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3．「新たな観測・実験技術の開発」研究計画

  　「新たな観測・実験技術の開発」研究とは、しばしば言われてきたことではあるが、これまでとらえることが困難ないし不可能であった現象を見るための「道具」の開発である。
　この研究計画は、観測対象あるいは観測手段の観点から、次の四つの項目に分類されている。すなわち、
（1） 海底諸観測技術の開発と高度化
（2） ボアホールによる地下深部計測技術の開発と高度化
（3） 地下構造と状態変化をモニターするための技術の開発と高度化
（4） 宇宙技術等の利用の高度化
　なお、実験技術開発研究は、他の研究分野と共同で実施されることが多く、それぞれの項目で報告されているものもある。
（1） 海底諸観測技術の開発と高度化
  　海域で発生する地震や地殻変動を高い分解能と精度で観測するためには、海底での観測が不可欠である。海底での十分な精度の海底諸観測技術開発と高度化のため、次のような研究開発を実施している。

（GPS−音響測距結合方式による海底測位計測システムの高度化）
　東北沖日本海溝の海側、既設の岩手県沖、宮城県沖に加えて福島県沖に海底局を設置し測位観測を実施するとともに、海溝陸側の3か所で測位観測を行った。いずれも海底の繰り返し測位精度は数センチメートルであるが、図55に示すように、宮城県沖ではプレート沈み込みに伴う上盤プレートの変形と解釈される地殻変動を検出した（東北大学［課題番号：1207］、東京大学地震研究所［課題番号：1418］、藤本，2005、藤本ほか，2005、東北大学，2005）。
　長期繰り返し観測結果の信頼性向上のため、駿河湾や熊野灘で測位観測を実施した。2004年（平成16年）9月5日の紀伊半島南東沖の地震（マグニチュード7.1、マグニチュード7.4）発生前の観測、及びその後の繰り返し観測により、図56及び図57に示すように地震に伴う水平変動が南へ18センチメートルであることを十分な精度でとらえられるようになった（名古屋大学［課題番号：1706］）。

（海底における圧力・傾斜変動観測の高度化）
　耐海水腐食対策を施した海底圧力計を平成16年度に襟裳岬沖、岩手県沖及び宮城県沖に設置したので、それぞれの海底圧力計を回収し、対策の効果を調査した。その結果、腐食対策は非常に効果があり、また圧力観測にも影響がないことが確認できた（東北大学［課題番号：1207］）。

（海底ケーブル利用システムの開発）
　海域における地震、地殻変動、深層流・地下水等、深海底環境変動の広域・多点観測を目的として、愛知県豊橋沖等においてケーブルで結んだ多数のセンサーから成るリアルタイム長期総合海底観測システムの開発研究を行った。また、海底ネットワーク基盤技術となり得るケーブル給電技術、データ電送技術、同期技術等及びシステムに接続するセンサー類の開発研究を行った（海洋研究開発機構［課題番号：4004］、川口ほか2005、Watanabe et al.,2005a、2006）。

（海底ボアホールを利用した歪・傾斜変動観測の高精度化）
　開発中のレーザー干渉計測を利用した孔井設置型の傾斜計を陸上の観測井内で検定試験を実施し、長基線の水管傾斜計と同等の精度が得られている。さらに、DSPの採用により干渉縞の信号から変位に換算する非線形演算をリアルタイムに処理し、データ記憶容量を大幅に低減させることが可能となった。平成17年度は海底設置を実現するために必要な光源の省電力化について重点的に研究を行った。セシウムの吸収線にレーザー光を通し、得られた吸収線を基準に半導体レーザーの波長を安定化し、二系統のレーザー光を干渉させ、そのビート周波数を測定することにより、個々のシステムの波長安定度を見積もった結果、実際の観測の時間スケール（10秒以上）では10のマイナス10乗〜10のマイナス11乗の安定度が得られることが明らかとなった（東京大学地震研究所［課題番号：1418］）。

（海底における長期地震観測の高度化）
　大小様々な地震波形を歪無く観測するため、高感度や広帯域の海底地震計に加え加速度計を用いた多項目センサーの海底地震計開発を行い、図58に示す試作2号機（加速度センサーとして日本航空電子製JA28 GAを使用）を作成して茨城沖に設置した。図59に示すように加速度計記録を速度記録に変換し、併設していた高感度地震計速度記録と比較した結果によれば、両者の波形はほぼ同一であり、加速度計の海底地震計への設置手法が適切であったこと、加速度計を併設することは高感度地震計のダイナミックレンジを拡大するために有効であることが分かった（東京大学地震研究所［課題番号：1418］、Shinohara et al.,2005）。
（2） ボアホールによる地下深部計測技術の開発と高度化
  　ボアホール利用による地下深部計測技術とは、雑音の多い地表から離れることによって高分解能のデータを得るだけでなく、震源核に近づいて地殻応力状態や断層物質を直接測定するための重要な技術の一つである。この研究項目では次のような研究が実施されている。

（新たな水圧破砕法及び乾式破砕法の導入による地殻応力測定の高度化）
　水圧破砕法の疑問点に関する議論は結論をみないまま20年以上続いている。そこで従来型水圧破砕法、新たに提案されている高剛性水圧破砕法（Ito et al.,2005）及びボアホールジャッキ式応力測定プローブ（Li et al.,2005）による比較試験を実施した。ボアホールジャッキ式応力測定プローブは、水と係わる水圧破砕法の問題点から逃れることができると同時に実機による室内校正試験が可能というメリットを持っているが、硬い金属と岩盤ボアホール壁面の接触状態が変われば感度も変わるため、高精度化にはこの問題を解決する必要がある。図60は感度係数（亀裂再開口点の応力スラッシュジャッキ圧）に及ぼすカップリングの影響の数値解析結果である。図中、右端の条件では高能率となるが、接触領域の変動の影響が大きいこと、またカップリング領域が60度以下の場合、感度係数に及ぼすカップリングの影響が小さいことが明らかとなった（東京大学地震研究所［課題番号：1419］）。

（応力測定のためオーバーコアリング法（応力解放法）の高度化）
　オーバーコアリングでは無限に変形しやすい変形計測装置が用いられる場合、オーバーコア径は感度に影響しないが、モルタル等で充填する場合には十分大きなオーバーコア径が必要である。そこで図61に示すように、応力解放する岩盤の肉厚に比較して十分小さな口径のインテリジェント型歪計を開発してきた。平成17年度は現場実験による測定を実施し、センサー部やデータロガー部の改良等による初期応力測定技術の高度化研究を実施した。また、充電式ボアホール歪計の開発研究を実施した（名古屋大学［課題番号：1707］、山内ほか2005a,2005b）。

（光干渉計測技術等先端技術の導入）
　地下深部高精度観測技術として光計測を用いた観測機器の開発を行っている。孔内設置の観測機器への光干渉計測の適用は、センサーの高精度化のみならず、電気雑音・発熱の回避、波長を基準とした自己校正、高温環境下での観測等の利点を持っている。深さ10メートルの試験観測井に光ファイバー式広帯域地震計を設置し、現時点で最も高性能な広帯域地震計との信号比較をした結果、周期100秒程度の低周波までの地動が計測できることが確認できた（図62）。それより低周波で広帯域地震計より検出性能が劣っている原因は使用しているIC固有の雑音が原因であることが判明した。
　また、地殻歪を高精度で計測するためのレーザー変位計を開発した。レーザー計測は基線長を任意に長く取ることができるため、空間的に平均化することで局所的な雑音を低減させることができる。ボアホールと同様に地表起源の雑音の低減が期待できる地下1,000メートルの神岡の地下サイトに、基線長100メートルのレーザー伸縮計を設置し、10のマイナス13乗に達する歪分解能が得られた（Takemoto et al.,2006）。また、干渉縞の欠落が生じるような急激な変動にも対応可能とするため、「絶対歪計」を開発した。レーザー伸縮計との同時観測から、地球潮汐による10のマイナス8乗台の歪変動を基線の絶対長の変化として明瞭に観測することに成功した。これにより、地震等大きい歪変動でレーザー伸縮計のデータが欠落しても、絶対歪計の値から前後の歪変化量を正確に求めることが可能となった。また、石英管伸縮計と異なり、レーザー伸縮計は岩盤にしっかり固定されているので地震動による動作点の変化がなく地震に伴う変化の測定にも信頼性が高い。その例として2004年9月の紀伊半島南東沖の地震に伴い岐阜県神岡で観測された歪変化を図63に示す（東京大学地震研究所［課題番号：1419、1420］）。

（ボアホール計測による地震・地殻変動観測技術高度化）
　ボアホール設置型広帯域地震計や広帯域強震計等の改良を行った（防災科学技術研究所［課題番号：3013］）。
（3） 地下構造と状態変化をモニターするための技術の開発と高度化
  　地殻内に微小な応力変化、散乱体や地下流体の分布の変動、プレート境界の反射強度の時間変化検出等、地下構造の変化やそれをもたらす要因を決めるための精密調査技術開発及びその実用化が必要である。

（精密制御震源技術の高度化）
　2001年東海中部地殻構造探査実験で強い波群が検出された地域において、アクロス震源によるプレート反射波のモニタリングを実現するために観測点を設置した。東濃（土岐市）のアクロス震源から40〜70キロメートルの範囲に観測点を設け、約10ヶ月間の連続観測を行った。約50キロメートル離れたアクロス震源装置からのP波、S波の直達波及びそれらの後続波の検出に成功した（Saiga et al., in press、Watanabe et al.,2005b、Yamaoka et al.,2005）。また、アレイの相関解析によりそれらの波動がアクロス震源の方向から到来していること、直達波より後続波の方が深部から到来していることが分かっている（Soma et al.,2005）。瑞浪地殻変動観測豪に設置した地震計アレイの観測データの解析を行った結果、地下を伝播した屈折波に気温変化と相関の高い走時変化が生じることが明らかになった。震源装置近傍の変動、及び深度50メートルのボアホール内での結果も合わせて検討することにより、これらの変動が震源のごく近傍の地下浅部で生じていることが明らかになった。また、気温や降水の影響に敏感な狭い周波数帯が存在すること、及びこれらを取り除くことが可能であることが明らかとなった（名古屋大学［課題番号：1708］）。正弦波の精密制御震源の高度化研究は、東京理科大と連携し東京大学地震研究所［課題番号：1420］でも実施されている（Otake et al.,2005）。
　パルス波による精密制御震源の高度化研究は、岩手県、神奈川県及びパリ地球物理研究所のフレンチアルプス観測壕他をテストサイトとして、環境擾乱の少ない深部設置震源の有効性を利用し、P波及びS波の走時計測の高精度化と検証試験を行った。多くの観測点と異なり、アルプスの観測壕は半年間降雪のためアクセス不能となる。しかも、通信回線が細いため遠隔制御も不可能である。そこでメンテナンスフリーの観測システムを設計製作し2004年10月に設置した。現在も落雷等による短時間の停電を除いて欠測なしで稼動しており、無人・メンテナンスフリーで一年以上動くことが示された。図64は昨年7月にデータを回収した結果である。ダム湖の水位変動とほぼ連動した速度変化が検出された（Sano et al.,2005）。詳細な感度校正は複雑な地形を考慮した解析が必要であり、フランスの共同研究者が実施している（東京大学地震研究所［課題番号：1420］）。

（マントル起源のヘリウム放出量計測技術開発）
　地下深部の状態変化をモニターするために地下深部から染み出してくる揮発性物質、すなわちマントルヘリウム浸出量の観測技術開発を実施している。四国全域の30点以上で温泉遊離ガスや温泉水を採取し希ガスの同位体分析を行った結果、マントル起源の3He（ヘリウム）が、中央構造線に沿って放出されること、及び深部低周波微動地域でマントルヘリウムが放出していることを見いだした（東京大学理学系研究科［課題番号：1505］）。
（4） 宇宙技術等の利用の高度化
  　GPSに代表される宇宙技術の利用は地殻変動観測に革命をもたらした。海底諸観測技術の高度化研究で実施されているキネマテックGPS−音響測位もまた宇宙技術の利用の高度化の一つである。ここでは次のような研究が実施されている。

（GPS測位技術の高度化研究）
  GEONETの年周スケール変動が以前から問題になってきたが、GPSによる地殻変動観測・解析技術の高度化研究を実施した結果、解析ソフトウェアのバグによる見かけ上のものであり、実際のスケール変動は半年周成分が卓越すること、及びその原因が電離層遅延高次効果にあることを明らかにした（国土地理院［課題番号：6021］、Munekane,2005）。

（SARによる地殻変動観測手法の高度化研究）
　SARは地殻変動の面的把握が可能という優れた特性を持っているものの、水蒸気遅延等、大気補正手法の確立が主要なテーマである。米国ユタ州キャニオンランズ国立公園で得られた平均時間間隔4.3年の独立な干渉SAR画像11枚を重ね合わせて得られた画像を解析し、変動の誤差は最大でも年間3ミリメートル程度という水準測量に匹敵する精度を得られることが分かった。（図65）（東京大学地震研究所［課題番号：1421］、Furuya 2005、Furuya et al.,2005）。
　2006年10月8日にパキスタン北部で発生した地震（マグニチュード7.6）に伴う地殻変動を、欧州宇宙機関のENVISAT衛星によるSAR画像を用いて解析した。これは通常のSAR画像の干渉解析に加えて画像マッチング解析という手法を用いたもので、今後も、海外での地震発生時における迅速な解析への応用が期待できる（国土地理院［課題番号：6029］、Fujiwara et al.2006）。
課題と展望
  　新たな観測・実験技術の各開発課題については、概ね順調に進んでいる。
　海底諸観測技術開発においては、GPSと音響測距を利用した海底測位に関し、実際の地震に伴う変位が測定される機会が増え、いずれも5センチメートル程度の繰り返し精度が達成されていることが示された。今後も安定した高精度の結果が出るように、誤差要因の解明を進めることが重要である。また、耐圧容器を用いた海底における諸観測も、長期地震観測を始めとして高い信頼性が達成されてきた。今後はそれらの高度化を図るとともに海底ケーブルを用いたリアルタイム観測システムを更に推進する必要がある。
　ボアホールによる地下深部計測技術開発においては、応力測定技術の高度化が行われている。そのうち自記式の歪計を用いたオーバーコアリング法による深部応力測定に関しては、ほぼ完成の域に達したと言える。また、レーザー歪計についても、地震に伴う信頼できる歪変化をとらえることに成功したことは特筆すべきことである。今後は、その精度が問題視されている水圧破砕法の改良が望まれる。
　地下構造と状態変化をモニターする技術においては、弾性波を用いた手法の開発が進んでいる。今後も精度と安定性向上のための技術開発を継続するとともに、断層面の固着モニターに向けたより一層の技術開発が必要である。
　宇宙技術等の利用については、陸域観測衛星（ALOS）の運用に向けて技術開発がなされてきた。平成17年度に衛星が打ち上げられ、今後は、実際のデータを用いた解析を通じ、技術の高度化を図る必要がある。
参考文献
 

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図55： 宮城県沖のGJT4サイト（北緯38度24.4分、東経142度50.0分）における2回の海底測位観測の結果。東側の赤丸は2004年8月、西側の緑色の点は2005年6月の観測結果であり、太平洋プレートの沈み込みに伴う上盤プレートの変形を示していると解釈される。



図56： 熊野灘における繰り返し観測の結果（ITRF2000準拠）。点線及び影は、それぞれ平均値と長期繰り返し観測時の誤差を示す。



図57： 紀伊半島南東沖の地震による水平変動（岩崎固定）。陸上の変動ベクトルは国土地理院によるF2解を使用。



図58： 茨城沖に設置した試作2号機



図59： 加速度波形記録を積分・フィルターして求めた速度波形と速度計記録の比較



図60： プローブ/岩盤カップリングと感度係数



図61： 小口径インテリジェント歪計を用いたオーバーコアリング結果。



図62： 光ファイバー式広帯域地震計（Laser Accelerometer）のノイズを広帯域地震計（CMG及びSTS）と比較をした評価試験結果。緑の線はアンプの電気的ノイズを表す。



図63： レーザー伸縮計で記録された遠地地震に伴う地震動及び歪ステップ。eNS、eEWはそれぞれ南北方向及び東西方向の歪を表す。



図64： パルス型精密制御震源により得られた速度及び振幅変化と観測点に隣接するダム湖水位及びボアホール地下水面変化。



図65： キャニオンランズニードルズ地区の年間平均変位速度（ただし、衛星の視線方向の変位）。図はおよそ40キロメートル四方の領域で、中央を流れるのはコロラド川。


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