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」研究では、これまでとらえることが困難、または不可能であった現象を見るための「道具」を開発し、第2次新計画の推進に貢献した。
　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る。

（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

　本研究計画の最終目標は、ここで開発された観測・実験技術が、第2次新計画の他の研究課題でも利用され、第2次新計画全体の研究成果の向上に資することである。観測・実験技術の開発研究は、他の研究課題と共同で実施されることが多く、この研究計画と関連の深いものであっても、他の研究計画の中で実施されている技術開発もあるが、それらについては当該項目で報告されている。

（1）海底諸観測技術の開発と高度化

　海域で発生する地震を研究して、プレートの沈み込みに伴う大地震発生機構を解明するには、陸域の観測網だけでは不十分で、海底諸観測技術開発と高度化が不可欠である。これにより、海域を含めた十分な広がりと空間分解能を持つ観測網が構築でき、高精度の観測データを取得できる。そのため、次のような開発研究を実施した。

（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）
　複数の研究機関が互いに連携し、宮城県沖、駿河湾、熊野灘等において観測船や曳航ブイを用いたGPS音響結合方式の精密海底測位の繰り返し観測を実施するともに、測位精度向上に関する研究も継続した（Ikuta et al., 2008、海上保安庁, 2008a,b、望月・他, 2008、長田・他, 2008、佐藤・他，2008、田所・他，2008、藤田, 2009、杉本・他, 2009b、渡部・他, 2009）。
　GPS音響結合方式による精密海底測位の最大の問題点は、水中音速構造の影響を強く受け、それにより観測精度が低下することである。この影響を軽減するため、水中音速構造の観測値と数値モデルを併用する解析手法の開発（名古屋大学[課題番号:1706]、武藤・他, 2008、杉本・他, 2009a）を進めるとともに、5台の音響測位海底局を用いて海中音速構造の水平勾配も未知数として解く手法も考案した（東北大学[課題番号：1207]、Kido et al., 2008）。更に、長期連続観測を目指して係留ブイを用いた観測システムを開発し、試験観測を実施した（東北大学[課題番号:1207]、藤本・他, 2008）。

（海底における圧力・傾斜変動観測の高度化）
　長期間の海底圧力観測を実施するのに障害となる、海水による圧力センサーの腐食について、その解決策を見出し、長期観測への道を開いた（東北大学[課題番号：1207]）。

（海底ケーブル利用システムの開発）
　これまで、光ファイバー海底ケーブルを利用した海底観測システムを、伊豆半島東方沖や三陸釜石沖に構築してきた。今後これを発展させ，数百点規模の観測ノードを持つ海底ネットワークが必要となることから、その開発を進めた（東京大学地震研究所[課題番号：1418]、Kanazawa et al., 2008）。開発されたシステムは、IT技術と最新半導体技術により観測ノードの小型化を実現し、設置費用の削減を志向したことが特長である。この観測ノードの小型化により、観測ノードを海底に埋設も容易になり、観測精度の向上も期待できる。平成22年には、日本海中越沖に設置する予定である。
　多項目観測を目的とした海底ネットワークによるリアルタイム長期総合海底観測システムの開発を継続し，地震計、水圧計、電位差磁力計などのセンサーを接続したネットワークシステムを豊橋沖に設置した（海洋研究開発機構[課題番号:4004]）。また、水中での増設や交換を可能とする着脱コネクタ、高精度時刻分配を可能とする同期システムなどの要素技術開発研究も行った。

（海底における長期地震観測の高度化）
　加速度計を追加した多項目センサーを持つ海底地震計の開発を継続し、海底強震・高感度地震計を実用化した。平成19年から、直径65cmのチタン球を耐圧容器とする海底強震計1台を含む海底地震観測網を、茨城沖に展開して観測を行っていたところ、平成20年5月8日にM7.0の地震が発生した。この前震‐本震‐余震に至る一連の地震活動を、震源域直上で広いダイナミックレンジで観測することに成功した。海底強震計により、波形が飽和しない本震の記録を得ることができ、本震のS波の到着時刻の験測値から、その震源位置の精度向上に役立った（図48） （東京大学地震研究所[課題番号：1418]）。

（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は、雑音の大きい地表から離れることによって高感度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を実施した。

（地殻応力測定の高度化）
　水圧破砕法の問題点から逃れることができるボアホールジャッキ式応力測定法は、ジャッキと岩盤壁面の接触状態により感度が変化するため、測定精度が低いという欠点があった。数値解析と岩石の室内実験から、接触領域を狭くすると感度がほぼ一定となり、この問題を解決できることが分かった。一方、深度4～5kmの程度の高圧環境での地殻応力測定では，接触領域を広くすれば良いことが明らかなった（東京大学地震研究所[課題番号：1419]、横山・他, 2008）。
　深度500m程度の高圧環境でも利用可能なインテリジェント型ボアホール歪計を用いた地殻応力測定法の開発研究を継続した（名古屋大学[課題番号：1707]）。この測定法の問題点である歪計固定の際に用いるモルタルの残留応力による効果の評価法が分かり（東京大学地震研究所［課題番号：1419］）、実用化の目途が立った。
　岐阜県神岡鉱山坑内の深度0.6km、跡津川断層より水平距離1.1kmの地点での、水圧破砕法、高剛性水圧破砕法、埋設型応力解放法及びボアホールジャッキ式による地殻応力測定の比較試験（図49）を実施した際に得られたデータから、この地域の最大圧縮応力方向は跡津川断層に垂直であることが分かった。これは測定地点近傍の跡津川断層が、大きなせん断応力を支えていないことを示唆している（名古屋大学[課題番号：1707]、防災科学技術研究所[課題番号：3013]、東京大学地震研究所[課題番号：1419]、佐野, 2009）。

（ボアホール間隙水圧測定）
　神岡鉱山坑道内の近接した二つのボアホールや野島断層のボアホールで間隙水圧の連続観測を継続し、その大気圧応答、理論地球潮汐や地震波に対する応答を詳しく解析した。このような解析から、地殻応力の推定には、地殻歪だけでなく、岩盤の間隙水圧も同時に観測し、歪と間隙水圧の相互作用を考慮した間隙弾性論を用いる必要があることが示された（京都大学防災研究所［課題番号：1810］、Kano et al., 2008a, b）。

（光干渉計測技術等先端技術の導入）
　地殻歪を高精度で計測するためのレーザー変位計の開発研究を継続した（東京大学地震研究所[課題番号：1419、1420]）。狭い測定範囲であるが高分解能の干渉計と、低分解能ではあるが広い計測範囲のものを併用したシステムを開発した。測定精度の向上を目指して、ディジタル方式光軸制御システムを組み込んだ結果、地震時の歪ステップが安定して測定できるようになった。

（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

　地殻内の微小な応力変化、散乱体や地殻内流体の分布の変動、プレート境界での反射強度の時間変動、地殻深部の物質移動地殻比抵抗の時空間変化、地殻内の水の状態変化などをモニターするため、以下のような技術開発研究が実施された。

（精密制御震源技術の高度化）
　名古屋大学三河地殻変動観測所（豊橋）に設置した2台のアクロス震源装置の、発振信号の位相と振幅とを独立に制御した実験を行い、振動の伝播方向を制御することを試みた。その効果はある程度確認できたが、理論的に予想した結果と一致しないため、解析の見直しと高度化を進めている（生田・他, 2008）。三河観測所のアクロス震源装置はおおむね順調に稼働しており、遠隔モニタリング、遠隔操作のシステムの構築を継続した（名古屋大学[課題番号：1708]）。
　アクロス制御震源からの振動波群の時間変化を検討するために、Hi‐net鳳来観測点（N.HOUH）の連続観測記録の解析を行った（Hasada et al., 2008）。平成17年と平成18年に実施した愛知県新城市の愛知県民の森での観測記録も再解析し、観測されたアクロス制御震源からの信号に、高い再現性と安定性があること、検出された波群はアクロス制御震源からの信号であること、後続波群が地殻深部からの反射波と解釈できることが確認された（Yamaoka et al., 2008、Yamazaki et al., 2008）。この解析結果を図50に示す。
　Hi‐net鳳来観測点（N.HOUH）の約2年間の連続観測記録の解析から、初動付近の波群の相関係数や走時は、わずかながら年周変化のような変動を示すこと。また、後続波群のそれらの変動は初動付近よりも大きいこと。更に、相関係数や走時は深部低周波微動の活動が開始すると変動し、終了後は元に戻る傾向を示すことなどが明らかになった（Furukawa et al., 2008）。これは興味深い観測事実であるが、現時点でこの変動を説明できるモデルは構築できていない。
　精密に発振時刻を制御したパルス波形とそれと同期した計測装置を用いて岩盤内を伝わる弾性波速度、波動減衰などの特性を計測し、応力変化などの岩盤内部の状態変化を推定することを目的とした試験観測を継続した。神岡鉱山に設置した弾性波速度計測装置は、同じ場所に設置されているレーザー伸縮計や地下水観測装置などと比較するための観測を継続している（東京大学地震研究所[課題番号1420]）。

（平坦な周波数特性を持ちかつ高感度な地震計の開発）
　レーザー伸縮計、超伝導重力計、レーザー地震計は、平坦な周波数特性を持つことから、広帯域地震計として利用できる。これらの性能が、従来の広帯域地震計に比べ、どのような差異があるかを調べるため、同一観測点での並行観測を行い、観測された波形の振幅と周波数特性を比較した。レーザー地震計は制御回路の低雑音化とデータ取得時間の最適化を行えば、測定精度を約1％以内まで向上させる見込みが得られた。これにより、従来の広帯域地震計よりも長周期側に帯域の伸びた1mHz～50Hzで平坦な周波数特性を持つ地震計ができることが実証できた（東京大学地震研究所[課題番号：1419および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観測するため、地下深部からしみ出してくるマントル起源の揮発性物質であるヘリウムガス（以下、マントルヘリウム）の浸出量を観測する技術の開発を継続した。四国地方の中央構造線や、トルコ・アナトリア断層におけるマントルヘリウムの放出特性を調査し、3He/4Heが構造線上で高いことがわかった。これはマントルヘリウムが断層に沿って放出されていることを示唆している（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やSAR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。ここでは次のような研究が実施された。

（GPS測位技術の高度化研究）
　GEONET観測データの解析から得られる地殻変動は、地震予知研究に不可欠なものとなっている（国土地理院, 2008、2009a）。1秒ないし10秒サンプリングによる観測データを用いて、変位を推定する高度なキネマティック解析手法の開発も進展した。この手法より、2008年中国・四川地震からの表面波が、震央距離3000km付近でもGPSで観測できることが明らかになった（図51）（京都大学防災研究所[課題番号：1811]、京都大学防災研究所・他，2008）。GPSの解析誤差の軽減のため、数値気象モデルから推定された水蒸気分布から大気伝播遅延の効果を見積もることや、電離層遅延および非潮汐海洋質量による荷重変形の効果の補正する手法の開発が行われ、誤差軽減に役立った（国土地理院［課題番号：6027]、Munekane et al., 2008）。

（干渉SARによる地殻変動観測手法の高度化研究）
　干渉SARは、地殻変動を面的に稠密に計測できる利点がある。地球観測衛星「だいち」のSARデータを利用した干渉解析が実施され、2007年新潟県中越沖地震、2007年ソロモン諸島地震に伴う地殻変動などが検出された（鈴木・他, 2008、Aoki et al., 2008a,b、森・他, 2008）。2008年岩手・宮城内陸地震、2008年中国・四川地震では、広域に高密度な地殻変動をとらえ、震源断層の形状や断層面上の滑り分布の推定に利用した（図52、53）（国土地理院[課題番号：6022、6030] 、雨貝・他, 2008、国土地理院, 2009b）。干渉SARから推定される地殻変動の補正法についての手法開発が実施され、大気遅延や衛星軌道の補正が重要であることが明らかになった（東京大学地震研究所[課題番号：1421]、国土地理院[課題番号：6032]、防災科学技術研究所[課題番号：3015]、情報通信研究機構[課題番号：0101]）。

（次世代テレメータ衛星通信システムの開発）
　低消費電力で、周波数帯域の利用効率の高い地震観測用VSAT衛星テレメータシステムの開発を行った（東京大学地震研究所[課題番号：1421]）。ここで開発された技術を用いて、機動的に多点の地震観測を実現できる衛星テレメータシステムが実用化された。

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、第2次新計画で当初掲げた到達目標達成に向けて進展した。GPSと音響測距を利用した海底測位では、目標とした繰り返し観測精度2～3cmが達成された。また実用化のための試験観測で得られた観測記録が、地震断層のパラメータの推定にも使われたことは、この技術が既に実用の域に達していることを示すものである。今後は、現時点で実現できていない連続測定に向けた開発が望まれる。精密制御震源技術開発に関しては、複数のアクロス震源を位相制御して利用する試みが始められたが、地下構造の状態をより詳細に推定するためには、更なる開発が必要であると。GPS解析手法の開発では、すでに一定の成果が得られているが、測位精度を向上させるためには、さまざまな誤差要因を取り除く補正手法の開発を継続することが重要である。干渉SARによる地殻変動の推定は、大きな地殻変動に対しては変動量の推定が実現でき、成果が上げられている。今後は、更に小さな地殻変動であっても検出可能となるよう、水蒸気遅延等の大気補正手法の高度化を図る必要がある。

参考文献

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図48：平成18年に茨城沖に設置した5台の海底強震・高感度地震計（上） 、および平成20年5月8日に発生した茨城県沖の地震（M7.0）の震央近傍での加速度記録（下）（東京大学地震研究所[課題番号：1418]）

図49：新たに開発されたボアホールジャッキ式応力測定プローブ。神岡鉱山跡津川坑内のボアホールに投入される直前。図中、油圧ジャッキが図中左右に開きボアホール壁を押し、きれつを押し開く。図の中央部がきれつ開口を検出するための変位センサー。東京大学地震研究所[課題番号：1419]。

図50：地震計アレイおよびHi‐netで観測された土岐アクロス信号の伝達関数。（左）震源から到来する方向のセンブランス。（中）到達時刻14秒の波群の到来方向。（右）その波群の到達時刻の長期時間変動（名古屋大学[課題番号：1708]）

図51：1秒サンプリングGPSデータの解析で得られた2008年5月12日中国・四川地震の地震波のtransverse成分。震央距離は1400kmから3300kmまでLove波を捉えているものと思われる。また、きれいな分散が認められる（京都大学防災研究所［課題番号：1811］）。

図52：平成20年（2008年）岩手・宮城内陸地震の干渉SARによる地殻変動分布。（左）西南西上空の衛星と地表間の距離変化。（右）東南東上空の衛星と地表間の距離変化（国土地理院［課題番号：6022］）

図53：平成20年中国・四川地震に伴う地殻変動分布。「だいち」SAR干渉画像。この干渉画像から、1）龍門山断層帯で大きな地殻変動が生じたこと、2）震源断層の長さは約285kmであること、3）断層運動は右横ずれ成分を含む逆断層型であること、4）北西側でローブ（lobe）状の干渉縞が数箇所見られ、断層面上のすべりが不均質であったこと、等が判明した。（国土地理院［課題番号：6030］）