第８章 「観測技術開発」研究計画
１．はじめに
新たな観測・観察技術開発による飛躍的発展が医学や工学さらに地球科学など様々な分野でしばしば認められてきた．地震予知研究分野では，地震ネットワークや海域地震観測システムの開発・整備により，古くは，沈み込み帯の二重震発地震面構造から最近のアスペリティと非アスペリティ構造など，さまざまな現象が明らかとなり，地下構造探査技術の進歩と組み合わせて，地下深部の顕著な地震波反射面や低速度構造などと地震発生メカニズムの関係が議論できるようになってきた．さらにまたGPSネットワークにより，地震観測だけでは観ることのできなかった，ゆっくりすべりなどが明らかとなりつつある．技術的観点からみると既存技術の量的展開も含まれるが，観るための新しい手段の開発がその基礎にあったことは言うまでもない．観測技術開発部会の使命は観測のための新しい技術の開発であり，地震予知研究者が新しい[道具]を手にいれるための試みであり，新たに開発された観測機器の実用化までが使命である．
研究開発は研究対象あるいは研究手段の観点から３つの細目に分類されている．それらは(1)海底諸観測技術の開発，(2)ボアホールによる深部計測技術開発，および(3)地下構造と状態変化をモニターするための技術開発である．各大学から提案された研究課題は，それぞれ，(1)海底諸観測技術の開発については，課題番号0113(東京大学地震研究所)，0213(京都大学防災研究所)，0503(東北大学理学研究科)，0909(名古屋大学環境学研究科)であり，(2)ボアホールによる深部計測技術開発については，課題番号0129(東京大学地震研究所)，0904(名古屋大学環境学研究科)，(3)地下構造と状態変化をモニターするための技術開発については，課題番号0131および0133(東京大学地震研究所)，0216(京都大学防災研究所)，0905(名古屋大学環境学研究科)である．個々の研究課題でえられた成果は各機関別報告で述べられているので，ここでは，まず，「地震予知のための新たな観測研究計画」が開始される時点の観測機器の到達点を整理したあと，観測技術開発部会の到達目標と成果を細目別に述べる．
２．観測技術開発の歴史
2.1 地震観測
地震予知計画においては，固有周期１Hzの地震計が標準的に導入されたが，センサーの開発よりはテレメータ技術開発に主力がそそがれた．電話回線や無線を利用してテレメータ伝送が行われ，現地の地震波形データを大学等の拠点まで高品質で送る手法の探求が実践的地震観測と並行して行われてきた．初期はFM変調による転送が主流でSN比はせいぜい40dB(7ビット相当)であったが，80年代のデジタル技術の進歩によりデータ伝送そのものをデジタルでおこなうようになり，12ビットから16ビットの伝送が行われるようになった．しかしながら，これらのデータ伝送は大振幅の振動で簡単に飽和したり，広帯域地震計のデータ伝送には不十分だった．特に，時計の問題でタイミングの正確さやふらつきの問題があった．また伝送プロトコルも個々の大学あるいは請け負ったメーカ独自のものが用いられた．
これらの問題点を抜本的に解決したのは，1990年代に本格的に普及したGPS時計とネットワークの標準として普及したインターネットプロトコル（IP）技術である．GPSによりデータサンプリングの刻時精度も飛躍的に向上した．最近ではAD変換タイミングそのものがGPS時計に同期されるまでになった．また現在までに整備されているHiNetの標準は24ビットにまでなっている．IPはインターネットの普及とともに、コンピュータ間だけでなく，通常の計測インターフェースの標準プロトコルとして普及しつつあり，最近の計測器にオプションもしくは標準装備されるまでになっている．インターネットでコンピュータ間をつなぐプロトコルとして標準的に用いられているTCP/IPはリアルタイム性を重視する地震観測に向かない点が多く，地震観測では，より単純な通信として，UDP/IPが用いられることが多い．
2.2 GPS
地殻のひずみとその変動を計測することは，地震予知のために欠かせない技術である．しかしながら地殻ひずみ計測はGPSが本格的に導入されるまでは，日本列島全体を議論できるような成果は見られなかった．GPSはインターネットと同様に，米国が軍事目的で開発した技術であるが，その民生分野への応用は目覚しいものがあり，カーナビゲーションや漁船の位置計測から最近では民間の地形測量にまで用いられるようになった．地震予知研究に関連したGPS研究は1980年代からはじまっており，1990年代にはいって，国土地理院のGeonetに代表されるように，地殻変動観測の主流となっている．従来は，数年ないし10年ごとに測量していた日本列島の変形が瞬時にわかるようになり，それにともなって，これまで観測できなかったプレートの固着やゆっくりすべりなど、日本列島の変形について興味ある現象が次々に発見されてきた．
2.3 伸縮計等によるひずみ観測
地殻のひずみの計測研究は、地震の発生が地殻の変形と密接に関係するという予測から、当然のこととして開始された．地震予知研究初期には，温度変動をおさえるために岩盤に掘削された横坑内に長さ数10ｍの石英管を設置し，地面の伸縮を計測してきた．10‐9の公称精度を誇っていたが，降雨や地下水などによる変動や，その他の原因不明の変動が大きいこと，またドリフトを含めた長周期のノイズレベルが大きいこと，地震の振動にともなう予測不能のステップが表れるなど，信号とノイズの区別がつきにくいことが多いため，地震予知研究に大きく貢献した事例が多いとは言いがたい．そこで現在は降雨等の影響をさけるため，ボアホールをもちいた計測が主流となっている．ただし浅いボアホールは地下水位変動等の影響が相対的に大きいので，あくまでも地下深部ボアホールが望ましい．ボアホール設置観測機器は通常モルタル等でしっかりと固定される．したがって故障機器の修理が困難であるが，横坑なら人がアクセス可能なので修理可能である．地下500m以上深い横坑と200m以浅のボアホールのどちらが優れているかは判断が分かれるところであろう．
３．研究課題細目ごとの到達目標
3.1 海底諸観測技術の開発
プレート沈み込み帯に位置する日本列島とその周辺の地殻活動の中で発生する地震の予測のためには，地震発生に至る地殻活動の全過程を，その過程であらわれる地殻現象の観測によって把握することが必要である．沈み込み帯と関連した地殻現象の観測のためには，海域において高精度に現象を検出するための観測システムの開発が必要である．したがって，浅海から超深海底までの海域を対象として，長期観測型海底地震計，広帯域海底地震計，海底測位（GPS測位計）・測距計，レーザー干渉計を用いたボアホール海底傾斜計，海底孔内設置型体積歪計，海底観測通信ブイ，海底設置型傾斜計，海底重力計・圧力計，超深海底設置型機器等の開発・高度化が目標であり，その実用化が到達目標である．
非地震性すべりの時空間パターンを理解するためには，海底における測地観測を実現し海陸にまたがる観測網を構築しなくてはならない．特に，海底地殻変動に関しては，海底に設置した基準点と海上の船の間を精密音響測距し，GPSで精密に決定した船上装置の位置とリンクするというGPS・音響結合式システムをメインとし，必要に応じ，同時開発の海底設置型傾斜計や海底圧力計による情報を組み合わせる手法の開発が目標である．
海底地殻変動観測は，長期間にわたる計測データの信頼性が保証されなければならない．このような観点からGPS・音響結合式システムの実用化のための実証段階として数ヵ月程度のやや長期の観測を実施し，実用システムとしての問題点を洗いだし，長期観測に耐えられるシステムの開発もまた，到達目標である．
3.2 ボアホールによる深部計測技術開発
深いボアホールを利用した計測は，ノイズの多い地表から逃れることによって高分解能のデータをえるという点だけでなく，震源核に近づくための重要な技術である．予知研究で重要なキーワードである地殻応力の絶対量およびその相対変化量の計測[Ishii et al., 2002]もまたボアホールを用いる．予知研究で主力であった水圧破砕法の問題点が問われている今，信頼性の高い測定法の確立が急務である．本細目の到達目標は，ボアホールを用いた地殻応力測定法の確立，および深部展開にむけた諸問題の解決による実用化が到達目標である．
3.3 地下構造と状態変化をモニターするための技術開発
地殻内の微小な応力変化，散乱体や地下流体の分布の変動，プレート境界での反射強度の時間変動など，地下構造の変化やそれをもたらす要因を決めるための精密調査技術開発およびその実用化がこの細目の到達目標である．
４．研究課題細目ごとの成果
4.1 海底諸観測技術の開発
課題番号[0113]と課題番号[0503]は一部共同で研究を実施しており，長期観測型海底地震計，広帯域海底地震計，海底測位（GPS測位計）・測距計，レーザー干渉計を用いたボアホール海底傾斜計，海底孔内設置型体積歪計，海底観測通信ブイ，海底設置型傾斜計，海底重力・圧力計の開発・高度化を実施した．図１にOBSの概観と内臓する各種装置を示す．
相模湾において海底測位・測距の長期計測，海底観測通信ブイの性能評価を行うとともに，神津島・新島近海の群発地震の震源域に設置して，準リアルタイム海域モニタリングの有用性を示した．海底圧力計[玉木他，2002a; 2002b, Fujimoto et al., 2003]をGPS−音響測位システムとともにアレイ展開したほか，長期型海底地震計アレイと共に２台を茨城沖に展開した．また，6,000m程度の深海底での計測用にガラス球を耐圧容器とする海底部リピータ型トランスポンダとその設置システムの開発をおこない，平成１３年度に開発した計測ブイと組み合わせた計測のほか，より簡易型の計測ブイを利用しての計測もおこなっている[Fujimoto
et al., 2002a; 2002b]．また，三陸沖海底の掘削孔（孔深約1000m，水深約2500mの海底）に設置された体積歪計/傾斜計は約３ヶ月の傾斜観測に成功した[金沢他,
2002]ほか，北西太平洋等においても孔内長期観測を実施した[Kanazawa et al., 2001]．また，広帯域地震センサーに関しては回収時の衝撃に対してより強くする必要があることが明らかになった．海底重力計の開発も実施された[藤本ら，1998]．
GPS−音響測位システムについては，三陸沖日本海溝の内側と外側に設置して繰り返し観測をおこなった[藤本ら,2002; Kanazawa
et al, 2002]．長基線のキネマティックGPS測位の精度向上に関しては，まず陸上で仙台・東京間の測位実験を行い，約２cmの測位精度を確認した．さらに海溝海側の観測点で，350km離れた仙台と270km離れた三陸のGPS観測点を陸上基準局としてブイのGPSアンテナの測位を行い，緯度・経度についてはその差が2ないし3cmであることを確認した[Miura
et al., 2002; 三浦他，2002]．陸上基準点から約300km離れた海上において船位を数cmで決定できたことによって海陸プレート境界域くまなく数cmの海底測位精度を達成できる見通しがついた．
GPS・音響観測システムの開発における重要課題の一つである船からの音響ノイズ対策に関しては，１個の音響トランスジューサと３台のGPSアンテナおよび動揺観測装置を搭載した２ｍ四方のブイ(図２)を用いた観測により，GPSと音響の計測に問題がないことを確認した．なお，開発した海上ブイ搭載式の海上局により，船の発生する音響雑音を低減することはできたが，海況によっては海上ブイを船から設置することができない場合がある等の弱点もあきらかとなった．
大水深における高分解能の音響測距については，海溝海側の水深5500m海域にスクリップス海洋研と共同開発した精密測距装置３台を設置し，15kmまでの距離において1cmをきる高い分解能で音響測距ができることを確認した．このことは、日本周辺の沈み込み帯では，どんな場所でも精密海底測位観測が可能であるということを示している．
一般に沈み込み帯は大洋の端に位置しており，表層の海流と潮汐に伴って大陸斜面に沿っておこる底層流の影響を受けやすい．そこでハワイ島南東沖で行われたスクリップス海洋研究所の海底測地研究航海に参加し，日本海溝海側に設置した測距装置１台の動作確認とともに，海洋変動が海底測位に与える影響を評価する実験を行った．その結果，海中音速場の日変化の影響は、音響測距には振幅約70cmにも達するが、海底に３台の測距装置を設置して、その中心位置の測位を行うことにより，影響が数cmに抑えられることを確認した[Osada
et al., 2003]．海底設置型の地殻変動諸観測では海底局が安定であることが重要である．これについては，無人探査機を用いた潜航調査において，海底に設置した精密音響測距装置を観察し，厚い堆積層の上に設置された装置がほとんど沈まず，姿勢が安定していることが確認された．
今後，さらに効率的に精度向上をすすめ，繰り返し観測によって海底地殻変動を一定の精度で計測しつづけていくためには，いつでも同一の計測環境を提供することが可能な海底地殻変動計測専用船が必要であろう．なお，上記の研究の一部は千葉大学や海洋科学研究所等との共同研究である．
課題番号[0909]は課題番号[0213]に引き続き実施されたもので，主として，GPS・音響観測システムの開発・高度化研究が実施された[安藤他, 2002]．研究開始当初の2000年6月に潮岬東方沖で実験を行なった際には，海底局位置決定誤差が20 cmであったが，その後，音響測距方法等の改善により，2001年末までに誤差は5ないし6 cmに低減することができた．また，システム全体の精度向上にはキネマティックGPSの位置決定精度向上が不可欠であることも明らかになった[三宅他，2002a; 2002b; 長田他，2002; 田所他，2002a; 2002b; Wojcitech et al., 2002]．
これまで議論されてきた誤差は１回の実験におけるランダム誤差であって，くり返し観測時の系統誤差は別に見積もる必要がある．そこで，2002年8月から10月にかけて同一海底局のくり返し測定実験を行なった．期間中に５回の測定に成功し，海底局の安定性は検証できた．その後，駿河湾内とその南方海域における海底局網の構築に着手した[Tadokoro et al., 2003]．2004年末までに３ヶ所に５年間継続観測可能な海底局を設置し，くり返し測定を実施した(図３)．長基線でのキネマティックGPS測位の精度を評価するために，移動局からの距離が異なる複数の基準局を設置して，移動体の測位精度実験を行なった．その結果，基線長が長くなるにつれて測位の系統誤差が２次関数的に増加することが明らかになった[田所ら, 2002b]．
GPS・音響観測システムをもちいた長期観測において，海中音速構造の時空間変化の影響は重要な因子である．そこで海中音速構造がどの程度変化するか実測するために，２隻の船を用いてCTD同時測定の実験を行なった．２マイル離れた地点での空間変化は最大7 m/sで，これは20-80 cmの海底局位置決定誤差を生み出す．また，昼夜での時間変化は最大8 m/sで，100-150 cmの誤差が生じうることが分かった[田所ら, 2002a]．
4.2 ボアホールによる深部計測技術開発
この項目に関する実施課題は名古屋大学の課題番号[0904]および東京大学地震研究所の課題番号[0129]である．また海域ボアホールを対象として東京大学地震研究所の研究課題番号[0113]で実施されているレーザー干渉計を用いたボアホール傾斜計等の研究は両方の細目に関係している．
レーザー干渉計関係は，鋸山観測井で高度化のための観測を継続したほか，半導体レーザーをベースとした高精度レーザー光源の開発およびDSP技術による高速実時間信号処理の開発を継続し，海底ボアホールでの実用化のため省電力化・データ取得法の最適化を推進した．
課題番号[0904]と課題番号[0129]は一部共同で研究を実施した．回収型インテリジェント歪み計1，2号機を改良し，3号機，5号機を作成した．3号機は従来の水平3成分・鉛直１成分に斜め2成分を加え，応力を三次元で測定できるように改良した．５号機は２号機と同じ構成ながら温度計を水晶温度計に換え精度の向上をはかった．また内臓のプログラムを変更し埋設時の観測時間の長期化（約2.5倍）をはかった．
現位置測定は防災科学技術研究所および核燃料サイクル機構と共同で行い，阿寺断層上野（深度406m），跡津川断層茂住坑道（深度390m），阿寺断層萩原（深度310m），和歌山県新宮市（深度519m）の４箇所でおこなった．従来の応力解放法では，歪計の孔底での設置，水中でのセメンティング，深い位置でのオーバーコアリングといった技術的問題のためせいぜい深さ100mまでの測定であったが，ワイヤレス化等により，これらの技術的な問題を解決し深度500mの応力測定が可能となった．また，インテリジェント型歪計を用いるとオーバーコアリング後歪計を孔井内に降下させることによる水圧を利用した感度検定の実施が可能となり，近似手法であるが，応力値を求めることができる．
課題番号[0904]では，これらに引き続き，東濃地震科学研究所と共同で屏風山の深度700ｍにおいて初期応力測定を実施した[石井ら, 2004]，また，産業技術総合研究所と共同で，ASR法との比較を行った．また，水平ボーリング孔において，初期応力測定装置をモルタルと一体にして孔底に挿入し初期応力を測定する技術の確立を試みた．その結果，水平ボーリング孔においてもモルタル一体型の工法が可能であることを確かめた[松本他, 2001]．このことから，より深い深度においても初期応力測定装置を埋設できる技術が獲得できた．また，ボアホール内でデジタル変換したデータを，電源線と兼用できる同軸ケーブルを介して伝送することが可能な双方向データ通信機能を持つデータ送受信ユニットを開発した[山内ら, 2004]．このユニットを用いると，単一の同軸ケーブルで地下深部のボアホール観測装置に電源を供給しつつ，観測装置からデジタル信号を送信できる．この技術は省力化のみならず，コスト高のボーリング孔の有効活用にもつながる．
課題番号[0129]では課題番号[0133]と連携し，予知研究で主力であった水圧破砕法の問題点が指摘されている背景を深刻にとらえ[佐野ら,2004b, 2004d]，乾式破砕法による新しい応力測定法に関する研究を実施した[佐野ら, 2004c]．乾式破砕プローブは水圧破砕法の疑念の根源である水の問題から逃れており，飛躍的に高い信頼性で地殻応力状態(絶対量)を決めることができると考えられる．さらに過去20年あまりにわたる水圧破砕法の問題点に関する議論に終止符を打つことが期待される．また，水圧破砕法と異なり，実機で室内校正試験が可能なことに特徴がある．さらに応力解放法と異なり，まったく同じポイントで何度も計測可能である．すなわち同じきれつを何度も再開口可能することにより応力変化が求まる．しかも水圧破砕法と異なり，主応力方向も未知数なので，応力変化測定の信頼性も高い．ただし機構上，許容クリアランスが小さいことが欠点である．これは将来の検討課題である．
4.3 地下構造と状態変化をモニターするための技術開発
この細目は，精密制御弾性波を主として用いる名古屋大学の課題番号[0905]および東京大学地震研究所の研究課題[0131]，[0133]により実施された．また，比抵抗等による地下流体挙動の変化に関する研究として京都大学による研究課題[0216]がある．
名古屋大学による精密制御震源に関する研究[Yamaoka et al., 2001]は，これまで少なくとも１箇所の震源と，多数の地震計群を用いて地下の速度および減衰構造の時間変化をとらえる手法の確立を目指してきた．そのためには精密制御震源の長期連続稼動の可能性，震源装置周辺岩盤の弾性・非弾性的性質の変動の効果を補正する方法，および地震計アレイによる受信方法である．淡路島の実験では15ヶ月間連続運転実績がえられた．また，周辺岩盤の特性を補正することにより，図４に示すように，2000年鳥取県西部地震や2001年芸予地震にともなう強震動による地下水の移動と考えられる地震波速度異方性変化をとらえることができた[Ikuta et al., 2002]．
岐阜県瑞浪市の名古屋大学地殻変動観測豪に設置した地震計アレイによって，2.5ｋｍ離れた場所にある震源装置の送信信号を連続的に受信することができた．またHiNet記録を用いた連続モニターの可能性を探る実験を核燃料サイクル開発機構・東濃地科学センター・アクロス開発チームと共同で実施した．岐阜県の土岐市にある振動装置の長期運転を実施して周辺のHiNet観測点で記録を取得することにより，HiNet観測点の利用可能性を調査した．その結果，HiNet観測点には１Hz近傍と10Hzの倍数に固有のノイズがあることが判明した．HiNetをアクロスの受信装置として用いるためには，このノイズの発生源の解明とともに，なんらかのノイズ処理が必要である．
実際のフィールドへの応用のための基礎研究として，東海地方に沈み込むプレート上面での反射係数の変動をとらえるためにはどのような観測をすればよいか検討を行った．2001年夏に行われた東海・中部地殻構造探査の記録を用い，現在用いているアクロス震源装置３台と10点程度の地震計アレイを用いた場合を想定すると，１週間程度のスタックにより，フィリピン海プレート上面からの走時変動と振幅変動の分解能がそれぞれ100マイクロ秒以下，１％以下と見積もることができ，反射係数の時間変化をとらえることは十分可能であることがわかった[Yamaoka et al., 2002]．
地震研究所が実施したアクロス研究では，解析手法の開発のほか[Hasada et al., 2001; Higashihara et al, 2000, 2001, 2002]，偏心モータを利用した震源の高度化に関する研究も実施された．その結果，偏心モータから発生する高調波振動モードがあることがわかり，その抑制による高精度化がはかられた[佐伯ら, 2000, 2001]．また，偏心用錘の位置を制御することによる振幅変調システムが開発された．地震研究所グループが実施したパルス透過法による精密制御震源[Yamamura et al., 2003]に関しては，高精度クロックをもちいた同期運転により，ppmの変化が計測可能となった[Sano et al., 2003; 佐野ら, 2004a]．このオーダーで変化量が計測できた例は他にない．図５に示すように，台風による気圧変動に伴う速度変化により得られた弾性波速度の応力感度係数は1.4ppm/hPaであり，室内実験から推定された値(0.8ppm/hPa)とほぼ一致した．最近数年間に認められた長期トレンドは100ないし200hPa/年を示しており，GPSから推定される応力増加量と大きく異なってはいない．
京都大学が実施した比抵抗測定[Oshiman, 2002; Yamashita and Yanagidani, 2002a; 2002b; Yanagidani and Yamashita, 2002]に関しては，新たに開発した装置を用い，精密な大地比抵抗連続モニタリングを油壺で実施した．また，2000年に野島断層で実施された注水試験にあわせて，500m孔内電極と地表電極を使用し，注水に伴う比抵抗変化を観測した．その結果，注水のための圧力増加に起因する約1%のステップ状の比抵抗増加がとらえられた．観測された比抵抗の増加量は，野島断層周辺の岩盤の応力変化に対する比抵抗の感度が室内実験の結果から推定される値より2〜3ケタ大きいことを示している．また，送信電流を大幅に増加させるための送信機の改良を継続して実施した．
５．おわりに
各種の観測項目において長期間連続の観測が可能となったことにより，地震発生に至る地殻活動の全過程であらわれる地殻現象をより近づいてとらえるための海底諸観測が可能となったので，海底諸観測技術の主要項目に関しては，当初の目標は，ほぼ達成された．観測あるいは計測感度および精度の向上等を次期計画でも継続して進め．陸域観測に接続する形で複数項目の観測にターゲットを絞って海域で実施していくことが，地殻現象を捉え理解する上で今後重要となる．海底地殻変動観測の一層の精度向上は特に重点的に進める必要がある．また，海底地殻変動観測の本格的実用化のためには，将来，専用船が必要となるであろう．
深部ボアホール利用，特に地殻応力測定(初期応力測定とその変化測定)分野で開発されたボアホール孔に実装したまま充電するシステムやボアホール下でディジタル化した信号を伝送するシステムは，応力やひずみ計測のみならず，広く多くの用途に適用可能と思われる．ボアホール掘削はそれだけで大きな予算を必要とするので多目的利用が望まれるが，多くの用途で使用するためには一時的にでもワイヤレス化できることが必要だからである．さらにまた，高温下で動作するシステムも含めたこのような技術は，将来，震源核に近づく深部ボーリングが可能となった時に不可欠な技術に含まれる．一方，これまでの主力であった水圧破砕法の問題点が指摘され，さまざまな応力測定法の見直しが検討されているなかで，新たに乾式破砕法が提案され，試作機による試験が実施された．今後，データの信頼性向上に関する努力が必要である．
連続サイン波を用いた精密制御震源(アクロス)は，散乱等によるエネルギー損失が大きな高調波成分を多く含むパルス波をもちいた方法と比較して，はるかに遠く，はるかに深い地下構造を対象とすることが期待されている．今年度の報告には10km以上の深さを観ることが技術的に可能であることが示されている．
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