精密に制御された震源を用いた地下構造精密モニタリング技術の高度化

平成20年度年次報告

課題番号：1420

（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：

　精密に制御された震源を用いた地下構造精密モニタリング技術の高度化

（3）最も関連の深い建議の項目：

　3．（3）地下構造と状態変化をモニターするための技術開発と高度化

（4）その他関連する建議の項目：

　1．（2）イ．内陸地震発生域の不均質構造と歪・応力集中機構
　3．（2）ボアホールによる地下深部計測技術開発と高度化

（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20年度実施計画の位置付け：

5ヶ年の到達目標：

　精密に制御された震源を用いた地下構造変化およびその変化をもたらした要因を評価するための能動的モニタリング手法の確立、パルス透過法で用いられてきた圧電素子や連続正弦波で用いられてきた偏心モータに限定することなく、ボアホールや地下空間等、深部に震源装置を設置するための技術開発、さらにモニタリング結果の評価法の高度化を5ヵ年の目標とする。また、特に連続正弦波を用いる場合、地震計の位相特性が重要である。そこで高感度で平坦な位相特性をもつ地震計を開発する。

平成20年度実施計画の位置付け：

・地震計開発：
課題番号1419と連携して、レーザー変位計を地下構造モニター用の高感度・平坦位相センサーとして利用するための研究を継続する。

・精密制御パルス震源：
岩手県などの地下空間において、環境擾乱の少ない深部設置震源の有効性を利用し、PおよびSの走時計測の高精度化と検証を継続する。釜石では平成17年度に設置したボアホール歪計による比較試験等、その他のテストサイトにおいても既存の測定系との比較検証を継続し、観測された弾性波伝播特性から推定される微小な応力変化の妥当性評価研究を継続する。

・精密制御正弦波震源：
精密に制御された震源，すなわち正弦波アクロスで取得された波形の解析手法の高度化研究を継続する。

（6）平成20年度実施計画の概要：

・地震計：
レーザー干渉計を地下構造モニター用の高感度・平坦位相センサーとして利用するための研究を継続する。長周期振り子とレーザー干渉計を用いたサーボ型地震計の自己校正精度を約1％以内まで向上させる。課題番号1419と連携して、地震計の低雑音化をすすめる。

・精密パルス震源：
岩手県釜石鉱山、地震研究所油壷観測壕など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およびSの走時計測の高精度化と微小応力変化測定への応用に関する検証試験を継続するほか，新たに地下水計測システムを導入する。またフランスで実施した評価試験結果の解析を継続するほか，米国の共同研究者とともにSAFODにおける精密パルス震源による計測手法の開発研究を実施する．

・精密正弦波震源：
精密に制御された正弦波震源，すなわちアクロスによりえられた観測波形処理の高度化に関する研究を継続する．

・ボアホール震源：
岩手県釜石鉱山において、深部ボアホール設置可能な発振源に関する技術開発を継続する。

（7）平成20年度成果の概要：

・地震計：
レーザー干渉計を地下構造モニター用の高感度・平坦位相センサーとして利用するための研究を継続した。長周期振り子とレーザー干渉計を用いたサーボ型地震計ではレーザー波長を用いた自己校正が可能である。制御回路の低雑音化と校正時のデータ取得時間を最適化することにより、校正精度を約1％以内まで向上させる見込みが得られた。課題番号1419の地震計の低雑音化と両立する方法であり、本研究で1mHz～50Hzまでの広い範囲で平坦な周波数特性を持つ地震計が構成できることが実証された。

・精密制御パルス震源：
岩手県釜石鉱山、名古屋大学瑞浪観測点など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およびSの走時計測の高精度化と微小応力変化測定への応用に関する検証試験を継続したほか，釜石鉱山テストサイトに新たに地下水圧計測システムを導入した．これまで毎年検出されている3月中旬からの弾性波速度低下など，毎年何回か認められている弾性波速度の異常な動きと地下水圧の間によい相関が認められた．米国の共同研究者とともにSAFODにおける精密パルス震源による計測手法の開発研究は進まなかったが，新たに神岡鉱山に導入すル予定であり，他の観測量との比較観測の準備が整った．今年度中に稼動する予定である．

・精密制御正弦波震源：
精密に制御された正弦波震源，すなわちアクロスによりえられた観測波形処理の高度化に関する研究は，主務担当者が異動したため中止した．

・ボアホール震源：
岩手県釜石鉱山において、深部ボアホール設置可能な発振源に関する技術開発を継続した。

（8）平成20年度の成果に関連の深いもので、平成20年度に公表された主な成果物（論文・報告書等）：

　東京大学地震研究所地震地殻変動観測センター，2008，第178回予知連資料．

（9）本課題の5ヵ年の成果の概要：

・地震計：
地下構造モニター用の高感度・平坦位相センサーとしてレーザー干渉計を利用するための研究を実施した。長周期振り子とレーザー干渉計を用いたサーボ型地震計では高感度と制御回路による平坦特性の実現の両立が容易であると考えられる。そこで、そのような地震計を試作し性能評価を行った。振幅の校正は従来振動試験台を用いて実施されていたが、本方式ではレーザー波長を用いた自己校正が可能である。制御回路の低雑音化と校正手順の最適化により、校正精度として約1％以内まで向上させられる見込みが得られた。本研究で1mHz～50Hzまでの広い範囲で平坦な周波数特性を持つ地震計が構成できることが実証された。

・精密制御パルス震源：

図1．釜石鉱山550ｍレベルでえられた過去3年間の弾性波到達時間変化率の経時変化．図中，測線の方向が示されている．ほぼ正確に検定された感度はN50Eしかえられていないが，その感度係数がすべての方向で等しいならば，図に示された変化率を1.4で割ると応力変化率（ｈPa） がえられる．

釜石鉱山550m，レベル地釜石鉱山550mレベル，地表から450m地下，坑道入り口から2kmの地点，地震研究所油壷旧観測坑および名古屋大学瑞浪観測点において，精密に制御された高周波振動をもちいた精密な弾性波速度変化測定による微小な応力変化測定手法開発研究を実施した．またパリ地球物理研究所との共同研究により，フランスのアルプス内でも同様なシステムを導入し，1年半連続観測を実施した．さらにレーザー伸縮計，超伝導重力計やボアホール水圧計測等，多様な観測系が集まっている神岡鉱山において比較観測を実施することを目的として，あらたに導入する準備を整え，最終年度には稼動を開始する予定である．これまでにえられた主要な成果を列記すると，釜石鉱山においては最小分解能が0.5ppmのオーダーに達している．これは世界最高のレベルである．現在，4方向のP波，1方向のみS波の連続観測を継続しており，図に示すとおり，方向による速度変化の違いが見出されている．速度増加方向だけでなく減少する方向も存在するので，速度変化が静水圧的な圧力変化ではなく，応力場の変化を捉えているものと考えられる．応力変化に対する感度係数をもとに推定すると，N50E方向では年間 50hPa程度の圧縮応力増加が示唆される．N50Eの測線では1～2ヶ月程度の比較的大きな変動が見られるが，最終年度に設置したボアホール水圧計測結果と対応している．方向により振幅に違いがあるが年周変動存在する．フランスでの計測では観測位置近傍に夏季と冬季で大きく水位が変動するダム湖が存在しており，水位の急激な変動と弾性波速度変化に対応が認められた．

・精密制御正弦波震源：
本計画が開始されてから最終年度まで主務担当者が三名入れ替わったため，厳密には研究テーマが変わっているが，当初かかげた解析手法の高度化は共通である．それらをまとめると，深部に震源を設置する際に問題となる時刻同期（およびその精度）に関しては、光ファイバケーブルを使用することにより高精度に時刻同期された計測が可能となった。周波数伝達関数から時系列波形を求め，全無限均質媒体を仮定した理論波形と比較した結果、震源から3メートルの位置およびSH成分は理論波形と観測波形がほぼ等しいが、震源から300メートルと1,000メートルのP‐SV成分の波形は明らかに異なることが分った。これらは震源からの直達波以外に起因すると考えられる。さらにCross Spectral Densityの位相部分の平均を計算し位相変化の様子を調べた結果、理論波形と観測波形の差異が大きい成分に対して位相変化が大きい様子が分るようになった。また，複数台のアクロス震源装置を用いて指向性を持った信号の発信手法開発を実施した．例えば，同じ周波数帯域で発信する複数の震源装置由来の信号を混信せずに分離して取得し，後処理で様々に信号位相を変化させて擬似的に干渉させられることを実証試験した結果，その可能性が見出された．

・ボアホール震源：
深部ボアホールに設置可能な発振源の一つとして，磁歪素子および圧電素子を用いた振動子を試作した．磁歪素子は相対的に低電圧高電流であり，圧電素子は高電圧低電流である．圧電素子は上記パルス震源として長期間使用実績があるが，磁歪素子を長期間使用する場合，発熱の問題をクリアする必要がある．

（10）実施機関の参加者氏名または部署等名：

　東京大学地震研究所　佐野修，新谷昌人
　他機関との共同研究の有無：あり
　東京理科大1名，静岡大学1名ほか．

（11）公開時にホームページに掲載する問い合わせ先：

　部署等名：東京大学地震研究所地震地殻変動観測センター
　電話：03‐5841‐5892
　e‐mail：osano@eri.u‐tokyo.ac.jp