海底地殻変動観測システムの高度化

課題番号：1217

（1）実施機関名：

東北大学大学院理学研究科

（2）研究課題（または観測項目）名：

海底地殻変動観測システムの高度化

（3）最も関連の深い建議の項目：

3（1）ア．海底地殻変動観測技術

（4）その他関連する建議の項目：

（5）平成20年度までの関連する研究成果（または観測実績）の概要：

　手探り状態から開始した海底地殻変動観測であったが、海底の水平変動の検出を主たる目的とするGPS/音響観測に関しては、技術開発・実地観測ともに着実に進展しつつある。独自の観測形態として曳航ブイ方式を提案し、ブイの外装の改良やGPSジャイロの導入により、陸上基準局に対するブイの位置・姿勢を正確にモニターすることが可能となった。さらに、海中音響測距で用いる音波波形の工夫などで、ブイに対する海底局の相対測位精度を上げてきた。こうした観測技術開発と並行して、宮城県沖および熊野灘に海底局アレイで構成される観測点を構築し、観測を継続して行ってきた。それらの成果として、宮城県沖プレート運動方向と整合する観測結果が得られ、熊野灘の観測点においては2004年紀伊半島沖地震に伴う地震時変動を捉えることができた。

（6）本課題の5ヶ年の到達目標：

　GPS/音響観測の定常的なキャンペーン観測を1観測点あたり年に1～2回行う体制は既に整ったが、観測点数を大幅に増やしたり観測頻度を上げることは、コスト的に当面困難である。こうした観測条件下で、観測される変動ベクトルの信頼性を上げるには、現在数cmに留まっている繰り返し観測精度を大幅に向上させることが急務である。
　これまでの解析から、繰り返し観測の精度を低下させる最大の要因は海中音速の水平方向の不均質であることが明らかになっている。こうした音速不均質の影響を軽減する手段として、1観測点あたりの海底局の台数を既存の台数よりも増やし、海底局アレイ配置と海上ブイの観測位置を工夫する方法が考案されている。5ヵ年の到達目標は、重点観測点において追加の海底局を設置しこの方式に沿った観測を行い、測位精度の大幅な向上が可能なことを実証すると共に、アレイの配置など、より条件の良い観測形態を確立することである。また、それを実践し、比較的短い期間の繰り返し観測により、宮城県沖のプレート間の固着状態を明らかにする。
　一方、上記のGPS/音響観測と並行して、短基線の海底間音響測距観測の技術開発を行う。これは海底断層などによる変位の局在化が期待される箇所を跨いで2台以上の音響装置を海底に設置し、両者間の距離をモニターすることにより断層運動を検出するものである。現在機器自体の開発は完了しており、1 km程度の基線長において2‐3 cmの観測精度を達成している。5ヵ年の到達目標は、観測精度を左右する海底付近の温度変化の特徴を把握して適切なモデル化を行うことにより、観測精度を1 cm以下に向上させ、想定される変動量が小さい断層運動の検出を可能にすることと、観測対象の自由度を上げるため、比較的長い数km以上の基線でも同様の精度を達成できる観測形態を確立することである。
　また、海底上下変動を検知するための精密海底圧力観測に着手する。海底の圧力データには、海底の上下変動とともに海洋の変動現象が記録されるため、これらの影響を除去するためのデータ処理・解析手法の開発を進める。5ヵ年で、海洋変動が海底圧力データに及ぼす影響の時空間スペクトルの特徴を解明し、海洋変動過程を圧力データから除去する方法の確立を目指す。海洋変動過程を把握することは、上記の海底間音響測距観測の高精度化にも貢献するため、圧力観測と音響測距観測とを並行して行うことにより、海底の上下・水平変動を同時にモニタリングする技術の実現につながる。

（7）本課題の5ヵ年計画の概要：

　平成21年度においては、GPS/音響観測の1観測点に多数の海底局でアレイを組むのはコスト的に困難なので、宮城県沖で最も大きな変位が期待される方向に沿って海底局を線上に並べ、その一次元方向の変位と音速不均質を同時に計測できるかどうかを検証する。春に予定されている航海で海底局を線上に追加設置し、2日程度のキャンペーン観測を行う。秋にも同じ観測点で継続観測を行い、その繰り返し観測精度を見積もる。この観測方法が期待通りに機能すれば、翌年以降の継続観測に資するため、追加した海底局は設置したままとする。問題があれば追加した海底局は回収し、より最適な配置になるよう再設置する。短基線音響測距に関しては、音響装置の吊り下げ曳航試験で最大測距距離を確認した後、それに近い基線長で実際の海底で1日程度の連続試験観測を行う。同時に、海底音響装置に温度計を装備し、温度計アレイでの海水温の時空間変化をモニターし、水温変化による短基線測距への影響を見極め、以降の観測形態の改良に役立てる。圧力観測に関しては、日本海溝周辺において試験観測を開始するとともに、これまでに得られている圧力データを再解析した結果と気象・海洋モデルからの予測値との比較により、海洋変動起源の圧力変動の周期特性の解明を行う。それと並行して、圧力計センサーの長期安定性を調べるための室内実験を行う。
　平成22年度においては、GPS/音響観測について、宮城県沖での一次元方向の水平変動観測を継続し、前年度の観測結果との比較によって、試験的に1年間の変位の検出を試みる。十分な精度が達成されるようであれば、海底局アレイを二次元の配置とし、地震時の面的な変動の検出にも対応できる体制をとる。また、海底間音響測距に関しては、局所変位が存在する可能性のある宮城県沖の分岐断層沿いに音響装置を設置し、このような地形の複雑な海域においても十分な測距精度が達成されうるかを試験観測により調べる。一方、圧力観測に関しては、昨年度からの試験観測によるデータを解析し、海洋変動の影響の除去が可能かどうかの検証を行うとともに、そうした影響を受けにくい観測形態についても考察し、今後の観測に反映させる。また試験観測も継続して行う。
　平成23～25年度においては、宮城県沖でのGPS/音響観測を継続して実施し、観測自体の高精度化と長期データの蓄積を通して、精度の高い水平変動ベクトルを得る。海底間音響測距については、分岐断層における観測とは別に、海溝を跨いだ観測を1年程度の長期間行い、GPS/音響観測や陸上変位データとの併合処理により、海溝から陸に至るまでの歪み蓄積の空間分布を明らかにする。圧力観測については、特定海域への圧力計の定期的な設置・回収、および適切な海洋変動成分の除去によって海底上下変動の検出精度を向上させることで、GPS/音響観測や海底間音響測距では検出が困難なすべり現象等に伴う微小上下変位の検出に努め、プレート間の歪蓄積過程の解明に資する。

（8）実施機関の参加者氏名または部署等名：

藤本博己・木戸元之・長田幸仁・伊藤喜宏・日野亮太・稲津大祐・他
他機関との共同研究の有無：有
東京大学地震研究所（2名）、海上保安庁（1名）、国土地理院（1名）、海洋研究開発機構（2名）

（9）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：東北大学大学院理学研究科　地震・噴火予知研究観測センター
電話：022‐225‐1950
e‐mail：zisin‐yoti@aob.geophys.tohoku.ac.jp
URL：http://www.aob.geophys.tohoku.ac.jp/