第8章 「観測技術開発」研究計画
１．はじめに
地震予知のためには地下の観測・モニタリングを欠かすことができない．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の取得を目指した観測技術開発はきわめて重要であり，「観測技術開発」計画推進部会では，実用化まで後一息と言う技術からやや長期的に開発が必要な観測技術まで，開発研究を推進している．
平成１３年度も，（１）海底諸観測技術の開発，（２）音響結合による海底測位技術の開発，（３）ボアホールによる深部計測技術の開発，（４）精密制御震源による地下構造時間変動モニター技術の開発，の４つが現時点で将来性のある観測技術であると認識し，研究を推進している．平成１３年度報告ではそれぞれについて成果をまとめるとともに，早急な実用化を最も期待されているGPS音響結合による海底測位技術については特に詳しく述べる．
２．個別成果に関するまとめ
（１）海底諸観測技術の開発
海溝での巨大地震発生域に近づいてデータを取得するためには海底に観測機器を設置することが必要である．海底は温度の変化が少なく，また降雨等の気象条件の変化を受けないため，一旦設置してしまえば陸上よりも好条件となることも見込まれるので，信頼できる観測装置の開発が期待されている．
海底における種々の観測技術の開発を東京大学地震研究所や東北大学を中心として行っている（課題番号：0113）．
自己浮上式としては海底設置型傾斜計，海底設置型重力計，海底設置型圧力計を開発し，実地試験を行っている．特に海底設置型圧力計は2000年の三宅島-神津島の地震・火山活動の際に海底にダイクが貫入したと考えられる地域に投入され（玉木・ほか，2001），ダイク貫入活動に呼応した水圧変動（つまり上下変動）がとらえられている（図１）．2000年の三宅島-神津島の活動では地殻変動のデータが陸上でしか取得できなかったため，モデル自由度の拘束が十分にできなかったという問題があったが，比較的簡便に観測できる海底圧力計は海底での地殻変動が大きな場合には今後活躍することが期待される．また計測可能深度を大幅に増加させるために超深海観測（6000m超）のための耐圧容器を開発した（金沢・ほか，2001）．
一方，海底ボアホール設置型としては，レーザー干渉計を用いた傾斜計，体積歪計の開発を行っている．レーザー干渉計を用いた傾斜計は現在鋸山観測井で試験観測が行われている．また体積歪計はすでに三陸沖海底に設置され試験観測が行われている．
（２）音響結合による海底測位技術の開発
現在日本列島の陸上では1000点以上でGPSによる観測が行われている．そのような観測を海底においても行うことができれば，海溝型巨大地震についてのより詳しい知見が得られるものと期待できる．そのような手法として 音響結合による海底測位技術の開発が東大地震研，東北大学（藤本・ほか，2001），名古屋大学（田所・ほか，2001）においてすすめられている．（課題番号：0113，0503，0909）
測定方式としては海底−海底方式と船上-海底方式の２つがあるが，現在開発の主力となっているものは船上-海底方式である．船上-海底方式の基本的な手法は，キネマティックGPSを用いて船上局の位置をきめ，船上局と海底局の相対的位置は海水中を伝わる音波を用いるものである．この方式の開発ポイントは次の３つである．(1)船の位置と姿勢を正確に測定し揺れ動く船上局の位置を決定すること．(2)船上局と海底局とを往復する音波の走時を正確に測定すること．(3)海底の音波速度構造を考慮して海底局の位置を決定すること．このうち(2)の音波走時の測定に関しては技術的にはほぼ開発が完了している．
現在，もっとも問題となっているのはキネマティックGPSによる船上局の位置の測定である．その精度の検証と向上のため，平成13年度には実験が行われた．東北大学では，長基線キネマティックGPS測位の精度を検証するため，仙台-東京間で陸上試験観測を行った（図２）．同様に名古屋大学では，宇治を中心として，あらかじめ正確に座標のわかっている点をキネマティックGPSによって測定する実験を行った(佐藤・ほか，2001)．その結果，キネマティックGPSによる測定値には系統誤差があり，それは距離の１乗ではなくむしろ２乗に比例するという結果を得た（図３）．この２つの実験をどのように解釈すべきかが問題である．東北大の実験では，連続測定での安定性が示されているものの系統誤差については示されていない．また名古屋大学と東北大学では用いている解析ソフトも異なるため，現時点ではキネマティックGPSの精度に関する結論は出せない．次年度にはこの問題を明らかにすべく実験を行うことが必要である．
いずれの大学でもすでに海底局を設置し，繰り返し観測による精度の検証ができる体制になっている．今後は測定法や海水の温度構造（音波構造）を考慮した精度の向上に向けた開発研究が望まれる．
（３）ボアホールによる深部計測技術の開発
地下深部での計測は，地殻活動のモニタリングにとって直接的な手法であり，その高度化が強く期待されている．現在は名古屋大学が東濃地震科学研究所と共同して地下深部でのくりかえし応力測定法の確立を目指した開発を行っている（課題番号：0904）．
名古屋大学で行っている手法は原理的にはオーバーコアリング法に基づいたもので，深部ボアホール内で行うことのできる点がユニークである（石井・ほか，2001）．そのためにケーブルレスの３成分歪計を開発し，歪計の耐圧容器の中に記録装置から電池まで全て収納したものを開発している．平成１３年度には新宮での応力測定をおこない，水圧破砕法の結果とほぼ一致した結果を得ている．
（４）精密制御震源による地下構造時間変動モニター技術の開発
地下の地震波伝播特性の時間変動を高精度でモニターすることによって，地殻の応力変化，クラックの密度変化，地下流体の変化などを知るための重要な情報が得られると考えられる．このための開発は東京大学地震研究所と名古屋大学によって行われている．
東京大学地震研究所では，遠心力によって正弦波を発する震源装置（アクロス）を独自に開発し東京電力所有の深部トンネルに設置をした．この震源装置は偏心モーメントを自在に変化させることが出来るものになっている．また装置開発と平行し調和振動による地下トモグラフィーの手法開発も行っている（Higashihara,2001）．
名古屋大学では主に淡路島に設置をした震源装置を用いて長期連続観測実験をおこない，データ取得上の問題点の洗い出しを進めている．最大の課題は震源装置周辺地盤特性の時間変動の影響を評価し，データを補正する方法の確立である．これは，すべての制御震源において繰り返しモニターを行う場合に問題になる点である．平成１３年度は，震源装置近傍の地震計記録を用いてデータ補正を試みた．単一の周波数成分に対する補正法はすでに試みられている(Yamaoka et al. 2001)ので，その方法を全周波数成分に適応し走時変動の補正を試みた．現状では必ずしもうまくいっていないが，若干の改善が見られる．
３．まとめ
全体的なまとめとしては，（１）の海底諸観測技術は陸上で行われている観測項目を着実に海底観測技術として確立している点で高く評価できる．（２）の音響結合海底測位は，複数の機関が競い合って開発を進めていることが重要な点である．その結果としてより信頼性の高い技術としての地位を築いていくことができるであろう．（３）（４）ともに実用にはもうしばらく時間が必要であろうが，実際のニーズと摺り合わせながらできるだけ早い実用化を目指した開発が必要であると考える．
まとめとして，訴えたいことは基本的には昨年度と同じである．地震予知に限らず，自然科学の研究は観測・実験技術の進歩に伴って進歩する．革新的なＧＰＳや広帯域地震計の導入は地震の研究に飛躍的な進歩をもたらしたことは周知の事実である．しかし残念なことに，これらは外国で開発されて実用化されたものを導入したにすぎない．また最近地盤構造でしばしば用いられる大型バイブレータも外国製である．これだけ大規模に地震研究が行われていながら，それを支える技術を外国に多く頼っているのは残念なことである．人材もさることながら，すぐには役立たないが将来は地震研究に役立つ可能性がある技術に対してのサポートが手薄いのも原因であろう．
現在研究が進められているものはいずれも実用化されれば新たな情報をもたらしてくれる重要な技術である．なかにはうまくいかないで途中で断念せざるを得ないものがあるかも知れないが，できるだけ多くの胞芽的な技術開発を進めておく方が成功する確率が高い．また通常の実験の中に，技術開発から生産された挑戦的な実験計画も含めて，より現実的な問題点を洗い出していくことも大事であろう．また観測技術開発を担当する研究者側もユーザーとしての他の研究者が納得して評価できるデータを提出する必要がある．観測技術開発はしばしば自己目的化してしまい，本来の目的から見た性能評価がおろそかになる場合がある．
このようにして，最終的に開発担当者の手がはなれれば，実用的な観測技術として歩き始めることができるのである．
文献
石井紘・山内常生・松本滋夫：最新の地震・地殻変動計測システムによる地震前兆現象の検出：号外地球,33,188-196,2001.
金沢敏彦・村上英幸：超深海の海底観測に向けて−耐圧ガラス球の開発−，地球惑星科学関連学会2001年合同大会，2001.
佐藤一敏・安藤雅孝・ほか（１９人）：海底地殻変動モニタリング開発に向けたkinematic
GPSの位置決定精度評価−（１）基線長別精度評価−，地球惑星科学関連学会2001年合同大会，2001.
田所敬一・安藤雅孝・佐藤一敏・山田卓司・奥田隆・片尾浩・岸本清行：音響測距GPSリンクによる海底地殻変動観測システムの開発，地学雑誌，110,355-361,2001.
玉木崇之，藤本博己・日野亮太・金沢敏彦・佐藤忠弘：海底差圧観測，地球惑星科学関連学会2001年合同大会，2001.
Higashihara, H.: A New
High-Resolution Underground Tomography based on Coherent Seismic Wave. 1st
Albert Caquot International conference, Paris, 2001, 10.3-5, 100-107, 2001.
藤本博己・金沢敏彦・小泉金一郎・長田幸仁・三浦哲：海底地殻変動観測システムと音響測距，月刊地球，23,27-32,2001.
Yamaoka,K., Kunitomo, T., Miyakawa, K., Kobayashi, K. and Kumazawa, M.: A trial for monitoring temporal variation of seismic velocity using an ACROSS system. The Island Arc, 10, 336-347, 2001.
図１：2000年三宅島神津島近海群発地震域における海底圧力観測で検出された海底の沈降．２台の海底圧力計の差によりわかる海底の相対的変化は247日ごろをさかいにトレンドが１桁以上変わっている．247日以前の変動は群発地震帯の上に設置されたMy2の水深がMyに対して増加した，すなわち沈降したことを示している．
図２：310km基線におけるGPSキネマティック解析の結果．東北大学地震噴火予知研究観測センターを基準として計算された東京大学地震研究所屋上の固定観測点におけるエポックごとの座標地の変化．
図３：京都大学防災研究所屋上を基準点とした，キネマティックGPS測位の系統誤差と基線長距離の関係．
