平成18年度年次報告

（1）実施機関名

東京大学地震研究所

（2）研究課題（または観測項目）名

海底諸観測技術開発と高度化

（3）最も関連の深い建議の項目

• 3．（1）海底諸観測技術の開発と高度化

（4）その他関連する建議の項目

• 1．（2）ア．プレート境界域における歪・応力集中機構

（5）本課題の平成16年度からの5ヵ年の到達目標と、それに対する平成18年度実施計画の位置付け

• 5ヵ年の目標
  　これまでの長期地震観測、海底圧力観測、海底傾斜観測、GPS/音響測位を一段と高精度化するとともに、観測項目を複合化することによって地震・地殻変動の同時観測を可能にする。
  　また、これまで高度な測定系が設置されたことがない水深10,000メートルまでの超深海底での地震観測を高度化することにより、海溝軸近傍の地震活動の詳細を観測する。また光干渉型ボアホールセンサーによる地殻変動観測装置を開発する。
• 平成18年度実施計画の位置付け
  　引き続き、これまでの長期地震観測、海底圧力観測、海底傾斜観測、GPS/音響測位を一段と高精度化するための要素技術の検討をすすめると共に、多項目センサーによる観測の複合化をすすめる。また、光干渉技術の応用では、海底観測を想定した構成での開発を継続する。

（6）平成18年度実施計画の概要

　長期地震観測、海底圧力観測、海底傾斜観測、GPS/音響測位を一段と高精度化するための要素技術の検討をすすめるほか、海底地震計を基本に多項目センサーを追加することによって観測の複合化をすすめる。特に、加速度計を併設することによってダイナミックレンジを拡大した海底地震観測を実用化する。また、光干渉計技術開発については海底での使用を想定した省電力半導体レーザー光源を用いて、孔井設置型傾斜計の試験観測を継続するとともに、小型の絶対波長安定化光源を完成させる。

（7）平成18年度成果の概要

• ■海底地震観測におけるダイナミックレンジの拡大
  　観測の複合化については、高感度あるいは広帯域の海底地震計を設置するこれまでの余震観測のダイナミックレンジを拡大するため、加速度計を追加した多項目センサーの海底地震計の開発を継続的にすすめてきて、海底強震・高感度地震計を今年度実用化した。実用化するまでに試作を2度実施している。
  　試作機1号機においては、直径50センチメートルのチタン球を耐圧容器とする海底高感度地震計に加速度センサーを併設する試行を行い、耐圧容器内への加速度センサーの取り付け方法と記録方式についての検討を行っている。また、加速度センサーを併設することにより、海底において実際にダイナミックレンジを拡大した地震記録をとることができるのか確認するために、試作1号機を平成16年度にスマトラ沖地震余震域海底に設置した。平成17年度に無事回収した観測記録を解析し、速度記録に変換の後にハイパスフィルターを通した加速度センサーV407型の記録は、併設していた高感度地震センサーL25B型4.5Hz（ヘルツ）の速度記録の波形とほぼ同一であり、加速度センサーの海底地震計への設置手法が適切であったこと、加速度センサー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などの結果を得ている。観測期間中の2005年3月28日に発生したNias島近くの地震Mw（モーメントマグニチュード）8.7（震央距離465キロメートル）の記録波形スペクトルを見ても、異常なスペクトルピークは見られず、広帯域で観測できていることも確認された。
  　試作機2号機においては、長期観測を試行することを目的として、試作1号機の耐圧容器よりは一回り大きな直径65センチメートルのチタン球を耐圧容器として使用し、加速度センサーとして日本航空電子製JA28−GA型を使用した海底強震計3台を準備して、茨城沖における1年以上の長期観測を実施した。今年度に全点回収して、1年弱の記録が問題無く取れていることが確認されており。記録は現在解析中である。
  　本年度実用化した海底強震・高感度地震計は、試作1号機と試作2号機の成果に基づいて設計したものであり、ステップとしては試作3号機に対応する。長期観測のためには消費電力をさらに低減する必要があることが試作2号機の製作において明らかとなったため、それまで鋸山地殻変動観測所壕内において実施してきた各種の入手可能な加速度センサーの比較試験結果に基づいて、低消費電力のMEMS加速度センサーを採用している。MEMS加速度センサーの採用によって、高感度地震センサーL25B型4.5Hz（ヘルツ）と併設しても1年間以上の長期海底観測が可能となった。図1に実用化した海底強震・高感度地震計、図2にそのセンサー部、図3に試作2号機、図4に試作1号機を示した。茨城沖に今年度設置した5台の海底強震・高感度地震計は平成19年度に回収する予定である。観測期間中に過去約20年間隔で発生してきたマグニチュード7クラスの茨城沖地震が発生すれば、前震・本震・余震系列の広ダイナミックレンジ記録が震源域から得られることが期待される。

  図1　実用化して茨城沖に設置した5台の海底強震・高感度地震計

  図2　海底強震・高感度地震計のセンサー部

  図3　茨城沖に設置した試作2号機

  図4　スマトラ沖地震余震域から回収した試作1号機

• ■光干渉計技術開発
  　海底ボアホールを利用した光干渉計技術の導入を目標とした歪・傾斜観測技術の高度化に関する研究として、レーザー干渉計測を利用した孔井設置型の傾斜計の開発を継続した。これまで鋸山観測所における陸上試験ではガスレーザー光源を使用していたが、海底での使用を想定して省電力半導体レーザーに替え、観測を継続した。半導体レーザーは単独では温度による波長ドリフトやステップが生じるため、温度安定化をした状態で使用した。図1に示すように、以前のガスレーザーを使用していた時と遜色のない潮汐・遠地地震波のデータが取得できることがわかった。

  図1　半導体レーザー光源のときの傾斜観測データ

  　半導体レーザーは温度安定化のみでは程度の波長安定度までしか得られない。高精度観測をめざすために、半導体レーザーの絶対波長をセシウムの吸収スペクトルを基準に安定化する実験を昨年度実施し、今年度はさらなる安定度の向上と全体のシステムの簡素化を実施した。図2はシステムの写真であり、左上が半導体レーザー、中央やや右にセシウムセルが位置している。実験上は約50センチメートル四方の大きさとなっているが、小型の光学部品を用いれば約半分のサイズに小型化可能である。図3に測定された波長安定度を示す。目標のの安定度は達成され、実際の観測の時間スケール（周期10秒以上）では〜の安定度に達している。
  　このように半導体レーザー光源を用いた陸上長期観測で特に問題は認められず、また高精度波長安定化光源の開発がほぼ終了した。すでに開発しているDSPによる信号処理システムと併せて、光干渉計を用いた海底ボアホール傾斜観測システムのうち、海底設置部分の開発項目はほぼ目処が立ったといえる。

  図2　セシウムを基準とした絶対波長安定化システム

  図3　測定された波長安定度

（8）平成18年度の成果に関連の深いもので、平成18年度に公表された主な成果物（論文・報告書等）

• Shinohara, M., E. Araki, T. Kanazawa, K. Suyehiro, M. Mochizuki, T. Yamada, K. Nakahigashi, Y. Kaiho and Y. Fukao, Deep-sea borehole seismological observatories in the western Pacific: temporal variation of seismic noise level and event detection, Annals of Geophysics, 49, 2/3, 625-642, 2006
• Osada, Y., H. Fujimoto, T. Kanazawa, S. Nakao, S. Sakai, S. Miura, J. A. Hildebrand and C. D. Chadwell, Development of a GPS/Acoustic seafloor positioning system for 6000 m water depth and its trial experiments at sea，測地学会誌，52，3，171-182，2006．
  上嶋正人・石原丈美・小泉金一郎・島伸和・押田淳・藤本博巳・金沢敏彦，瀬戸内海播磨灘での海底重力測定，海洋調査技術，18，1，17-27，2006．
• Isse, T., K. Yoshizawa, H. Shiobara, M. Shinohara, K. Nakahigashi, K. Mochizuki, H. Sugioka, D. Suetsugu, S. Oki, T. Kanazawa, K. Suyehiro and Y. Fukao, Three-dimensional shear wave structure beneath the Philippine Sea from land and ocean bottom broadband seismograms, J. Geophys. Res., 111, B06310, doi:10.102, 2006.
  Suyehiro, K., J. P. Montagner, R. A. Stephen, E. Araki, T. Kanazawa, J. Orcutt, B. Romanowicz, S. Sacks, and M. Shinohara, Ocean seismic observatories, Oceanography, 19, 4, 104-109, 2006.
• Hori,T., A. Araya, S. Moriwaki, and N. Mio, Development of a wavelength-stabilized DBR laser diode to the Cs-D_2 line for field use in accurate geophysical measurements, Rev. Sci. Instrum., in press.

（9）実施機関の参加者氏名または部署等名

• ■海底地震観測におけるダイナミックレンジの拡大
  

  金沢敏彦、篠原雅尚、塩原肇、望月公廣、山田知朗、酒井慎一

  他機関との共同研究の有無

  • 無

• ■光干渉計技術開発
  

  新谷昌人、高森昭光

  他機関との共同研究の有無

  • 無

（10）問い合わせ先

• 部署等名：東京大学地震研究所　地震予知研究推進センター
• 電話：03-5841-5712
• E-mail：yotik@eri.u-tokyo.ac.jp
• URL：http://www.eri.u-tokyo.ac.jp/index-j.html
  （※東京大学 地震研究所ホームページへリンク）