Tateiwa, Kazuya

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Tohoku University Repository (TOUR) / 東北大学機関リポジトリ

（別紙様式５）                                       論 文 内 容 要 旨 (NO．1) 氏  名 立岩 和也 提出年 令和 ５ 年 学位論文の 題   目 Relationships between seismicity and slow slip events at New Zealand's northern and central Hikurangi subduction zone inferred from detailed spatiotemporal earthquake analysis   The Hikurangi subduction zone is located at the south end of the 300 km-long Tonga-Kermadec-Hikurangi subduction system, where the Pacific plate subducts westward under the Australian plate beneath the North Island of New Zealand. Previous works have identified that slow slip events (SSEs) along the plate boundary are sometimes accompanied with seismic swarms and that the two phenomena may be related by fluid movement. Although previous studies proposed fluid movement from the subducting oceanic crust before SSEs to the upper plate after SSEs as a trigger for swarms in the central and northern Hikurangi margin, they did not identify where the swarms occurred. That is, they did not classify the location of earthquakes in the upper Australian plate, the lower Pacific plate, or the plate boundary, making the physical relationship among swarms, SSEs, and fluids uncertain. The regional dependency of mechanisms of shallow SSEs showed that the earthquake-triggering mechanism varied spatially; however, the previous studies did not investigate such a spatial variation of the triggering mechanisms. Thus, this thesis aims to determine (1) what types of earthquakes are activated relative to SSE occurrence and (2) how the activation pattern and triggering mechanisms differ between the northern and central Hikurangi margins.  We generated a revised earthquake catalog for this region with well-constrained locations and magnitudes. We started with the earthquake catalog and seismic waveform data from New Zealand's nationwide geological hazard monitoring network, GeoNet. We relocated earthquakes greater than the magnitude of completeness (2.8 for 2004-2007, 2.6 for 2008-2011, and 2.5 for 2012-2020) within the shallow Hikurangi margin using the NonLinLoc program and a 3-D velocity model. We also determined focal mechanisms using the first P-wave polarities. Based on relocated hypocenters, focal mechanisms, and waveform cross-correlation, the earthquakes were classified into six types: AUS (earthquakes in the Australian plate), PAC (earthquakes in the Pacific plate), INT (earthquakes at the plate interface), maybe_AUS (earthquakes possibly in the Australian plate or maybe at the plate interface), maybe_PAC (earthquakes possibly in the Pacific plate or maybe at the plate interface), and unknown (earthquakes which cannot be classified into above five types due to large uncertainties). After the classification, we obtained 433 AUS, 469 INT, 9,065 PAC, 820 maybe_AUS, 3,273 maybe_PAC, and 2,872 unknown earthquakes. The AUS events showed a （別紙様式５）                                       concentration and a gap in the northern Hikurangi margin. The INT events were mainly located outside or on the periphery of SSE sources, which might reflect a difference in frictional properties on the megathrust. The PAC events were widely distributed throughout the study area, and their focal mechanisms showed some depth dependencies.  We detected SSE signals using eastward displacements recorded at GNSS stations of GeoNet in the study area. This study detected all shallow SSEs previously published, as well as new ones that were not located. After retaining only the earliest event in each sequence (swarms and mainshock-aftershock sequences) based on the space-time distance between each pair of two events, we evaluated the number of earthquakes relative to SSE timing. In and around the northern SSE source area (the northern Hikurangi margin), AUS events were somewhat activated just after SSEs ended (0-10 days); maybe_AUS, INT, and maybe_PAC events were activated during SSEs; and PAC events were activated just before SSEs started (0-20 days before). In contrast, in and around the southern shallow SSE source area (the central Hikurangi margin), maybe_AUS events were activated just after SSEs ended (0-10 days); maybe_PAC events were activated during SSEs and just after SSEs ended (0-10 days). Such regional difference in activation patterns between the northern and central Hikurangi margins suggests a difference in driving force(s) of SSE-related earthquakes.  We investigated fluid movement inferred from swarm migration and Coulomb stress change induced by SSEs to explain the observed activation patterns. Ten out of twelve diffusion-consistent swarm sequences, which appeared to migrate according to the fluid diffusion equation, were located in the northern Hikurangi margin. If we assume that these swarms are related to fluid migration, the swarm activity indicates that fluid movement occurs more easily in the northern Hikurangi margin than in the central Hikurangi margin. Temporal relationships between swarms and SSEs suggested that fluid might migrate within the Australian plate after SSEs, at the plate boundary during SSEs, and within the Pacific plate before SSEs. The Coulomb stress analysis revealed that the AUS events activated immediately after SSEs in the northern Hikurangi margin might not have been triggered by SSE-induced Coulomb stress change and that INT events (including maybe_AUS and maybe_PAC events) during or immediately after SSEs might have been triggered by SSE-induced Coulomb stress change. From these results, we propose that fluid movement from before SSEs to after SSEs is a possible mechanism of earthquake-triggering in the northern Hikurangi margin and that SSE-induced stress loading is a possible mechanism of earthquake-triggering in the central Hikurangi margin. The difference we infer in earthquake-triggering mechanisms between the northern and central Hikurangi margins is consistent with other geological and geophysical features. More detailed studies along the Hikurangi subduction zone would allow us to test the interpretations of this study and its comparison with other subduction zones worldwide. （別紙様式５）                                        論 文 目 次  Abstract iv Acknowledgments vi 1. Introduction 1 1.1. Slow earthquakes and related seismic activity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2. Tectonic setting of the Hikurangi margin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3. SSEs and related seismic activity in the Hikurangi margin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.4. Objective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2. Earthquake classification 15 2.1. GeoNet’s earthquake catalog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2. Reconstructing earthquake catalog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3. Classification of earthquakes using the reconstructed catalog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.1. Classification based on relocated hypocenters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.3.2. Classification based on focal mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.3.3. Classification based on waveform similarities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.4. Spatial distribution of classified earthquakes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.5. Relationships between regular earthquakes and tremors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3. Temporal relationship between SSEs and seismicity 57 3.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.2. Data and method to detect SSE signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.3. Removing earthquake sequences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.4. The number of earthquakes relative to SSE occurrences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 3.5. Parameter dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4. Discussion 100 4.1. What controls the activation pattern of seismicity? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 4.2. Fluid movement inferred from earthquake swarms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.2.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.2.2. Swarm detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.2.3. Diffused swarms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 4.2.4. Discussions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 4.3. b-value . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 4.4. Coulomb stress change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 4.4.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 4.4.2. Computing Coulomb stress change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 (NO．3) （別紙様式５）                                       4.5. Models for earthquakes and SSEs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 4.6. Suggestions for future work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 5. Conclusion 131 Appendix 132 References 168   (NO．4) 別 紙  論文審査の結果の要旨  地震には、スロースリップなど遅い地震から通常の速い地震まで様々な震源特性があることが知られている。そして、これらの地震は互いに影響し合っている。例えば、2011 年の東北地方太平洋沖地震の前には、先行するスロースリップや先行地震が見つかっており、また内陸地震やスラブ内地震の活動の変化も確認されている。このような沈み込み帯での地震間の相互作用について、世界の複数の沈み込み帯での比較検討がその理解のために必要である。 ニュージーランド北島のヒクランギ沈み込み帯とその周辺では、プレート境界でのスロースリップ現象、微動、群発地震など様々な地震現象が観測されており、スロースリップとそれが他の地震現象に及ぼす影響を理解するのに最適な場所の一つである。これらのスロースリップと地震活動の関係およびヒクランギ沈み込み帯の走向に沿って変化することが一連の先行研究において示唆されているが個々の事象や曖昧な理解にとどまっており、スロースリップやそれに関連する地震の関係とその沈み込み帯の走向に沿う変化を包括的に明らかにする必要がある。 学位論文の主な目的は、ヒクランギ北部および中部におけるスロースリップと関連する地震の関係を明らかにすることである。そのため、2004 年から 2020 年にかけて、100km より浅いスロースリップ震源域とその周辺で発生したマグニチュードおよそ 2.5 程度以上の地震カタログを時間的に統一した基準で作成し、解析を行った。約 17,000 個の地震の震源再決定を行い、その震源メカニズムと地震波形の相互相関を計算した。上盤側のオーストラリアプレート内、下盤側の太平洋プレート内、プレート境界面で発生する地震に分け、これらの地震の時空間分布を調べた。また、GNSS データを用いてスロースリップの発生時期とその継続時間を推定する手法を開発し、地震とスロースリップの時間的な関係を示した。 主な結果は次の通りである。ヒクランギ北部のスロースリップ震源域とその周辺では、上盤側の地震はスロースリップの後に活動し、プレート境界地震はスロースリップの間に活動し、下盤側の地震はスロースリップの前とスロースリップの間に活動する傾向があった。また、流体の拡散によって説明できる群発地震群を発見した。すなわち、海洋性地殻からプレート境界、さらに上盤側プレートへの流体移動が、太平洋プレート内での先駆的な地震活動や、スロースリップやプレート境界・上盤側地震を誘発した可能性がある。ヒクランギ中部のスロースリップ震源域とその周辺では、スロースリップ発生時に地震活動が活発であり、これはヒクランギ北部とは異なる。このことは、スロースリップとそれに関連する地震のメカニズムも北部ヒクランギとは異なる可能性を示しており、応力変化が原因の 1 つである可能性を示している。 立岩和也の研究は、地震観測・測地観測を包括的に慎重に実施したものであり、流体運動と応力変化による地震間の相互作用を、その地域的な特徴も含め、示した。今後、世界の各地域で実施されるであろう同様の研究の基準・模範となるものである。得られた成果は、広域的・複合的な地震サイクルおよびその中での個々の地震発生過程の理解とそれに基づく災害軽減の基礎的な知見として重要である。以上の成果は、自立して研究活動を行うに必要な高度の研究能力と学識を有することを示している。したがって，立岩和也提出の博士論文は，博士（理学）の学位論文として合格と認める。 

Relationships between seismicity and slow slip events at New Zealand's northern and central Hikurangi subduction zone inferred from detailed spatiotemporal earthquake analysis

https://tohoku.repo.nii.ac.jp/record/2000280/files/S1R043485.pdf

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