起因した隆起が生じると考えることができる。このメカニズムに基づいて考えれば、海溝軸の屈曲角が大きいほど海洋プレート上面での質量の過不足が大きくなる。このことは本モデルにおける数値計算の結果と調和的である。