科学技術・学術審議会測地学分科会
| ３．地殻活動シミュレーション手法と観測技術の開発 （１）地殻活動シミュレーション手法 （1.1）具体的目標 （ア）シミュレーションモデルの開発 (a) 地殻内流体の挙動とその地震発生に対する力学的効果に関する研究。 (b) 断層間相互作用による断層成熟度の変化についての研究。 (c) 下部地殻流動特性とプレート内応力の蓄積・解放過程のシミュレーション研究。 (d) 地殻応力・歪変化シミュレーション手法に関する研究。 (e) 地殻活動予測の統合並列シミュレーションモデルの開発。 （イ）データ基盤の整備とデータ解析・同化システムの開発。 (a) 地殻活動データの解析・同化並列ソフトウェアの開発。 （1.2）実施状況 （ア）シミュレーションモデルの開発 (a) 地殻内流体の挙動とその地震発生に対する力学的効果に関する研究。 ・ 余震の発生に流体が及ぼす影響について数値シミュレーションを行い，大森公式及びグーテンベルグ・リヒターの式が統一的に再現できることを示した。（大学） ・ グーテンベルグ・リヒターの式を満たす地震は繰り返しすべりを起こしている破壊であることが分かった。（大学） ・ 余震系列については，初期には比較的大きなイベントが起きる傾向があるなど，観測事実と調和的な結果が得られた。（大学） ・ 複数の流体源がある場合や，未破壊領域の透水性がゼロに近いような場合は，二次余震が生じ得ることが分かった。（大学） (b) 断層間相互作用による断層成熟度の変化についての研究（平成12年度から開始）。 ・ 互いに平行ではあるが同一平面上にはない亀裂の動的な合体過程のシミュレーションを行い，一定速度で進むSH型亀裂の場合の相互作用を明らかにした。（大学） ・ 強度や応力降下量分布に不均質がある場合，或いは亀裂が任意形状をしている場合の数学的定式化を進めた。（大学） (c) 下部地殻流動特性とプレート内応力の蓄積・解放過程のシミュレーション研究（平成12年度後期から開始）。 ・ 内陸活断層の地震発生過程のモデル化に向けた基礎研究として，異方的な流動特性を持つ粘弾性物体の力学的応答の定式化とそれに基づく数値計算アルゴリズムの開発を進めた。（大学） ・ 比較のために，既に開発済みの弾性−粘弾性成層構造モデルのプログラムを用いて，薄い粘弾性中間層が介在する場合の内部変形シミュレーションを行った。（大学） (d) 地殻応力・歪変化シミュレーション手法に関する研究（平成11年度から開始）。 (i) 逆解析手法に基づく地殻応力場の推定。 ・GPS観測網データから日本列島域の地殻応力を推定するためのグリーン関数のスペクトル分解に基づく逆解析理論を構築した。（大学） ・応力成分を生成する応力関数を推定するための逆解析理論を構築し，最小二乗法推定による平滑化では消去される局所的な変形の変動を計算できるようにした。（大学） (ii) ３次元モデルに基づく日本列島の応力場等の推定。 ・日本列島域の３次元有限要素法モデルを構築し，プレート運動を外部境界条件としてGPS観測網データから推定される日本列島域の変位速度場を再現した。（大学） ・上記モデルを用いて，日本列島域の地殻及び上部マントルの３次元応力場を推定した。（大学） ・有限要素法を用いて，南関東地域を対象として，媒質の不均質性を考慮に入れた静力学的応力場のモデルを作成し，ある場所で地震が発生したときに，他の場所での応力の変化が求められるようにした。これによって，関東地震のあとの大きな余震はクーロン破壊関数が大きな値をとるところで発生したことを見いだした。（気象庁） ・東海地域を対象として，"３次元モデルによるプレート沈み込みシミュレーションを行い，地震前の地殻変動の評価を通して東海地震発生までのシナリオを作成すること"を目的とし，プレート形状，媒質の粘弾性，不均質，プレート境界面での各種の摩擦則，沈み込み速度のゆらぎなどの基本的性質を取り込んだシミュレーションプログラムのプロトタイプを作成した。特に媒質が均質な弾性体，摩擦則が速度・状態依存でプレート形状のみを取り込んだモデルについて詳しい計算を行った。この結果，東海地震の一つのシナリオが得られた。そのシナリオによれば，"(1)プレートの結合域と環状の応力蓄積域が形成され，時間の進行と共に収縮し，応力蓄積域の周辺でプレスリップが起き，(2)地震数年前に，掛川・御前崎間の沈降が隆起に転じ，(3)プレスリップに伴う地表面での体積歪変化は10-8程度で，主歪の軸は数十度回転し，(4)環状の応力蓄積域の通過に伴い微小地震活動が変化する可能性がある"等が示唆される。（気象庁） (e) 地殻活動観測データの総合解析技術の開発（平成10年度から開始）。 ・離散的データから連続的地殻変動の時空間分布を推定する解析ソフトウェアを開発した。（地理院） ・アセノスフェアの粘弾性の効果を考慮して地殻変動データからプレート境界面のすべり履歴を推定するインバージョン解析ソフトウェアを開発した。（地理院） ・地殻変動及び地震発生物理の解明に必要なデータベースを作成した。また，シミュレーションの要素技術である粘弾性を考慮した３次元有限要素プログラムのプロトタイプを開発した。（地理院） (f) 地殻活動予測の統合並列シミュレーションモデルの開発（科学技術振興調整費総合研究：第I期，大学及び関係諸機関：防災科研，建築研究所国際地震工学部，地理院，気象庁気象研究所）。 ・日本列島域の地殻・マントル構造に関して，中解像度（６分メッシュ）のプレート境界形状モデルを開発する一方，プレート境界の摩擦特性を規定する構成則の環境条件依存性を実験的に定量評価し，地震発生場における構成パラメータの深さ分布モデルを作成した。 ・地震発生サイクル過程に関しては，強度回復メカニズムを内包する断層構成則を導入し，横ずれ型プレート境界での３次元準静的地震発生サイクル・シミュレーション・モデルを完成させた。 ・動的地震破壊過程に関しては，半無限弾性体中の屈曲・分岐断層での動的破壊伝播の３次元シミュレーションモデルを開発し，準静的地震発生サイクル・モデルとシステム結合することで，地震発生サイクルの全過程のシミュレーションに成功した。 （イ）データ基盤の整備とデータ解析・同化システムの開発 (a) 地殻活動データの解析・同化並列ソフトウェアの開発。 ・ 基盤的地震観測網及び関東・東海観測網から得られたデータに基づき，膨大な数の地震の震源や発震機構を精度よく求め，その結果や波形データを公開するためのシステム開発を行った。またS/Nの小さい微動を検出し，その震源を決定するためのシステム開発も行い，地殻深部で発生する微動を発見した。このほか，自動震源決定に，P波が未到着であるという時刻データを加えることにより，P波が最初の観測点に到達してから数秒間で，正確な震源を決定するための新しい解析手法の開発も行った。（防災科研） （２）観測技術 （2.1）具体的目標 （ア）宇宙技術利用の高度化 （イ）海底計測技術の開発と高度化 (a) 海底設置型傾斜計の実用化を行う。 (b) レーザー干渉計を用いたボアホール海底傾斜計を開発する。 (c) 海底孔内設置型体積歪計の実用化を行う。 (d) 海底観測通信ブイの実用化を行う。 (e) 海底重力・圧力計の実用化を行う。 (f) 音響信号を利用した海底測距計の高度化を図る。 (g) 水深6000mまでの海底で1HzからDC帯域の電場変化と磁場変化を観測可能とする海底電位磁力計を開発する。 (h) 船上−海底間で行う海底測位を，海底局を固定した観測（連続観測）の段階にまで進め，精度・分解能等の検証を行う。 (i) 海面−海底間で行う音響測距技術の実用化を行う。 (j) 音響測距方式以外の海底地殻変動観測手法の開発を行う。 （ウ）地殻深部における計測技術の開発と高度化 (a) ボアホール深部での繰り返し応力測定技術を確立する。 (b) ボアホールを用いた比抵抗不均質構造の時間変化検出技術の開発を行う。 (c) 精密制御震源及び地震計アレイを用いた地震波伝播不均質構造の時間変化検出技術を確立する。特に調和振動を用いた散乱・反射特性の時間変動モニター技術を確立する。 （2.2）実施状況 （ア）宇宙技術利用の高度化 ・火山噴火や前線接近による大気遅延により，GPSの解析結果に系統的な誤差が生じることを示した。（大学，防災科研，産総研） ・電子基準点等で構成されるGPS連続観測網から得られる大気遅延量をデータベース化し，大気遅延量推定用の準リアルタイム解析システムを完成した。（地理院） ・GPS観測におけるアンテナ位相特性やマルチパスなどの影響を評価し，新しく構築した位相モデルによって解析結果が大きく改善することを示した。また，解析における観測網の組み方による影響を突き止め，誤差を低減する方法を開発した。更に基線解析から海洋潮汐荷重のシグナルをとらえることに成功し，最新の海洋潮汐荷重変形モデルを適用することによって大部分の分潮について補正されることが分かった。また，地殻変動監視用の準リアルタイム解析システムを開発し，平成12年度から東海地域についての３時間毎の解析結果を気象庁に提供している。（地理院） ・干渉SARの大きな誤差要因である鉛直方向の水蒸気変化の補正法と，干渉画像のコヒーレンスを向上させる高精度画像マッチング法を開発した。（地理院） ・航空機SARについて，インターフェロメトリやポラリメトリによる地形変動の定量的な変化や地表状況の把握に関して，基本的な解析手法のめどをつけ，火山観測から基本的なデータ処理までの手法をほぼ確立した。 また，VLBI，SLR，GPSの観測座標，速度ベクトル等の比較を行い，整合性を確認した。これらの結果が，国際基準座標系にも寄与するため，システム間の測量結果をIERS（国際地球回転事業）に提供した。（通総研） ・カップリングの比較的短期の時間変化に伴うスローイベントの検知・解析を目指して，高サンプリングGPSの開発を行い観測を開始した。今後，サイレントやスローなイベントが発生した場合，その解明に役立てられると期待される。（大学） （イ）海底諸観測技術 (a) 海底設置型傾斜計の実用化を行う。 ・最少分解能10ナノラジアンの精度を持つ自己浮上式海底傾斜計を開発し，浅い海底でほぼ3−5マイクロラジアンの潮汐変動を計測することができた。現在，温度変化の影響を受けにくい1400ｍ水深の相模湾海底での観測を実施中である。（大学：ほかのプロジェクトとも共同） (b) レーザー干渉計を用いたボアホール海底傾斜計を開発する。 ・レーザー干渉計と光ファイバーリンクを組み合わせ，高温環境下の深層ボアホールでも観測可能な海底傾斜計を開発した。陸上ボアホールにおける水管傾斜計との比較により，潮汐やセイシュなどの周期的信号は水管傾斜計とほぼ一致し，約1000秒より短い周期側の自己ノイズレベルは水管傾斜計よりよいことが確認された。分解能は約0.1ナノラジアンである。現在，海底ボアホールでの観測を容易にするため，半導体光源の開発による一層の省電力化とDSPを用いた信号処理の高速化を進めている。（大学：ほかのプロジェクトとも共同） (c) 海底孔内設置型体積歪計の実用化を行う。 ・海底孔内設置型体積歪計（分解能およそ10-12）は，平成11年の８月，海半球計画と共同して，三陸沖海底に掘削されたボアホール（国際深海掘削計画LEG186による掘削，水深約2500m，海底下約1000mの孔底）に設置された。現在深海潜水艇を利用して観測開始が進められている段階にある。（大学：ほかのプロジェクトとも共同） (d) 海底観測通信ブイの実用化を行う。 ・海底観測を準リアルタイム化するための海底観測通信ブイは，水中音響により海底計測部とリンクし，更に衛星通信を利用して陸とリンクすることによって，海底と陸上との通信を確立するシステムである。開発したシステムは，2000年の神津島近海の大規模群発地震の際に神津島近海に設置されて，活動推移の準リアルタイムモニタリングに活用された。（大学：ほかのプロジェクトとも共同） (e) 海底重力・圧力計の実用化を行う。 ・１マイクロガルの計測精度，10−20マイクロガルの計測再現性を持つ海底重力計を開発した。深海潜水艇を利用して繰り返し観測を行うほか，自己浮上方式による設置回収が可能である。淡路島沿岸等での計測により，数マイクロガル程度の分解能で重力変動計測が可能であることが分かった。また，自己浮上型の海底圧力計を開発した。2000年の神津島近海の大規模群発地震の際には，神津島近海の２点に設置して，地盤の傾斜と考えられる変動を記録した。海底重力と海底圧力を同時に計測することによって，海洋の変動と海底の変動の分離が可能となる。（大学：ほかのプロジェクトとも共同） (f) 音響信号を利用した海底測距計の高度化を図る。 ・海底音響測距計を用いた観測では，1km程度の基線に対してcmレベルの水平歪みの検出が可能であることを明らかにするとともに，東太平洋海膨のような水温の変化が小さい太平洋の海盆底では，1km程度の基線に対してmmオーダーの測距精度が得られることを実証した。（水路部） (g) 水深6000mまでの海底で1HzからDC帯域の電場変化と磁場変化を観測可能とする海底電位磁力計を開発する。 ・海底電位磁力計を用いた観測により，海底において電場0.06マイクロV/m，磁場0.01nTの分解能を持つ高感度の電位磁力計測の手法を確立した。（水路部） (h) 船上−海底間で行う海底測位を，海底局を固定した観測（連続観測）の段階にまで進め，精度・分解能等の検証を行う。 ・海面と海底との間の測距に関して，幾つかの通信手法が用いられているが，いずれもほぼ実用的レベルに達した。（水路部，大学） ・キネマティックGPSによる船の測位をふくめて海底測位の短期間繰り返し精度として5cm程度を達成した。（水路部，大学） (i) 海面−海底間で行う音響測距技術の実用化を行う。 ・実用的な機器開発・整備を行い，海底基準局を設置して，繰り返し観測を実施した。（水路部） (j) 音響測距方式以外の海底地殻変動観測手法の開発を行う。 ・マルチビーム音響測深機を利用した開口合成手法により，海底の変動差を検出する解析手法の研究開発を行い，開口合成手法として，5ピング（発信回数）の信号を用いて７倍の開口長を実現し，送波ファンビームの指向幅を通常の2度から0.3度に向上させた。（水路部） （ウ）地殻深部における計測技術の開発と高度化 (a) ボアホール深部での繰り返し応力測定技術を確立する。 ・防災科研，東濃地震科学研究所，核燃料サイクル機構東濃地科学センターと共同して，深いボアホールにおける実験を行った。インテリジェント型歪み計による深さ300〜500mにおける応力測定が可能になった。また，センシング技術の向上を図ったことで，外形40mm程度のインテリジェント回収型歪み計を製作できることが判った。（大学） (b) ボアホールを用いた比抵抗不均質構造の時間変化検出技術の開発を行う 。 ・野島断層における注水実験に際して，GPS技術を利用したダイポール・ダイポール法を新たに開発し，断層近傍の比抵抗を精密かつ連続的に測定した。送信に正弦波を用い，送受信ともにGPS時計に同期することにより地下比抵抗測定のSN比を飛躍的に高めることができた。（大学） ・データ処理においてニューラルネット法を用い，VLF帯におけるパルス状の信号(VPS)と雷ノイズ，背景ノイズ等とを識別し，VPSに基づく地震の発生予測の推定確率を向上させ得る可能性が高いことを示した。また，長さ33kmにおよぶ大島−伊東間電話用海底ケーブルを海底アンテナとする方法を開発した。異常電磁界の発生要因が，地殻内の間隙水(地下水)の急激な変動に伴う流動電位現象である可能性を検証するため，可搬型高温超伝導体磁界センサシステムを試作し，磐梯山における野外計測実験を行って連続的なデータ収集に成功した。（産総研） (c) 精密制御震源及び地震計アレイを用いた地震波伝播不均質構造の時間変化検出技術を確立する。特に調和振動を用いた散乱・反射特性の時間変動モニター技術を確立する。 ・各務原に設置したアクロス振動装置により基礎実験を行い，コヒーレント弾性波を用いた地下構造解明のための理論的な波動発生効率を解明した。（大学） ・野島断層において，アクロス振動装置を15か月間連続運転し，P波とS波の速度変動をモニターした。その結果，鳥取県西部地震に伴うS波の遅れと異方性の変化が検出された。（大学） |