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Co-seismic and co-diking crustal deformation along subaerial rift zones detected by satellite synthetic aperture radar : East Africa, Iceland, and Southwestern Japan
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| Title: | Co-seismic and co-diking crustal deformation along subaerial rift zones detected by satellite synthetic aperture radar : East Africa, Iceland, and Southwestern Japan |
| Other Titles: | 衛星SARによるリフト帯における地震時 ・ダイク貫入時の地殻変動観測 : 東アフリカ， アイスランド，西南日本 |
| Authors: | 姫松, 裕志 Browse this author |
| Issue Date: | 25-Mar-2019 |
| Publisher: | Hokkaido University |
| Abstract: | Crustal deformation along the plate boundaries is one of the important research interests for elucidating their mechanisms because earthquake activities and volcanic eruptions usually concentrate along plate boundaries due to high strain rates. Along the divergent plate boundaries which usually call rift zone, we can observe the processes of continental rifting evolution, such as generating new crust and splitting continental crust. Most of the divergent plate boundaries, however, are located beneath the sea, and the onshore rift zones are only less than 2 % of all the rift zones on the Earth. The accumulation of crustal deformation data along the subaerial rift zones improves our understanding of the rift systems and the geophysical phenomena. The aim of this thesis is to reveal detailed crustal deformation along the subaerial rift zones by processing satellite SAR data, one of the space-based geodetic methods. SAR data can detect surface movement with high spatial resolution without installing on-site observation instruments, like GNSS receivers. This thesis focuses on three dike intrusion episodes and one earthquake event along the subaerial rift zones: 1) the 2007 Natron dike intrusion episode, Tanzania, 2) the 2005-2010 Afar dike intrusion episode, Ethiopia, 3) the 2014-2015 Bárðarbunga dike intrusion episode, Iceland, 4) the 2016 Kumamoto earthquake sequence, Japan. By applying InSAR and pixel tracking approaches to PALSAR-1 data the horizontal displacements parallel to the rift axis on the graben subsidence were detected during the 2007 Natron and the 2005-2010 Afar dike intrusion episodes which occurred along the East African Rift. The focal mechanisms during each episode indicate normal faulting with few strike-slip components, these strikes nearly coincide with the rift axis direction. Our inversion model confirmed that the optimal elastic models need not only normal faulting but also strike-slip components to reproduce the horizontal displacement on the graben subsidence. Thus the along-rift horizontal displacements on the graben floor were implied to occur by aseismic processes. The 2014-2015 Bardarbunga dike intrusion episode occurred along the subaerial divergent plate boundary between the Northern American and the Eurasian plates. The overall description of crustal deformation associated with the dike intrusion remains poorly revealed because 80% of dike path located beneath the Vatnajökull icecap which is the largest ice in Europe. Although the conventional InSAR method needs to avoid decorrelation problems for detecting signal above ices and/or glaciers, previous InSAR data could not reveal any signal at the icecap due to the decorrelation problems. In this thesis, we applied pixel tracking approach, which is suitable for detecting the velocity of glacier flow, to satellite SAR data to reveal icecap surface movement associated with the subglacial dike intrusion. Because the co-diking signals contain the signal of both steady-state of icecap flow and crustal deformation, we corrected the icecap flow signal by subtracting the scaled pre-diking signal from the co-diking signal assuming that the pre-diking signals show only the steady-state of icecap flow signal. The ice-corrected signal implies the description of subglacial crustal deformation. We confirmed that the ice-corrected signal contributed to improve the dike opening/faulting model. The 2016 Kumamoto earthquake sequence is the series of earthquake, including Mw 7.0 of mainshock, along the Beppu-Shimabara graben system in Kyushu, Japan. One of the characteristics of the event is that the sequence contains two foreshocks greater than Mw6.0 28 hours before the mainshock and four aftershocks greater than 5.5 one week after the mainshock. The focal mechanism of mainshock from the Japan Meteorological Agency shows not only the dominant of strike-slip components with N-S extensional axis but also ineligible non-double couple component. The newsletter from Geospatial Information Authority of Japan has reported that InSAR results indicate data lacking near the surface ruptures due to the decorrelation problems. In this thesis, we applied the cross-correlation-based pixel tracking approach to PALSAR-2 data to avoid the decorrelation problems. Although the focal mechanism of the mainshock dominates strike-slip component, our pixel tracking data indicates not only right-lateral displacement with NE-SW striking but also over 2 m of subsidence at the northern half of displacement field. The complexity of crustal deformation associated with the earthquake sequence can be explained by the non-double couple component in the focal mechanism of mainshock and the slip-partitioning. | | プレート境界ではひずみが集中しやすいため，地震活動や火山噴火が活発であり，プレート境界における地殻変動は地震や火山噴火の発生メカニズムを解明するために重要な研究対象である．なかでもプレート拡大境界はリフト帯と呼ばれ，新たな地殻の形成や大陸分断の過程を観測できる地域として注目を集めている．しかし中央海嶺に代表されるようにリフト帯の多くは海底に位置しており，陸上では全体の2％以下しか観測できない．新たな地殻の形成や大陸分断の過程を観測できるリフト帯における地殻変動データの蓄積は，リフト帯における地球物理学的現象の解明にとって重要である．本論文では合成開口レーダ(Synthetic Aperture Radar:SAR)が観測した画像データに干渉SAR(InSAR)とpixel tracking法を適用することにより，リフト帯における地殻変動を観測した．全地球測位システム(Global Navigation Satellite System:GNSS)を用いた地殻変動観測とは異なり，衛星搭載型SARによる画像撮像は観測機器を設置する必要はなく，一定間隔で陸域を全球的に撮像できる．また地殻変動のみならず氷河の流動や都市域の地盤沈下といったあらゆる地表変動を数mの高い空間分解能で，面的に地表変動の描像を明らかにできる点も大きな特徴である．本論文ではリフト帯で発生した4件のイベントに対して適切な解析手法を適用し，これまで報告されていた観測データを質・量ともに凌駕する地殻変動データを用いて，観測結果を再現するモデルを提案し，それらの物理的解釈を提案する．本論文ではリフト帯で発生した3件のダイク貫入イベントと1件の地震イベントに注目した:1)2007年Natron湖ダイク貫入イベント(タンザニア)，2)2005-2010年Afar盆地ダイク貫入イベント(エチオピア)，3)2014-2015Bárðarbunga火山ダイク貫入イベント(アイスランド)，4)2016年熊本地震(西南日本)．東アフリカ地溝帯で発生した2件のダイク貫入イベント(2007年Natron湖ダイク貫入イベント，2005-2010年Afar盆地ダイク貫入イベント)ではPALSAR-1データにInSARとピクセルオフセット法を適用することにより，ダイク貫入に伴う地殻変動の描像を明らかにした．これらの観測結果はグラーベンの沈降領域において拡大軸と平行する方位に水平変位が生じていたことを明らかにした．両イベント時におけるメカニズム解はいずれも横ずれ成分をほぼ含まない正断層型を示しており，これらの走向は拡大軸の方位とおおむね一致していた．このグラーベンの沈降領域における水平変位の再現には正断層ずれに加えて横ずれ成分も必要であることを数値計算によるモデルが示した．したがってグラーベンの沈降領域における水平変位は非地震的に生じたことが示唆された．地質構造の発達やマントル対流と地殻との相互作用によって生じた可能性が考えられる．アイスランド中東部に位置するBárðarbunga火山で発生したダイク貫入イベントは2014年8月に始まり，ダイク貫入に伴って発生した割れ目噴火は2015年2月まで続いた．先行研究によるInSAR解析データは氷帽上で非干渉領域となっており，イベントに伴う氷帽下地殻変動の描像を明らかにできていなかった．震源分布から推定された本イベントのダイクの貫入経路の約80％は氷帽下に位置しており，地殻変動データが十分に取得されたとは言い難い．またGNSSによる観測も氷帽上では定常的な観測を行っていなかったため，ダイク貫入に伴う地殻変動の全容を把握することは困難であった．本論文では氷河の流動速度検出に採用されるPixel-tracking法をCOSMO-SkyMedとRADARSAT-2データに適用することにより，ダイク貫入に伴う氷帽表面における変動の検出を試み，これらのデータを用いて氷帽下の地殻変動を推定した．Pixel tracking法を適用した結果は非雪氷域のみならず，氷帽上においてダイク貫入のおよそ北半分の経路上で顕著な変動を示すシグナルを示した．また適切に重みをかけたイベント前のシグナルをイベント時のシグナルから差し引くことで氷帽下地殻変動の描像を推定した．補正したデータを使用して鉛直開口・断層運動を再現するモデルを推定したところ，非雪氷域のみの地殻変動データを用いてモデルを推定した場合と比較して疑似的な開口・すべり分布を示すことなく，より小さい不確定性をもったモデルを推定することができた.2016年熊本地震は南北の引張応力場にある九州地方の別府島原地溝帯で発生した．九州地方は中部九州の直下には地震波低速度領域が卓越しておりcontinental riftであるとする説がある一方，別府島原地溝帯が南西から延びる沖縄トラフの東端と東から延びる中央構造線の西端に位置しており，南海トラフの前弧スリバーが南西進していることからpull apart basinであるという説もある．熊本地震に関して気象庁が示した本震のメカニズム解は南北方向に引張軸を持つ右横ずれ型地震であると同時に，顕著な非ダブルカップル成分も示した．国土地理院によるInSAR解析の速報は地表断層付近において非干渉領域となっており，地殻変動の描像を明らかにできていなかった．本章ではPALSAR-2データにpixel tracking法を適用することにより，強健な地殻変動シグナルを検出して詳細な地殻変動の描像を明らかにした．それらのデータに基づいて断層モデルを提案して，非ダブルカップル成分との関連性を議論した．本震のメカニズム解は横ずれ成分が卓越していたものの，PALSAR-2データによるpixel trackingの結果は右横ずれの水平変位に加えて2m以上の沈降を明らかにした．この地殻変動の複雑性はメカニズム解に含まれる非ダブルカップル成分に反映されている可能性が高く，観測された地殻変動の描像と推定した断層モデルのすべり分布は地震時におけるslip partitioningの形成を示唆している．またPALSAR2データによる干渉画像の重ね合わせにより明らかになった地震後地殻変動についても報告する． |
| Conffering University: | 北海道大学 |
| Degree Report Number: | 甲第13574号 |
| Degree Level: | 博士 |
| Degree Discipline: | 理学 |
| Examination Committee Members: | (主査) 教授 古屋 正人, 教授 日置 幸介, 特任教授 村上 亮, 准教授 高田 陽一郎 |
| Degree Affiliation: | 理学院（自然史科学専攻） |
| Type: | theses (doctoral) |
| URI: | http://hdl.handle.net/2115/76432 |
| Appears in Collections: | 課程博士 (Doctorate by way of Advanced Course) > 理学院(Graduate School of Science)
学位論文 (Theses) > 博士 （理学）
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