A slab fragment wedged under Tokyo and its tectonic and seismic implications

Shinji Toda, Ross S. Stein, Stephen H. Kirby and Serkan B. Bozkurt, Nature Geoscience, doi:10.1038/ngeo318, November 2008

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Plain English Summary   Tokyo lies between a volcanic front and the sea. The 400-year-old capital city and the surrounding Kanto plain are home to one-quarter of Japan’s population. The region was shaken by destructive earthquakes in 1703, 1855 and 1923, the last of which claimed 105,000 lives; reoccurrence of any of these today is expected to cost about $1 trillion (100 trillion Yen). Just 300 km (200 mi) northwest of Tokyo lies an undersea ‘triple junction’, where three of the two dozen or so moving tectonic plates that comprise the earth’s surface meet. Tokyo sits atop the Eurasian plate; beneath it the Philippine Sea plate descends (or ‘subducts’) from the south, and the Pacific plate subducts from the east. Subduction is not steady but instead occurs in a stick-slip manner that gives rise to infrequent great earthquakes.

To reinterpret the features of the descending plate ‘slabs’ on which the large earthquakes strike, Shinji Toda and his U.S. colleagues examined 300,000 earthquake hypocenters in a 3D viewing system, and carried out a tomographic ‘brain scan’ of the slabs. In addition to the paper, they produced a 5-minute narrated movie in which the viewer flies through the earthquakes as they are rotated, spun, and interpreted.

The authors find a distinct 25-km-thick and 100-km-wide (15 x 60 mi) body beneath the Kanto basin that since 1992 has been considered to be part of the Philippine Sea slab. Toda et al find that several of the body’s characteristics―such as the speed of seismic waves that pass through it, the presence and type of microearthquakes that surround it―suggest that it is a fragment of the descending Pacific slab. They argue that the fragment was detached partly as a result by the collision of two chains of Pacific seamounts into the Japan trench 2−3 million years ago. The authors infer that the fragment is now jammed between the Pacific and Philippine Sea slabs like a pill that can’t be fully swallowed.

Their proposed Kanto fragment would subject Tokyo to a persistent source of deep thrust earthquakes, such as the 1855 magnitude~7.3 Ansei-Edo shock, which are highly destructive because of their location beneath the Kanto basin and their proximity to the city. The authors suspect that the fragment is not unique but is instead is uniquely well illuminated by the unprecedented high-quality national seismic instrument network in the Kanto region.

首都圏を抱く関東平野は火山前線と太平洋に挟まれた日本列島最大 の平野で,日本の全人口の1/4が住んでいます.東京は,江戸幕 府成立以降の約400年間,1703年元禄地震,1855 年安政江戸地震,1923年大正関東地震(関東大震災,死者行方不明 10万5千人)などにより大きな地震被害を受けてきました.もしも 現在関東地震が発生したならば,被害額は100兆円を上るとの 試算もあります.では,なぜ東京では地震が多いのでしょうか?  それは南東約300kmの海底に地球の表面を覆う約20のプ レートのうちの3つが接触する「三重点」が存在するからだと考え られています.南からは伊豆ー小笠原諸島をのせたフィリッピン海 プレートが,東からは太平洋プレートが,関東平野をのせたユーラ シアプレートの下に沈み込んでいます.前者2つのプレートは普段 は陸のユーラシアプレートを地下に引きずり込みますが,時折(数10-400 年程度)長年蓄積されたひずみに耐えられなくなり陸のプレートが 跳ね返って地震が発生します.

他のプレートの下に沈み込んだもう1方のプレートを「スラブ」と いいます.そのスラブの上面で大地震は発生します.我々日米の研 究グループは防災科学技術研究所および気象庁の約30万個の地震デー タを3次元可視化システム上で調べました.特に地震波の伝わる速 度の違いを利用して,X線CTスキャンで頭部を透視する ように,地下の構造を解明しました(3次元構造を紙面で説明する ことが難しいので,5分間のナレーション付きのアニメーションを 作成).

今回の研究で突き止めたものは, 関東平野直下の深さ 30-100kmの範囲に横たわっている厚さ25km,幅100kmの 独立した岩盤ブロック(body)です.これまでは,このブ ロックは南から沈み込んだフィリッピン海プレートの先端と解釈さ れていました.我々の研究では,地震波速度や微小地震分布,地震 を起こす圧力のかかり具合などから,このブロックが太平洋プレー トと同じ性質を持つことがわかりました.すなわち,東から沈み込 む太平洋プレートの破片が関東平野直下に横たわっていると解釈 し,「関東フラグメント(Kanto fragment)」と名付けまし た.太平洋プレート上の海底には海山が多く存在し,それらが日本 列島に沈み込んでいます.我々は,約200〜300万年前 に大きな2つの海山の連なりが同時に沈み込もうとしたため,抵抗 が大きくなり太平洋プレートの一部が破断したのではないかと推定 しました.現在, 関東フラグメントはフィリッピン海プレー トと太平洋プレートに引っかかったように挟み込まれています

我々の提案した「関東フラグメント」は首都圏直下で頻発している 深い地震の源にもなっています.普段から頻発している中小規模の 地震(「地震の巣」ともいわれる)はもとより,江戸直下で発生した1855 年安政江戸地震(マグニチュード7.0-7.3)もこの関東フラグ メントが関係した地震だったとみています.プレート境界型地震は 「海溝型地震」とも言われるように通常は海域で発生します.しか し,上述のように関東では陸域直下で発生することになります.ま た,3枚のプレートに加え,関東フラグメントを余計に挟むことに よりプレートどうしの接触面が増え, 東北や伊豆以西など他 のプレート境界部分よりも地震が多く発生することになります.こ のような沈む込むプレートの断片化現象は世界の他の地域にも存在 する可能性があります.今回は日本の密な地震観測網のお陰で発見 されたのではないかと考えられます.


Shinji Toda   遠田晋次
tel +81-298-61-2480,

Active Fault Research Center, National Institute of Advanced Industrial Science and Technol. (AIST), Higashi, 1-1, Tsukuba, 305-8567, Japan

Ross Stein  ロス・スタイン
tel +1 650-329-4840,

U.S. Geological Survey, Menlo Park, CA 94025, USA

Steve Kirby
tel +1 650-329-4847,

U.S. Geological Survey, Menlo Park, CA 94025, USA

Serkan Bozkurt
tel +1 510-663-4242,

AMEC Geomatrix, 2101 Webster St., Oakland, CA 94025, USA

Perspective views of the Kanto fragment with the Pacific and Philippine Sea plate slabs, volcanoes and seismicity. The left panel shows view of southwest Japan (the coastline is grey), together with the volcanic front (yellow pyramids), their presumed magma conduits (red vertical lines) tend to lie along the 120-140 km (75-85 mi) depth contour (blue dashed lines) of the Pacific plate. The blue ball is Tokyo. The right panel shows a close-up view of the proposed Kanto fragment with microseismicity colored by depth. Toda et al argue that the Kanto fragment broke off the Pacific plate 2-3 million years ago, and is being pushed northwestward under Tokyo. Note the seismicity streak on the upper surface of the proposed fragment, perhaps indicative of its motion with respect to the overlying crust. These are frames from the Movie.

フィリッピン海プレートと太平洋プレートに挟み込まれる関東フラ グメントの透視図.北東から南西を望む.プレート(スラブ)正面 に引かれた線は等深線とその深さ(km). ▲は活火 山.火山は太平洋プレートの上面の深さ約120-140kmの位置と ほぼ一致する.右図は左図の拡大版で,点は個々の地震に対応し, 深さ毎に着色している.関東フラグメント上面では線状の地震の分布 (streak)が観測され,ユーラシアプレートとの擦り合う方 向(相対運動の方向)を示している.

Anonymous contemporary woodcuts of Tokyo (formerly, Edo) before and after the great 11 November 1855 magnitude~7.3 Ansei-Edo earthquake. Toda et al contend that this quake struck as a result of the movement of the Kanto fragment against the Pacific plate slab below, about 70 km (45 mi) deep. The Japanese government estimates that a repeat of this quake today would cost $1 trillion, destroy about 500,000 buildings and take up to 10,000 lives. Woodcut source, Documenting Disaster: Natural Disasters in Japanese History, 1703-2003, Foundation for Museums of Japanese History, Chiba, 2003.

1855年マグニチュード7.3の安政江戸地震の前(左図)と後 (右図)の江戸の様子(「 ドキュメント災害史 1703-2003地震・噴火・津波,そして復興」国立歴史民族博物館発行 より).安政江戸地震も関東フラグメントの動きに起因して発生し たと考えられる.政府の試算では,同規模の地震の被害総額は約 100兆円,全半壊50万棟,死者10万人と示されている.

Topography and bathymetry of the Kanto tectonic ‘triple junction’ viewed from the south. Topography and bathymetry are vertically exaggerated by a factor of four. The Kanto plain marks the land surface of the deep Kanto basin. The main Japanese island of Honshu is in the upper left. The Philippine Sea plate descends west-northwestward beneath Tokyo the along the Sagami and Suruga troughs. The broad Izu volcanic ridge and the young age of the Philippine Sea plate make the plate buoyant, uplifting of the peninsulas south of the Kanto Plain, which form the southern margin of the Kanto Basin. The much older Pacific plate descends to the northwest along the Japan and Izu trenches. A chain of Pacific seamounts is visible entering the Japan Trench on the right, forming the east margin of the Kanto basin. The authors argue that the buoyant seamounts interfere with the descent of the Pacific plate and so distort the trench into a broad arc.

3枚のプレートの会合点(三重点)周辺の地形.地形は鉛直に約4 倍誇張されている.フィリッピン海プレートは西北西に向かって移 動し,駿河トラフと相模トラフで本州の下に潜り込むとともに,関 東平野南部を幾分隆起させている. また,伊豆ー小笠原弧を のせている若くてあたたかい部分は幾分浮力があり,富士山の北で 本州と衝突し,周辺地域を大きく変形させている.一方,古くて冷 たい太平洋プレートは北西に移動し,日本海溝で本州の下に,伊豆 海溝沿いでフィリッピン海プレートの下に沈み込んでいる.図の右 側には太平洋プレート上に複数の海山がみられ,一部は現在も沈み 込んでいる.我々はこれらの海山列が太平洋プレート上部の破断や ユーラシアプレートの関東平野周辺の変形に寄与してきたと解釈した.

For technical support please contact Volkan Sevilgen, USGS