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地下水の使いすぎで断層地震が増える可能性：研究結果
http://wired.jp/2014/05/25/groundwater-depletion-leading-to-more-earthquakes/
2014.5.25 WIRED
長期にわたって地下水が汲みあげられたことによって、サンアンドレアス断層における地震の発生頻度が高まっている可能性があるという研究が発表された。地殻の動きの分析にはGPSの基準点データが使われている。
長期にわたって農業用に地下水が汲みあげられたことによって、カリフォルニア州サンアンドレアス断層における地震の発生頻度が高まっている可能性があるという研究が発表された。
カリフォルニア州のサンホアキン・ヴァレーは、降水量は少ないが農業の盛んな地帯であり、地下水を大量に汲み上げている。
同地域では、地下水位の低下に伴い、地盤（地殻の表層部）が沈下している（PDF）。堆積層の粒子の隙間に浸みこんでいる地下水は、上からの重みに抵抗する圧力として作用するが、この水がなくなると堆積層が収縮し、地盤が下がるのだ。サンホアキン・ヴァレーでは、1926〜1970年の間に約9mも地盤が沈下している。
ウェスタン・ワシントン大学のコリン・エイモス率いる研究チームは、堆積層のさらに下にある硬い岩盤に着目し、地下水の膨大な重量から解放されることによって、岩盤にどのような反応が生じているのかを調べた。
水に浮かぶスポンジに小石を乗せるとスポンジの沈み具合がやや深くなるように、たとえば氷床などの大きな質量は、マントルの上にある地殻をも押し下げうる。したがって、大量の地下水の重量がなくなると、その分地殻は隆起する可能性がある。
サンホアキン・ヴァレーを含むセントラル・ヴァレー全体では、150年間で160立方キロメートルの地下水が消失したと推定されている。
「測
シエラネヴァダ山脈に設置されたGPSの基準点
今回の研究には、サンホアキン・ヴァレー周辺のGPS電子基準点が用いられた。岩盤にしっかりと固定され、GPS衛星の信号を丹念に追跡するこれらの基準点は、地殻のわずかな変動も検出する。
GPS基準点は多くの場合、プレートの水平方向の運動を測定するのに用いられる。水平方向の運動は、サンアンドレアス断層のようなプレート境界においては特に関心の高い現象だが、基準点は垂直方向の変化も測定可能だ。垂直方向のほうが測定は困難だが、1年にわずか1mmの動きでも検出できると研究チームは述べている。
サンホアキン・ヴァレーの周辺地域に設置された、500を超えるGPS基準点を用いて測定された垂直方向の変化は、場所によって程度にばらつきはあるものの、全体としてはサンホアキン・ヴァレーをとりまく地域で年間1〜3mm地盤が隆起していることを示した。
この結果が、地下水の枯渇によるものかどうかを確かめるために、研究チームが使ったのは単純なコンピューターモデルだ。さまざまなエリアでの地下水の消失速度を試し、発生する地盤隆起のパターンが、GPSの測定値と一致する速度を割りだした。そしてその結果を、人工衛星「GRACE」のデータに基づく実際の地下水消失速度の推定値と比較した（GRACEは、衛星に作用する地球重力のわずかな変動から、地下水や氷床の変化を検出している）。比較の結果、2つの数値の誤差は20％以内となった。これは、単純な概算値にしては一致している方だと言える。
ただし、隆起の程度は一定ではなく、夏の終わりから秋にかけて最大になる。この時期は、高地の雪や地表水の量が1年で最も少なくなり、一方でヴァレーにおける地下水の使用量が最も多くなる時期だ。
こうした季節的なパターンは、この地域でサンアンドレアス断層沿いに発生する小さな地震の回数にも存在する。こちらも、夏の終わりから秋にかけてピークを迎える。こうした季節による変化は、この断層そのものの周囲に存在する地表水と地下水の量が、季節によって変動することに関連していると考えられているが、研究チームは、測定された地盤隆起も地震に影響を及ぼすかどうかを確かめることにした。
そこで先ほどのモデルを使い、サンホアキン・ヴァレーとその周囲の水量の季節変動をシミュレーションし、それが地下水の減少による長期的な地盤隆起に及ぼす影響を調べた。
セントラル・ヴァレーの地図。北部はサクラメント・ヴァレー、南部はサンホアキン・ヴァレーと呼ばれる。画像はWikipedia
地盤隆起とは、地殻が上方へたわむことで起こる一種の膨張現象だ。この動きは、サンホアキン・ヴァレーの西端部とほぼ平行に走るサンアンドレアス断層を、わずかに「引き離す」働きをする。電話帳の真ん中を押し上げると、両端が内へ向くのと少し似ている。
このように、断層を両側から圧迫する力が弱まることを、地震学者は「アンクランピング」（unclamping：留め金が外れること）と呼ぶ。地震は、断層の両側がずれようとする力が、それをとどめている摩擦力を上回ったときに発生するため、アン・クランピングは地震を発生しやすくする。
研究のモデルでは、地盤隆起の季節変動は、夏の終わりから秋にかけて、地震の増加が十分に予想されるレヴェルのアンクランピングをサンアンドレアス断層にもたらした。しかし、この季節的なサイクルだけでなく、地下水の枯渇によって徐々に生じる地盤隆起も、より全体的な断層のアンクランピングを進行させている。
「今回の研究結果は、人間の活動が地震の発生頻度を漸増させている可能性を示唆するものだ」と、研究チームは記している。今回の研究論文は『Nature』誌に掲載された。
※原油や鉱物などの採掘、ダム貯水池建設などを原因とした「人為的な地震」が頻繁に起こっているという研究結果がある（日本語版記事）。なお、日本ではJESEAが、全国に約1270点設置されている電子基準点のGNSSデータを利用して地震予測を行っている。
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