This thesis revealed the physical processes of sequential seismic phenomena, which are the preceding slip deficit and slow slip event, coseismic slip, and following afterslip of the 2011 Mw 9.0 Tohoku earthquake, inferred by the analyses mainly using continuous Global Positioning System (GPS) data. Our analyses showed various features of these seismic phenomena and their relationships. We also constructed a physical model based on the relationships and scales of these phenomena. Our approach presents a new seismo-geodetical comprehension of the 2011 Tohoku earthquake.

The 2011 Tohoku earthquake occurred at 14:46 on 11 March, 2011 (JST = UT + 9 hours) in one of the most active subduction zones in the world, the Japan Trench subduction zone. This disastrous earthquake generated the great tsunami that attacked the Pacific coast of east Japan and caused about twenty thousand of fatalities and missing people. Previously, the possibility of a disastrous M9 earthquake in this subduction zone had not been considered. However, prior to this earthquake, the accumulated slip deficit (drag of the overriding plate due to interplate coupling) had been observed. Meanwhile, following this earthquake, the large afterslip has been occurring. These slip deficit and afterslip phenomena provide clues to understanding the condition of the plate boundary where the 2011 Tohoku earthquake occurred. Therefore, we inferred all the pre-, co-, and post-seismic processes by means of source inversions mainly using the GPS data.

We first inferred the coseismic source process of the 2011 Tohoku earthquake using not only the geodetic but also seismic wave and tsunami datasets. We also assessed the resolving power of each dataset and confirmed the influences of various inversion parameters. Additionally, the influence from the 3-D complicated velocity structure was demonstrated. We then carried out a joint inversion to construct the unified source model that was the most suitable for explaining all of these geophysical datasets. The seismic moment of the obtained model was calculated to be 4.2 × 10(22) Nm, which yielded Mw = 9.0. This unified source model revealed not only the main rupture around the hypocenter but also a distinct extension of the shallow slip to the Japan Trench, which provided a cause of the disastrous tsunami.

Secondly, we inferred a temporal and spatial evolution of afterslip following the 2011 Tohoku earthquake using the GPS data. Our analyses indicated that the early afterslip was observed after 14:54 on 11 March (JST) and initiated in the western deep area of the hypocenter. This afterslip area extended simultaneously with the occurrence of aftershocks. The seismic moment of the afterslip during eight months was calculated to be 7.3 × 10(21) Nm, which yielded Mw = 8.5.

Thirdly, preceding slip deficit rate distributions in this subduction zone was obtained by means of source inversion of the GPS data, from which the coseismic and postseismic signals of minor earthquakes were already removed, during the entire period from 1996 to 2010. The obtained distributions show the weakening and migration of slip deficit rates in late 2002. This weakening and migration could have been caused by a very-long-term SSE lasting eight and a half years after 2003, whose seismic moment was calculated to be 2.8 × 10(20) Nm, which yielded Mw = 7.6. This very-long-term SSE had different features than past SSEs. The slip deficit rate distributions after the weakening and migration coincided with the coseismic slip distribution. This coincidence demonstrated that the very-long-term SSE could have triggered the 2011 Tohoku earthquake and this earthquake might have been able to be foreseen with respect to its location and extent.

By comparing these inversion results, we found the positional relationships of the seismic phenomena. We then constructed a possible physical model based on these relationships using a rate- and state-dependent friction law. The constructed model explained the depths and scales of the seismic phenomena including the preceding very-long-term SSE. In this physical model, when a large slip deficit accumulates sufficiently in the Japan Trench subduction zone, a very-long-term SSE triggers a megathrust earthquake.

本論文は、2011年東北地方太平洋沖地震という超巨大地震の地震前・地震時・地震後の物理過程を、主として測地データを用いて統一的な地下構造や断層モデルに基づいて総合的に評価し、数百年という長い繰り返し間隔で起きる超巨大地震の発生過程に関する議論を行ったものである。

本論文は7章からなる。

第 1 章では本論文の全体構成を説明している。本地震に関する既往研究のレビューを行い、地震の発生前後の連続的な物理過程を解明するため、測地データを用いて統一的に解析することが地震の全貌を明らかにするために重要であることを指摘している。そして、本論文の目的は、地震発生前から発生後にかけての現象を同一の断層モデルを用い、地震・測地データに基づいて統一的に明らかにすることと、それらを規定する物理モデルの議論を行うことと述べている。

第 2 章では、まず、遠地波形・強震波形・陸上及び海底 GPS ・津波波形データの分解能やモデルパラメータによる影響を検討した上で、 1 次元成層構造に基づくグリーン関数を用い、上記のデータを各々単独で用いた震源過程インバージョンを実施し、各データの解像度を調査した。さらに、空間的に高い解像度を持つ統合逆解析によって、すべてのデータを説明できる震源モデルを構築した。本章は、次章で導入される3次元構造による議論への導入の部分と考えてよいだろう。

第 3 章では、東北地方の沈み込み帯における 3 次元速度構造を正しく反映したグリーン関数を導出し、またプレート境界に沿った形状の断層モデルを導入した。これを用いて統合逆解析によって最終的な震源モデルを構築した。この結果として、宮城県の沖合に位置する破壊開始点周辺の大きなすべり域と浅部に広がるすべり域が示唆された。また、浅部のすべり域の詳細な分布も明らかになり、破壊開始点よりも北側の日本海溝沿いに大きなすべり域があり、この領域が津波生成領域であることが示唆された。地震時の全体像が3次元構造モデルで、且つ地震・測地データを統合的に用いた総合的な地震断層モデルの導出に成功しており、意義が大きい。

第 4 章では地震発生後の余効すべりモデルを構築した。ハイレート GPS データを用いて、地震発生の約 8 分後から初期余効すべりが観測されていることを確認した。その上で、初期余効すべりを含めた 8 カ月間の余効すべりの進展を、既存の逆解法の手法を拡張して解析した。その結果から、最初期の余効すべりは本震の震源よりやや深い宮城沖の領域で発生し、その後、 余震分布と同期するように1 日から 1 週間程度をかけて北側の岩手沖の領域に広がったこと明らかにし、余効すべりが余震を励起した可能性を示唆している。余効すべりをハイレートGPSを用いて初期から明らかにしたのは初めてであり、高く評価できる。

第 5 章では、地震発生前のすべり欠損と本震との関係性を議論した。 1996 年以降、地震発生までの全期間にわたる GPS データを用いた逆解析によってすべり欠損の詳細な時空間変化を推定した。この結果から、本震のすべり領域を内包するすべり欠損分布と 2003 年以降の分布の変化が明らかになった。この時間変化は、本震より深い領域で約 8 年間にわたって発生しており、モーメント解放量の時間変化などの特徴から長期的スロースリップ(SSE)と似た特徴を持つことが示唆された。しかし一方で、過去に観測された長期的SSEに比べて大規模であり、時定数が長く、応力降下量の時間変化も特徴的であった。そのため、この現象は、 超長期的SSEと呼ぶべき現象と考えられる。このような現象を独自の解析によってはじめて同定したことは評価に値する。

第 6 章では、前章までの地震前・地震時・地震後の連続した物理過程を、すべり速度・状態依存摩擦則に基づいた数値シミュレーションによって再現した。得られたモデルは、すべり欠損、本震、余効すべりの連続的な物理過程を説明している。また、深部での有効法線応力の与え方によって、直前の超長期的SSE も再現することができた。ただし、条件の与え方によっては必ずしもこのような SSE が海溝型超巨大地震の先行現象とならない可能性も示唆している。

第7章は全体の内容をまとめている。

以上をまとめると、本論文は2011年東北地方太平洋沖地震前後に発生した連続的な物理過程を、測地データを主として用いながら統一的なモデルに基づきはじめて詳細に明らかにし、なおかつ、そこに働くプレート間相互作用に関して新たな知見をもたらしたものと言える。

なお、本論文第2章は纐纈一起、藤井雄士郎、佐竹健治、酒井慎一、篠原雅尚、金沢敏彦との共同研究、第3章以降は纐纈一起、藤井雄士郎との共同研究であるが、論文提出者が主体となって分析及び検証を行ったもので、論文提出者の寄与が十分であると判断する。

したがって、博士(理学)の学位を授与できると認める。