地震の長周期地震動に場所や条件による違いがあるのは、震源でどれだけ長周期の波が生まれるか、波がどの地下構造を通るか、到達地点にどれだけ厚い堆積層があるかが地域ごとに異なるからです。さらに、高層建物の揺れ方まで考えると、地面の長周期成分と建物の固有周期がどれだけ近いかによっても影響の大きさが変わります。
つまり、長周期地震動は「大地震なら全国どこでも同じように起こる」ものではありません。震源・伝播経路・地盤という三つの条件によって地表の揺れ方が変わり、その揺れを受ける建物の周期特性によって体感や被害の出方にも差が生まれます。
長周期地震動の違いは3段階で考えるとわかりやすい
ある地点で観測される長周期地震動の違いは、大きく次の三段階で整理できます。
- 震源の違い：地震の規模、震源の深さ、断層破壊の広がり方
- 伝播経路の違い：地震波がどの地下構造や堆積層を通ってきたか
- 地点地盤の違い：観測地点の平野・盆地の深さや堆積層の厚さ
気象庁は、一般にマグニチュードが大きい地震ほど長い周期の揺れが大きくなり、長周期地震動の主成分となる表面波は震源が浅いほど卓越しやすいと説明しています。また、長周期の波は短周期の波より減衰しにくく、柔らかい堆積層では増幅されます。
この三段階の条件が組み合わさるため、震源から同じくらい離れた場所でも長周期地震動の大きさが違うことがあります。
大きく浅い地震ほど長周期地震動を生みやすい
長周期地震動の地域差を考える最初の条件は、地震そのものの規模と深さです。
規模の大きな地震では、断層破壊が広い面積に及び、破壊が続く時間も長くなります。そのため、短い周期だけでなく、数秒以上の長い周期をもつ地震波も強く生じやすくなります。
また、気象庁は、長周期地震動の主成分となる表面波が浅い震源ほど卓越しやすいと説明しています。このため、一般には浅くて規模の大きな地震ほど長周期地震動を強く生じさせやすいと考えられます。
ただし、マグニチュードだけで各地の長周期地震動の強さを決めることはできません。同じ規模でも震源位置や断層破壊の向きが違えば、どの方向へどの周期の波が強く伝わるかが変わるからです。
震源の位置が違うだけで同じ平野の揺れ方も変わる
長周期地震動では、震源から観測地点までの「波の通り道」が重要です。
関東平野の長周期地震動を調べた研究では、観測される振幅、継続時間、卓越周期が震源位置によって変化することが示されています。その理由の一つとして、震源位置が変わると表面波の伝播経路も変わり、波が集中しやすい場所が変化することが挙げられています。
特に、平野を囲む盆地端部では、表面波が反射・屈折したり、特定の方向から来た波が集中したりすることがあります。
つまり「関東平野だから毎回同じ長周期地震動になる」のではなく、どこで地震が起きたかによって、平野のどこが強く揺れるかも変わるのです。
長周期の波には「伝わりやすい経路」がある
地震波は地下を均一に広がるわけではありません。岩石の硬さや地震波速度が異なる層を通ると、反射・屈折・変換を繰り返します。
気象庁は、長周期の波が柔らかい堆積層を効率よく伝わる場合があると説明しています。たとえば南海トラフ沿いには、比較的柔らかい堆積物からなる付加体が広がっており、長周期の表面波を伝えたり発達させたりすることがあります。
このため、震源からの直線距離だけでは長周期地震動の強さを説明できません。同じ距離でも、波が減衰しにくい地下構造を通る地点と、そうでない地点では観測される揺れが変わります。
関東・大阪などの大規模平野で大きくなりやすいのはなぜか
関東平野、大阪平野、濃尾平野などでは、硬い地震基盤の上に柔らかい堆積物が厚く積もっています。
こうした深い堆積盆地では、長周期の地震波が増幅されやすく、さらに波が盆地内部で反射や屈折を繰り返すことで、揺れが長時間続くことがあります。
気象庁も、大規模な平野や盆地では柔らかい堆積層によって長周期の波が増幅されると説明しています。USGSの研究でも、深い堆積盆地では長周期帯の地震動が強くなり、継続時間が長くなる「盆地効果」が重要であることが示されています。
つまり、震源から離れていても、大きな堆積盆地の上にある都市では長周期地震動が無視できないことがあります。
同じ平野の中でも長周期地震動は一様ではない
「関東平野」「大阪平野」といっても、地下構造は平らな一枚の層ではありません。
地震基盤の深さは場所によって異なり、堆積層の厚さや形も複雑です。盆地の中央部、端部、地下の谷状構造などによって、増幅されやすい周期や揺れの継続時間が変わります。
関東平野を対象にした研究でも、盆地端部の位置や表面波の伝わる経路によって、長周期地震動が集中しやすい場所が変わることが報告されています。
そのため、同じ都県内、同じ平野内でも、観測点によって長周期地震動階級やスペクトルの形が異なることがあります。
「どの周期が強いか」にも場所ごとの差がある
長周期地震動は、単に「ゆっくりした揺れが強いか弱いか」だけで表されるものではありません。
地震動にはさまざまな周期成分が含まれています。ある地点では周期2～3秒付近が強く、別の地点ではそれより長い周期が卓越するという違いが生じます。
この卓越周期の差には、震源でどの周期の波が強く放出されたか、伝播経路でどの波が残りやすかったか、堆積盆地がどの周期の揺れを増幅しやすいかが関係します。
したがって、「長周期地震動が強い地域」という情報だけでは、高層建物への影響を完全には判断できません。どの周期帯が強いのかを見ることも重要です。
高層建物の高さによって影響が違うのはなぜか
ここからは地面の揺れそのものではなく、建物側の条件による違いです。
建物にはそれぞれ固有周期という揺れやすい周期があります。一般に、低い建物は固有周期が短く、高層建物は全体がゆっくりしなるため固有周期が長くなります。
地面の長周期成分と建物の固有周期が近いと、建物は共振しやすくなります。ブランコを揺れのタイミングに合わせて押すと振幅が大きくなるのと似ています。
USGSの高層建物観測研究でも、長周期地震動と地盤・建物の固有周期が近い条件では、遠方の地震でも高層建物の応答が長時間増幅されることが示されています。
そのため、同じ場所に建つ建物でも、高さや構造が違えば揺れ方は同じではありません。
同じ高さの建物でも揺れ方が違うことがある
建物の固有周期は高さだけで完全に決まるわけではありません。
鉄骨造、鉄筋コンクリート造、免震構造などの構造形式、柱や壁の剛性、建物の形状、質量分布、制振装置の有無などによって固有周期や減衰特性は変わります。
また、地震で建物が大きく揺れると、剛性が変化して固有周期が一時的または恒久的に変わることもあります。
したがって、「30階建てならすべて同じ長周期地震動リスク」というわけではありません。地面側の周期特性と建物側の周期特性の組み合わせを見る必要があります。
高層階ほど大きく揺れる条件がある
高層建物では、建物全体が曲がるような振動モードが生じます。
その場合、基礎に近い低層階よりも上層階のほうが大きな振幅で動くことがあります。さらに長周期地震動が建物の固有周期と近いと、繰り返し揺さぶられることで応答が成長し、長時間揺れ続けます。
気象庁が長周期地震動階級を震度とは別に設けているのも、地上の震度だけでは高層ビル高層階の揺れの大きさを十分に表せないためです。
実際、地表の震度がそれほど大きくなくても、高層階では家具が大きく移動したり、立っていることが難しくなったりする場合があります。
震度が同じでも長周期地震動階級が違うことがある
震度は、比較的短い周期を含む地表の揺れを、人の体感や一般的な建物被害と対応するように評価した指標です。
一方、長周期地震動階級は、高層建物などに影響しやすい長周期帯の揺れを別の観点から評価します。
このため、二つの地点で震度が同じでも、長周期成分の強さが違えば長周期地震動階級が異なることがあります。逆に、震度が大きい地点が必ず最も大きな長周期地震動を記録するとも限りません。
「強い地震動」と「長周期成分が強い地震動」は重なる部分もありますが、完全に同じものではないのです。
震源から遠い都市でも大きく揺れることがある
長周期の地震波は短周期の波に比べて減衰しにくく、遠くまで伝わりやすい性質があります。
そのため、震源から数百km離れた都市でも、厚い堆積盆地と高層建物という条件が重なると大きな揺れになることがあります。
2011年東北地方太平洋沖地震では、震源域から遠く離れた東京や大阪の高層建物でも長時間の大きな揺れが観測されました。USGSの研究でも、日本の高層建物が遠方のM9.0地震による長周期地震動の影響を受けたことが報告されています。
つまり、長周期地震動では「震源から遠いから影響は小さい」とは限りません。
同じ地域でも地震ごとに違うのはなぜか
ある都市が長周期地震動を受けやすい地盤にあっても、すべての地震で同じように揺れるわけではありません。
地震ごとにマグニチュード、震源の深さ、断層の位置、破壊方向、地震波の周期構成が異なります。
さらに、同じ平野へ入ってくる波でも、どの方向から入射するかによって盆地内部での反射・屈折のしかたが変わります。
関東平野の研究で震源位置による伝播特性の差が確認されていることからも、地域の「揺れやすさ」と地震ごとの「波の入り方」の両方を考える必要があります。
長周期地震動の地域差は予測できるのか
長周期地震動の地域差は、完全にランダムなものではありません。
地下の三次元速度構造、堆積盆地の深さ、想定震源の位置や規模を使えば、数値シミュレーションによって地域ごとの長周期地震動を予測できます。
ただし、地下構造モデルには不確実性があります。J-STAGE掲載の研究では、関東平野について異なる三次元地下構造モデルを使うと、周期5～10秒付近の予測長周期地震動に大きな差が出ることが示されています。
このため、長周期地震動の予測では、震源モデルだけでなく、深部地盤モデルをどこまで正確に作れるかが重要です。
地域差を知るには何を見ればよいのか
一般向けに確認しやすい情報として、気象庁の長周期地震動に関する観測情報があります。
地震発生後には、地域ごとの長周期地震動階級や観測点ごとの値が発表されます。震度情報と合わせて確認することで、地表の一般的な強い揺れだけでなく、高層建物に影響しやすい長周期成分がどの地域で大きかったかを把握できます。
高層建物での防災を考える場合は、地域の長周期地震動階級だけでなく、建物の固有周期、制振・免震装置、家具固定、エレベーター停止時の対応なども重要です。
「平野なら必ず危険」と考えないことも大切
長周期地震動は大規模な堆積平野で増幅されやすい傾向がありますが、平野にあるだけで毎回大きな被害が出るわけではありません。
地震の規模が小さければ長周期成分そのものが弱いことがあります。また、同じ平野でも基盤深度や震源方向によって揺れ方が違い、建物の固有周期が地震動の卓越周期と離れていれば共振しにくい場合もあります。
逆に、震源から遠く、震度がそれほど大きくない地域でも、長周期成分が強く、建物と周期が合えば大きく揺れる可能性があります。
したがって、地域名だけで危険度を決めるのではなく、震源・地下構造・建物特性という条件の組み合わせを見る必要があります。
まとめ
地震の長周期地震動に場所や条件による違いがあるのは、震源、伝播経路、地点地盤の条件が地域ごと・地震ごとに異なるためです。
大きく浅い地震ほど長周期の波を生じやすく、その波は短周期波より遠くまで伝わりやすい性質があります。さらに、関東平野や大阪平野のような厚い堆積盆地では長周期成分が増幅され、反射・屈折によって揺れが長時間続く場合があります。
同じ平野でも、震源位置や盆地構造によって表面波の集中する場所や卓越周期は変わります。また、高層建物への影響は、地面の長周期成分と建物の固有周期がどれだけ近いかによって大きく異なります。
つまり長周期地震動の地域差は、「どんな地震が起きたか」「波がどの地下構造を通ったか」「その場所の堆積層がどんな周期を増幅するか」「建物がどの周期で揺れやすいか」という条件の組み合わせで生まれます。
参考資料
- 気象庁「長周期地震動の特徴」
- 気象庁「長周期地震動に関する情報について」
- U.S. Geological Survey「Effects of deep basins on structural collapse during large subduction earthquakes」
- 寺島芳洋・福和伸夫「関東平野における長周期地震動の伝播特性と震源位置による変動」
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