第8章　「観測技術開発」研究計画

 

 

１．はじめに

 

地震予知を実現するためには，モデルの構築やシュミレーションとともに，現在の地殻の様子を知るための観測が必要であることは言うまでもない．特に質的，または量的に今まで手に入れることの不可能だったデータを手に入れることにより，地殻の活動に関する全く新しい世界が見えてくるのはＧＰＳ観測網の導入が典型的な例である．このように新たな観測量を目指した観測技術開発の重要性は新たな地震予知研究のための建議にも記されている．その建議を受けて地震予知協議会のもとの企画部計画推進部会に「観測技術開発」部会が設置された．

平成１１年度は，本格的に企画部が発足する前の準備段階として位置づけられたのであるが，「観測技術開発」部会としては，（１）海底観測技術の開発，（２）ボアホールによる深部計測技術の開発，（３）精密制御震源の開発が現時点で将来性のある観測技術であると認識し，研究を推進することにした．平成１１年度はそれぞれについてめざましい成果を上げたと考えられるものがあった．海底観測技術の開発においては，レーザー干渉計と光ファイバーリンクを用いた孔内設置型傾斜計が実用段階に達したことである．ボアホール深部計測技術では地下深部での繰り返し応力測定の実用化にめどがついたことである．精密制御震源の開発においては，長期間連続でかつ高分解能の地震波速度変動のモニターが可能になったことである．いずれも従来不可能であった観測量を取得することを可能にするものである．以下にそれぞれについて，やや詳しい説明を行う．

 

２．海底観測技術の開発（東京大学地震研究所［課題番号：0113(㈵)］)

 

海底観測技術開発における特筆すべき成果としては，東京大学地震研究所によって開発されているレーザ干渉計と光ファイバーリンクを用いた孔内設置型傾斜計である（新谷，1997；Araya and Kanazawa, 1998）．用途は必ずしも海底には限らないが，陸上よりもさらに厳しい海底に掘削された孔内計測に向けた装置である．原理的な構造を図１に示す．装置は地上に置かれた装置と孔底に設置された装置からなる．孔底の装置ではレーザー干渉計の原理を用いて振り子の傾きを検出している．レーザー光は地上部装置に設置されたレーザーから光ファイバーによって孔底部に導かれる．干渉した光は再び光ファイバーによって地上部に戻され，光検出器で検知された強度変化として傾斜が計測される．本装置の最大の特徴は地上部と孔底部とが光ファイバーのみでつながれていて，孔底部には何ら電力が供給されないことである．このことにより孔底のセンサー部が電気的に破損することから免れている．また孔底部に電子回路がないため，温度の高い深層ボアホールでの計測も可能になっている．

この傾斜計は東京大学地震研究所の鋸山試験孔（10インチ×80m）に設置され，すでに２年以上試験観測が続けられている（新谷他，2000）．図２に水管傾斜計との比較が示されている．南北と東西方向の傾斜のスペクトルを示してあるが，水管傾斜計の記録と良い一致を示している．記録に見られるスペクトルピークである潮汐やセイシュはほぼ一致している．ノイズレベルは，1mHz以上では水管傾斜計よりも優れている．このことにより，遠地大地震などの長周期成分の卓越した振動の検出のためには適した装置といえる．

今後の課題としては，半導体レーザーの利用などによりレーザー光源を省電力化すること，光検出後の信号処理をDSPを用いて高速化してリアルタイム処理を行うこと，そして孔底部の孔内固定方法を確立することである．これらの課題の克服にはめどがついており，このボアホール孔内傾斜計は従来にない全く新しい原理を用いた装置として様々な場所で利用されることが期待できる．

 

３．ボアホールによる深部計測技術の開発（東京大学地震研究所［課題番号：0107b］，名古屋大学［課題番号：0904］）

 

地下深部における計測として，従来は地震や地殻歪，傾斜のモニターが行われてきた．地下深部での地殻応力観測の重要性も従来から指摘され，ボアホール内の水圧破砕法によって計測されてきた．しかしながら水圧破砕法ではボアホール周辺の岩盤を破壊してしまうため，繰り返し応力を測定し，時間変動をモニターすることが困難であった．一方，地殻応力計測のもう一つの方法である応力開放法（オーバーコアリング法）は，コアを少しづつ深くしていくことによる繰り返し測定が可能ではあるが，深部での計測が困難であるという欠点があった．これらの難点を克服して，ボアホール深部における繰り返し応力測定への道を開く開発が東京大学地震研究所と名古屋大学で行われている．

開発の重要な点はインテリジェント回収型歪計とそれを回収する方法の確立である．オーバーコアリングによる応力計測の際には，オーバーコアリング中の歪の変動を記録しておく必要がある．そのためにはオーバーコア作業中にも記録できるような，ケーブルがなく単独で記録できる歪計が必要となる．またその歪計はオーバーコアリング後に回収しなければならない．

図３にその概要を示す．回収型歪計のサイズに合わせて掘られたボアホールの先端に歪計を投入し，モルタルで固める（左図）．モルタルが十分に固まるまで１週間程度時間をかけたあと，固まったモルタルの外側を岩盤を含めてオーバーコアリングをする（中図）．この際の歪変化とモルタルおよび周辺の岩盤の弾性定数から応力を算出する．オーバーコアリング終了後歪計をモルタルとくりぬいた岩盤ごと引き上げる（右図）．引き上げる時の水圧減少にともなう歪計の記録から，歪計のキャリブレーションをすることができる．この手法の施工上の困難点はいかに正確に同心円でオーバーコアリングをするかであるが，何度か失敗を繰り返したものの現在ではほぼ正確にオーバーコアリングをすることができるようになった．

図４は岐阜県の福岡町でおこなわれた深さ400mのボーリング孔での実験の結果である．オーバーコアリングの際にインテリジェント回収型歪計で記録された歪記録である．１０時〜１３時にかけてオーバーコアリングをしているが，岩盤をくりぬく前後の歪変化が記録されている．また１４時３０分頃から歪計を引き上げ始めているがその際の歪変化も記録されキャリブレーションに使われた．解析の結果，この記録から最大主応力はN12.9°Eで12.9MPa，最小主応力はN77.1°Eで4.3MPaとなっている．同じボアホールで水圧破砕法による応力の計測が行われている．その結果は深さ279mで最大圧縮応力が約15MPa，方向は着目するデータによって異なるがおおむねN10°Ｗ程度である．最小主応力は約10MPaであった．測定している深さが異なるため，２つの測定が良く一致しているかどうかの評価はできないが，少なくともかけ離れた値になっていないことは，今後の改良に期待できる材料である．詳しい解説は山内・他(2000)および石井・他(2000)を参照してほしい．

今後の課題としては，くりぬく岩盤が薄いことによる誤差の見積もりと，より厚い岩盤をくりぬくための改良，また繰り返し計測による信頼性の評価が必要になると考えられる．

 

４．精密制御震源装置（ACROSS）（名古屋大学［課題番号：0905］）

 

弾性波伝播特性は地殻の応力変化に対して非常に敏感であることが知られている．そのため地殻の状態をモニターするのための観測量として，弾性波伝搬特性の時間変動を連続的に計測する技術は長い間待ち望まれてきた．そのための装置と観測技術の開発が名古屋大学と東京大学地震研究所で行われてきた（Ha and Higashihara, 1998, Yamaoka et al., 2000）．

淡路島の野島断層近傍に精密制御震源装置（ACROSS）が設置されたのは1995年の兵庫県南部地震の翌年である．断層解剖計画により，震源装置以外に３本のボアホールといくつかの孔内計測装置が設置された．800m孔には歪計と地震計，1800m孔には孔底から100mおきに３台の地震計が設置された．この時点までに震源装置についての基礎的な設計が終了していた名古屋大学では，ボアホールから150m程度離れた花崗岩の地表に２台の震源装置を設置し，実験を開始した．図５に観測装置の配置を示してある．震源と地震計とは水平方向に150m程度離れているものの地震計の設置震度が深いため震源装置から放射された弾性波はほぼ真下の方向に伝播する．またボアホールの検層結果によると地表から地震計まではすべて花崗岩の岩盤でできていて，特に明瞭な地層境界はないことがわかっている．従って，地表のACROSS震源装置から深部の地震計に到達する波は比較的単純になることが期待される．

いくつかの基礎的な実験を終えた後（山岡・他，1999），平成１２年１月から３月にかけて1800m孔への注水実験が行わるのにあわせて，ACROSSを連続運転した．２台の震源を同時に異なった周波数帯域で周波数変調（國友・他，1999）によって運転し，約10〜20Hzまでをカバーした．周波数変調の周期は５秒に設定したので，上記周波数帯で0.2Hz置きに正弦波信号を送信した．また震源近傍の地盤特性の時間変動をモニターするために震源の周り３台と，直下の深さ10mの場所に２台の地震計を設置した．

運転は注水実験開始の１週間前から注水終了後現在（６月１０日現在）も継続している．途中，工事や雷による停電を除き問題なく運転されている．ボアホールの地震計の信号は衛星テレメータを通じて名古屋大学に送られ，大学のワークステーションにてスタッキング等の処理を行った．震源装置も衛星テレメータ装置もともにGPSに同期してデジタルサンプリングがなされているので，名古屋大学に居ながらにして時間変化をモニターすることができる．

図６に計測結果を示す．解析は１時間ごとにスタッキングされた記録からフーリエ変換によって各信号成分を取り出し．震源関数でデコンボリューションをした後逆フーリエ変換で時間領域の信号を得る．その信号のうちＰとＳ波に対応する部分を取り出し，基準となる時刻（１月１９日）を基準としたクロススペクトルを計算する．その結果からＰとＳの走時の時間変化を得た．図は1800m孔底の地震計での走時から800m孔底の地震計の走時を差し引いたものである．図によると第１回目の注水後Ｐ波Ｓ波ともに100マイクロ秒程度の遅れが生じているようにも見えるが，現状では有意な変化かどうかは不明である．おそらく注水による水は既存の割れ目を通過したにすぎないことが想像される．現状ではまだ降雨などの気象によると思われる原因不明の変動が残っていて，これらの原因究明と除去が必要とされる．

この実験結果は，ACROSSを５ヶ月もの長期間，停電以外のトラブル無しに運転したという実績で評価できる．今後は震源関数の時間変動を考慮した解析をすること，またＱの変動をとらえられるように存否法による解析を取り入れていくことが課題である．

 

 

文献

 

新谷昌人，「レーザー干渉計をもちいた海底孔内設置型傾斜計の開発」．重力波検出に関するシンポジウム集録(新プログラム方式による研究「レーザー干渉計を用いた重力波天文学の研究」), 93-96, 1997.

Araya, A., and T. Kanazawa, "Optically-linked laser-interferometric tiltmeter for ocean borehole observations", 1998 International Symposium on Underwater Technology, IEEE Service Center, 168-171, 1998.

新谷昌人、金澤敏彦、中尾茂、「光ファイバーリンク方式ボアホール傾斜計による地震・地殻変動観測」、テクトニック活動域で多面的に見た潮汐の研究集会集録(京大防災研究所研究集会　代表　大江昌嗣), 1-6, 2000.

Ha Dong-Ho and Higashihara H., Wave field generated by laterally vibrating source attached to the surface of elastic half space, 土木学会論文集，584/I-42，1-10,1998．

石井紘・山内常生・松本滋夫・池田隆司，インテリジェント回収型歪計を用いた超深度ボーリング孔における歪観測とオーバーコアによる初期応力測定．物理探査学会第102回学術後援会論文集，109-113．2000．

國友孝洋・山岡耕春・熊澤峰夫・井上修一・池田典宏・宮川幸治・渡辺誠一郎：精密制御定常信号システム（ACROSS）におけるFM送信技術とその有効性．物理探査学会第101回学術講演会論文集，79-83，1999

山内常生・石井紘・松本滋夫，超深度ボアホールにおける初期応力測定のためのインテリジェント回収型歪計の開発．物理探査学会第102回学術講演会論文集，104-108．2000．

山岡耕春・國友孝洋・小林和典・宮川幸治・宮島力雄・生田領野・森口賢治：　精密制御定常信号システム（ACROSS）による地震波速度モニター実験．物理探査学会第101回学術講演会論文集，75-78，1999

Yamaoka,K., Kunitomo, T., Miyakawa, K., Kobayashi, K. and Kumazawa, M.: A Trial for Monitoring Temporal Variation of Seismic Velocity with ACROSS System. Island Arc, in press 2000.

＜図の説明＞

図１：レーザー干渉計と光ファイバーを用いた孔内設置型傾斜計の原理図．地上部と孔底部は光ファイバーのみで接続されている．

 

図２：鋸山の孔底に設置されたレーザー干渉型傾斜計と水管傾斜計とのデータの比較．スペクトルで比較してある．

 

図３：インテリジェント回収型歪計を用いた深部ボアホールにおける地殻応力測定の原理．

 

図４：オーバーコアリングおよび引き上げ中のインテリジェント回収型歪計で記録された歪．

 

図５：淡路島における精密制御定常震源（ACROSS）とボアホール地震計の配置概念図．

 

図６：注水実験（図の１，２，３の時期）にともなうＰ波とＳ波の走時変動．深さ1700mでの地震計での変動から800m地震計での変動を引くことにより，震源関数の影響を減らした．