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Earthquake

平成23年(2011年)東北地方太平洋沖地震の現地調査報告(第2報) update 2011年4月14日
Preliminary report of the structure damages during 2011 off the Pacific coast of Tohoku Earthquake, update 14 Apr., 2011

- (2011/4/14) 高橋准教授,鍬田准教授,後藤が講演した土木学会東日本大震災被害調査団(地震工学委員会)緊急地震被害調査報告会(2011/4/11)の講演資料および映像記録が公開されています.以下より新しい内容ですので,こちらを参照下さい.
土木学会(外部サイト)

- (2011/4/2) 宮城県北部を対象とした地震動に関する被害調査報告をアップしました(内容は随時更新します) → PDF


(注意) 下記内容は速報です.内容が修正・更新されることがあります.(→ 第1報速報
Note that the following report will be updated in case I get the additional informations.


0.調査報告を書くにあたって

 東北地方太平洋沖地震の現地調査報告を書く前に,今回の調査に至る経緯と調査方針,目的について説明します.

 道路,鉄道,ライフラインといった市民生活の根底をなす土木構造物は,救援活動ならびに復旧活動を行うために優先的に復旧が進められます.この復旧活動が再重要であるということは言うまでもありませんが,地震で受けた被害が実際にどのようであったかを横断的に把握することが,今後の地震対策を進める上で重要な情報となります.このため,可能な限り早い段階で被害調査を行いたいと考えていますが,今回の地震は津波による甚大な被害から原子力発電所の事故までもを含んだ複合災害であり,通常地震後に行う地震被害調査とは状況が異なりました.そこで,本調査を行うにあたり,以下の方針を立てました.研究所としての方針と我々の方針とを併せて列挙します.

- 原子力発電所の状況を常に把握する
- 研究所/大学から発せられた指示に従う.また,危険と判断した場合にはただちに調査を中止する
- 海岸沿いの津波被災地は救援が最優先であるため入らない
- 最低2日間分の非常食,飲料水等を携行する.
- 所内教員との連絡を密にとる

 調査について許可していただいた研究所の関係者の方々に大変感謝致します.また,被災地域が広域におよぶため,限定された地点のみの調査であったことをご了解頂きたいと思います.

目次
Contents

1.調査の概要
  introduction

2.仙台市の様子
  damages in Sendai city

 鍬田泰子准教授による報告(PDF1
 Report from Prof. Kuwata (PDF1

3.古川駅前の様子
  damages around JR Furukawa station

 鍬田泰子准教授による報告(PDF2PDF3
 Report from Prof. Kuwata (PDF2PDF3

4.北上ー盛岡駅間の高架橋被害
  damage of elevated bridges between JR Kitakami and Morioka stations

 高橋良和准教授による報告(PDF
 Report from Prof. Takahashi(PDF

5.地震・地震動について
  summary of earthquake and ground motions


関連サイト
Related site

鍬田泰子准教授:東北地方太平洋沖地震

土木学会:東北関東大震災特別委員会情報共有サイト

京都大学防災研究所:『平成23年(2011年)東北地方太平洋沖地震 災害調査活動』


1.調査の概要
  introduction

 3月11日14時46分に三陸沖を震源とするマグニチュード9.0(Mw)の地震が発生した[1,2].この地震では,宮城県栗原市築館で震度7を観測し,また宮城県,福島県,茨城県,栃木県の広い範囲で震度6強を観測している[1](Fig.1).気象庁およびUSGSによると本地震のメカニズムは北西ー南東方向に圧縮軸をもつ逆断層型地震で,震源の深さからみても太平洋プレートと北米プレートとの間で発生したプレート境界型地震であると考えられる.Fig.1に示す震度分布,およびFig.2に示す最大加速度分布からも示唆されるように,今回の地震断層は南北方向に広がっており,その余震域も長さおよそ500km,幅およそ200kmに及んでいることが報告されている[1].本地震では,大津波警報を発する規模の津波が発生し,その津波による被害は広範囲かつ甚大である.
 Large earthquake attacks eastern part of mainland in Japan at 14:46, on 11th March (local time, GMT+9)[1]. The magnitude is estimated as Mw9.0, and the CMT solution by USGS [2] indicates the reverse fault mechanism with a strike angle of almost south to north direction. The location of hypocenter and the mechanism imply that the earthquake occurred in the boundary between North America and Pacific plates. Large seismic intensities of JMA scale (0-7) were observed in Tohoku and Kanto areas; 7 at Tsukidate, Kurihara in Miyagi prefecture, and 6+ at several locations in Miyagi, Fukushima, Ibaraki, and Tochigi prefectures (Fig.1). As shown in the distribution of JMA seismic intensities and PGA (Fig.2), the large seismic fault of about 500 km in strike direction and about 200 km in dip direction is implied from the distribution of aftershocks. The earthquake generates Tsunami, and caused severe damages along the coast line of the eastern part of mainland.

 本地震による土木構造物の被害状況を調査するため,高橋良和准教授(京都大学防災研究所),鍬田泰子准教授(神戸大学),後藤浩之(京都大学防災研究所)の3名は,3/13-16の日程で現地に赴いた.本調査のルートは以下の通りである.
 Prof. Yoshikazu Takahashi (DPRI, Kyoto Univ.), Prof. Yasuko Kuwata (Kobe Univ.), and Goto (DPRI, Kyoto Univ.) went the damaged area in order to investigate the damages of civil structures during the earthquake in 13-16th, March. The route is as follows (Fig.3):

・3/13:宇治東ICー(名神高速ー北陸道)ー新潟西ICー(国道7号)ー酒田
・3/14:酒田ー(国道47号)ー大崎市古川ー(国道4号)ー仙台ー(国道4号)ー大崎市古川ー(国道47号)ー酒田(泊)
・3/15:酒田ー(国道7号)ー仁賀保ー(秋田自動車道)ー北上西ICー(国道4号など)ー北上・花巻ー(国道4号など)ー北上西ICー(秋田自動車道)ー(国道7号)ー酒田ー(国道7号)ー新潟ー(北陸道ー名神高速)ー宇治東IC

+ 13 Mar.: Kyoto -(Highway)- Niigata -(R7)- Sakata
+ 14 Mar.: Sakata -(R47)-(R4)- Sendai city -(R4)- Furukawa area -(R47)- Sakata
+ 15 Mar.: Sakata -(R7)-(Highway)-(R4)- Kitakami, Hanamaki -(R4)-(Highway)-(R7)- Sakata -(R7)- Niigata -(Highway)- Kyoto

 調査はルートに沿って概ね行いましたが,その中で我々が見た特徴的な被害について取り上げて報告します.
 The investigation was only limitted area along the above route. In the following reports, I pick up the typical damages due to the ground motion, not Tsunami.

 

Fig.1:震度5弱以上の震度分布と本震のCMT解(USGS[2])
Distribution of JMA seismic intensity (>5-) and CMT solution (USGS[2])

Fig.2:最大加速度分布(防災科学技術研究所[3],東京大学地震研究所[4],産業技術総合研究所[4],国土技術政策総合研究所[5]のデータを使用しました)
Distribution of PGA prvided by NIED[3], ERI, Univ. of Tokyo[4], AIST[4] and NILIM[5]

Fig.3:調査ルート(上図:3/14,下図:3/15)
Route on 14th (upper figure) and 15th (lower figure)


2.仙台市の様子
  damages in Sendai city

 → 鍬田泰子准教授による報告(PDF1
 → Report from Prof. Kuwata (PDF1

 八木山橋の様子:青葉城址近くの八木山橋は地震によって20cm程の段差ができていた.橋梁の取り付け部の盛土中央に開口クラックと盛土の側方へのはらみだしによって頂部が沈下したことによるものと考えられる.
 About 20cm of gap between bridge and abutment of Yagiyama bridge (purple mark on the above map) was recognized. Sinking of the abutment because of spreading of the sides and opening crack at the center is considered.

 青葉区桜ヶ丘の様子:地表の傾斜と垂直な方向に開口クラック,液状化の痕跡がみられた.
 Opening cracks perpendicular to the slope were observed in Sakuragaoka area (brown mark on the above map). Tilting the gate stone and appearance of sands imply the liquefaction.

 K-NET仙台(仙台市宮城野区苦竹)の記録と応答スペクトル:上記の被害地点とはかなり(数km)離れた位置の観測点であることに加えて地盤条件も全く異なると考えられるが,参考のため最も近い地震動の特徴を調べてみる.NS成分が顕著で,かつその最大値も1000gal程度,70kine程度と小さくないことがわかる.加速度応答スペクトル(Sa)と疑似速度応答スペクトル(pSv)を兵庫県南部地震の記録と比較すると,pSvは兵庫県南部地震の神戸海洋気象台(JMA Kobe)と似た特性を持つことがわかる.
 Observed waveforms and response spectra (Sa and pSv) at K-NET MYG013 station (conducted by NIED[3], red circle on the map) are shown in the bottom figures. It is required to identify the site characteristics between the site at the station and the above damaged sites, while I may refer to the data in order to understand the ground motion. NS component of the waves is significant, and the maxmum values are about 1000gal of PGA and about 70kine of PGV. The psudo-velocity response spectrum is compared to the spectra of JMA Kobe and JR Takatori waves obseved in 1995 Kobe earthquake. The peak period and the level are similar to the JMA Kobe wave.



3.古川駅前の様子
  damages around JR Furukawa station

 → 鍬田泰子准教授による報告(PDF2PDF3
 → Report from Prof. Kuwata (PDF2PDF3

 古川駅西側の被害状況を調査した.歩いて調査したルート(青線)と被害の様子を併せて図示した.古川駅近くでは液状化による被害が顕著であるが,その一方で中里地区では液状化被害はなく,家屋被害が目立っている.なお,調査ルートから確認できる範囲のみの被害状況であるということ,家屋被害の有無は定量的なものではないことを予め断っておく.ところでこの地域には免震建物があり,オーナーの証言によると建物内に置いてあるものが倒れたりすることはなかったということである.
 Several types of damages were recognized in western side of JR furukawa station. The map shows the locations of the damages (red mark: residence damage, brown mark: liquefaction, purple mark: uplifted manholes). Note that the investigation is only along the walking line indicated by blue line. The liquefaction is significant in the area closer to the station, while the residence damages are recognized in the western area. Importantly, I heard from the owner that a building with a base isolation (yellow mark) did not have a severe damage on the upper structure, and no stuffs were fallen down.

 古川駅西側の液状化の様子:古川駅西側の地域で液状化による噴砂の痕跡が確認された.液状化によってマンホールが60cm程度浮き上がっている箇所や,街路樹が倒れる現象が見られた.(写真番号は図中の番号に対応します)
 Sand boils due to liquefaction were in the western side of JR Furukawa station. Several manholes were uplifted about 60cm at most, and street trees were tilted. The photo number indicates the location corresponding to the number on the map.

(1) (2) (3)

(4) (5) (6)

 古川中里地区の家屋被害の様子:液状化した地域をさらに西に進んだところで局所的に家屋の被害の大きな地域が見られた.確認した限り,この地域に液状化の痕跡は見られない.倒壊した家屋はおおむね木造であるが,鉄骨造の家屋の倒壊も見られた.(写真番号は図中の番号に対応します)
 Residences were severely damaged in western side of the liquefaction area. We could not find the evidence of liquefaction in the area. Almost damaged residences were wooden, whereas a steel frame building was damaged.

(1) (2) (3) (4)

(5) (6) (7)

 古川駅北側の高架橋の様子:古川駅北側の新幹線高架橋を確認したところ,橋脚などに損傷は確認されなかったが,液状化の痕跡が見られた.ただし,高架橋に取り付けられていたパイプが落下し,車両の被害が出ていた.
 We did not find damages on elevated bridge of Tohoku Shinkansen in the northern part of Furuakwa station. There are the evidences of liquefaction on the bottom of the piers. Pipes attacheching the elevated bridge hit the cars.

 荒雄神社の様子:古川駅そばの荒雄神社では,石灯籠の転倒,手水舎の倒壊,石鳥居の上部の落下が見られた.おおむね北西ー南東方向であった.
 Stone towers and wooden frame were collapsed in Arao shrine located at about 800m away from Furukawa station. The directions are almost NW-SE. Upper bar of stone gate was fallen down.

 龍洞院の様子:同じく古川駅そばの龍洞院では,門柱の転倒や墓石の転倒が見られた.転倒方向はおおむね北西ー南東方向である.証言によると,門柱は1度目の震動では揺れたものの転倒しなかったが,2度目の震動で飛び出して転倒したということである.
 Stone gates and stone graves were collapsed in Ryutoin temple. The directions are also NW-SE. Chief priest said the stone gate popped up during the second shakes.

 ところで,古川地域にはK-NET古川と気象庁の観測点と2つの地震観測点がある.3/21現在,記録が公開されていないが,無事に記録が回収されることを願っています.
 There are two stations located in the area, however it has not been salvaged on 21th, March.


4.北上ー盛岡駅間の高架橋被害
  damage of elevated bridges between JR Kitakami and Morioka stations

 → 高橋良和准教授による報告(PDF
 → Report from Prof. Takahashi(PDF

 高架橋に見られた大きな損傷(第5鳥喰BL,第1中曽根BL)
 Several piers on elevated bridge in Tohoku Shinkansen were severely damaged.

 大きな損傷が認められた高架橋の傍で,地震動によって振動したと思われる畜霊碑があった.畜霊碑は転倒していないものの,碑の下部に3cmほどの上下方向の開きが認められた.
 Stone monument beside the damaged elevated bridges moves due to the ground motion.

 K-NET北上(北上市二子町鳥喰)の記録と応答スペクトル:上の被害地点の比較的そばにある観測点である.ただし地盤条件が同じである保証はない.NS成分がやや顕著であるものの,2成分で大きな違いは見られない.最大値は600gal程度,40kine程度とである.疑似速度応答スペクトル(pSv)は神戸海洋気象台(JMA Kobe)よりやや短周期にピークをもつ特性であることがわかる.
 Observed waveforms and response spectra at K-NET IWT012 station (conducted by NIED[3], red circle on the map) are shown in the bottom figures. PGA and PGV of the ground motion are about 600gal and 40kine, respectively. The peak period of pSv is shorter than that of JMA Kobe wave.


 2003年の三陸南地震で損傷した高架橋(第5猪鼻BL)の今回の様子:今回の地震による被害は,外見上見られなかった.
 The damaged piers during the past 2003 earthquake were not damaged in this earthquake.


5.地震・地震動について
  summary of earthquake and ground motions

 本地震では,前述したように東北から関東地方にかけての広い範囲で震度6強が観測された(Fig.1).また,Fig.2に示した最大加速度分布を見ると,震源断層があると考えられる海岸側から一様に加速度値が小さくなるのではなく,宮城県付近で最大加速度値の大きな地域,栃木県と茨城県の県境で最大加速度値の大きな地域など地域差があるように見受けられる.これは,震源断層が一様に破壊したのではなく複数のアスペリティを持つように破壊したために,地震動の大きいところや小さいところがあったのではないかと予想した.気象庁の遠地波形の分析によると,本地震は3つの破壊が連続して発生したと考えられるようである[6].また,報告されている震源過程によると[7,8,9],概ね震源付近に大きな滑りの領域が推定されていることは共通しており,さらに南側に大きな滑りの領域が推定されているものもある.防災科学技術研究所の強震観測網(K-NET,KiK-net)で公開されている本震の波形には複数のフェーズが見られること[10]や2つの波群が見えること[11]が報告されており,このことからも複数の破壊が生じていたことが示唆されている.

 Fig.4は,USGSのCMT解の断層走向方向におよそ平行に並ぶ防災科学技術研究所KiK-net観測点を選択し,その地中記録のEnvelope波形を並べたものである.まず,IWTH05で最も早い時刻に観測されるようなフェーズが,およそ50秒の間をおいて2つ認められる.この2つのフェーズは北方向,南方向へ伝播するにつれて減衰し,福島県以南では顕著でなくなる.一方,その2つのフェーズとは独立にTCGH13あたりで最も早い時刻に観測され,北へと伝播する別のフェーズも確認できる.先の2つのフェーズが早い時刻に観測された宮城県北部から岩手県にかけてと,3つめのフェーズが早い時刻に観測された栃木県と茨城県の県境は,双方とも震度6強など大きな地震動が観測された地域に相当する.このことから,宮城県から岩手県にかけて観測された大きな地震動はおおむね1つ目と2つ目のフェーズによる影響が,また栃木県から茨城県にかけて観測された大きな地震動は3つ目のフェーズの影響が支配的であると考えることができる.なお,今回は宮城県と岩手県を中心とした調査であったことから,ここでは3つ目のフェーズによる影響は小さいと考えて始めの2つのフェーズに着目することにする.先に述べた2つの観測点(MYG013,IWT012)の波形を見ても,2つの明瞭なフェーズ(イベント)を確認することができる.

 宮城県から岩手県にかけての地域について,疑似速度応答スペクトル(h=0.05)のピーク周期とピーク値をプロットしたものをFig.5に示す.ピーク周期が1秒程度かつピーク値が200cm/s程度の地震動が,宮城県から福島県にかけての海岸に沿って観測されている.一方岩手県ではピーク周期にばらつきはあるものの,おおむねピーク値が100cm/s程度かそれを下回る程度の地震動である.pSvの値が大きい観測点としてK-NET石巻(MYG010),K-NET仙台(MYG013),K-NET相馬(FKS001)を選択し,その疑似速度応答スペクトルを1995年兵庫県南部地震の神戸海洋気象台(JMA Kobe),JR鷹取(JR Takatori)の記録と比較してFig.6に示す.スペクトルを比較した限りでは,MYG013はJMA Kobeの地震動と似たスペクトル特性を持つこと,またMYG010は0.5-1.0秒の周期帯のレベルが大きく落ちるものの,1-2秒の周期帯でJR Takatoriの地震動に迫るレベルのスペクトル特性を持つことがわかる.ただし,これらの地域の状況を現時点ではまだ把握できていないため結論を出すことはできないが,地震動のレベルが小さかったと言うには早計であろうと思われる.また津波による被害が甚大である地域も含むことから,慎重に議論を進める必要があると思われる.一方,震度7を観測したK-NET築館(MYG004)の地震動についても同様に疑似速度応答スペクトルを比較すると(Fig.7),0.1-0.5秒の短周期側にピークをもっており,JMA KobeやJR Takatoriとスペクトル特性が異なることがわかる.このスペクトル特性は構造物への影響が大きい周期帯(1-2s)のレベルが小さいが,先に述べた沿岸域のスペクトル特性となぜ異なるのかについての検討を行わないと,観測点以外の地域の地震動(例えば古川など)を議論することは難しいと思われる.なお,参考のためK-NET石巻(MYG010),K-NET相馬(FKS001),およびK-NET築館(MYG004)の速度波形をFig.8に示す.

 宮城県から岩手県にかけて観測された2つのフェーズそれぞれによる影響を調べるため,1つ目のフェーズのみを取り出した地震動と2つ目のフェーズのみを取り出した地震動による疑似速度応答スペクトルを比較する.Fig.9に示す図は,2つの地震動に分割することが容易であった宮城県内で観測された地震動について,それぞれの疑似速度応答スペクトルを描き,1つ目のフェーズが支配的である周期帯域を青色の,2つ目のフェーズが支配的である周期帯域を赤色の帯で示したものである.なお,実際の地震動によるスペクトルが両スペクトルを包絡していることを確認している.おおむね2つ目のフェーズによる影響が支配的であり,かつ1秒より長い周期帯域の応答はほぼ2つ目のフェーズによってのみ説明できる.ただし,先に述べたK-NET石巻(MYG010)やK-NET仙台(MYG013)では1つ目の影響も1秒より短い周期帯域などで表れており,無視できないようである.

 ところで,著者(後藤)は,東京大学駒場キャンパス内のホールでニュージーランド・クライストチャーチ地震の報告会に参加している際に本地震を体験しました.ホール内に緊急地震速報が放送され,「あと40秒,震度3」という内容だったと記憶しています.カウントダウンの通り徐々に揺れ始め,みなさん落ち着いた様子でしたが,数十秒経過後に大きな横揺れを感じ,天井の照明器具が大きく揺れ,ホールから逃げ出す人も出始めたことを覚えています.ただし,天井が落下したりなどの具体的な被害はありませんでした.


Fig.8:K-NET石巻(MYG010),K-NET相馬(FKS001),およびK-NET築館(MYG004)の速度波形
Velocity waveforms of MYG010, FKS001 and MYG004

 


Fig.4:図中のKiK-net観測点における地中記録(EW成分)のenvelope波形
Envelope waveforms of KiK-net borehole data (EW) for the sites indicated on the map


Fig.5:疑似速度応答スペクトルのピーク周期,ピーク値分布(EW成分)
Peak period and value of psedo-velocity response spectrum (EW comp.)


Fig.6:疑似速度応答スペクトルの比較(MYG010,MYG013,FKS001)
Comparison of psedo-velocity response spectrum (MYG010, MYG013, FKS001)


Fig.7:疑似速度応答スペクトルの比較(MYG004)
Comparison of psedo-velocity response spectrum (MYG004)


Fig.9:pSvでみた2つのフェーズの貢献度の違い
Contributions of 1st and 2nd phases to pSv


6.おわりに
  Conclusion

 本調査では,今回の地震に伴う被害として海岸からある程度離れた地域のいくつかの地点を調べた.津波災害が甚大であることは事実であるが,それ以外にも地震に伴う顕著な被害がポイント・ポイントではあるものの存在することが確認できた.
 This report picked up typical damages due to the ground motion during the earthquake, not Tsunami. We could access several damaged area, but almost areas are still veiled. We understand the damages due to Tsunami are severe, whereas the damages due to the ground motion existed.

 本報告では,USGSのCMT解,防災科学技術研究所の強震観測網(K-NET,KiK-net)の記録,東大地震研の記録,産総研の記録,国総研の記録,ならびに気象庁の震度情報を利用させて頂きました.記して感謝致します.また,googleの地図を利用させていただきました.本地震で犠牲となった方々にご冥福をお祈りいたしますとともに,1日でも早い被災地の復旧をお祈り申し上げます.
 In this report, CMT solution of USGS, waveform data provided from NIED (K-NET, KiK-net), ERI Univ. of Tokyo, AIST, and NILIM, and JMA seismic intensity data by JMA are used. We appreciate the great contributions to the investigation what happend during the earthquake. We pray sincerely for the repose of victims soul, and hope the damaged area recovers in short term.

参考文献
Reference

[1] 気象庁:平成23年(2011年)東北地方太平洋沖地震関連情報

[2] USGS:Magnitude 9.0 - NEAR THE EAST COAST OF HONSHU, JAPAN

[3] 防災科学技術研究所:強震観測網(K-NET,KiK-net)

[4] 東京大学地震研究所:2011年3月 東北地方太平洋沖地震

[5] 国土技術政策総合研究所:国土交通省河川・道路等施設の地震計ネットワーク情報

[6] 気象庁:「平成23年(2011年)東北地方太平洋沖地震」の地震について(第15報)

[7] USGS:Finite Fault Model

[8] 名古屋大学地震火山・防災研究センター:NGY地震学ノート No.36

[9] 八木勇治,西村直樹:2011年3月11日東北ー太平洋沿岸地震(暫定 Ver2)

[10] 防災科学技術研究所:平成23年(2011年)東北地方太平洋沖地震による強震動

[11] 京都大学防災研究所強震動研究分野:2011年3月11日東北地方太平洋沖地震の東日本太平洋沿岸における地震動について


文責 後藤浩之京都大学防災研究所
by Hiroyuki Goto, DPRI Kyoto University.

Mail to : gotocatfish.dpri.kyoto-u.ac.jp (@は半角の@に置き換えて下さい)