カテゴリー別アーカイブ: 部門・センターの研究活動

3.2.3 地震,地殻変動等の最先端観測や新しい観測の試み

(a) 南アフリカ鉱山における半制御地震発生実験

  南アフリカの金鉱山の地下深部の採掘域周辺に多数の高感度微小破壊センサを設置し,半径100m以上の範囲にわたってM-4以下という数cm程度の微小破壊までを検出・位置標定する,世界でも例をみない観測を行い,その鋭敏な検出感度とセンサの高密度配置をいかして,自然地震では観測されたことのない,既存弱面への極端な集中や,プレート境界のそれにくらべて極端に高い効率で発生するリピーター活動など様々な発見をしてきた.一方,現場のボアホールに設置されたセンサの周波数・角度指向性は複雑で,個々のイベントの規模や震源メカニズムの推定は困難であった.しかし,一様な媒質環境の下で多数のイベント波形があることから,京都大学と協力して,一般化逆解析法を適用してセンサ個々の現位置特性を推定した.

(b) 合成開口レーダーを用いた地殻変動の観測や被災域の同定

  人工衛星に搭載された合成開口レーダーによる観測は昼夜や天候にかかわらず行うことができ,地表の変形や性状の変化ついての情報を数メートルの空間分解能で求めることができる.この技術を用い,有珠山や浅間山において,GNSSなどの観測では検出することが困難な小規模の変形を発見した.これらの変形は,過去の噴火において貫入した溶岩ドームの熱収縮,熱水活動による地表の沈降,斜面の不安定などによるものであると解釈された.
  また,噴火にともなう溶岩流や火砕流,地震の断層運動,洪水,土砂崩れなどにともなう地表災害の発生場所を合成開口レーダーを用いて自動的に検出する技術を解析した。この手法を2016年熊本地震,2018年胆振東部地震,2020年タール火山(フィリピン)噴火に適用し,我々の開発した手法が被災地域を的確に検出していることを確認した.

3.2.2 精密な重力観測に基づく研究

(a) 長野県松代における精密重力観測

  長野県松代において,超伝導重力計を用いた重力連続観測を行っている.重力計の記録から,2011年3月11日の東北地方太平洋沖地震のあと,年間およそ10マイクロガルという大きなレートで重力が減少を続けていることが明らかになった.この観測点は,地震の震源域からは400km以上離れており,GEONETによるGNSSデータから推定される上下変動は比較的小さいにもかかわらず,このように大きな重力変化が見られるのは,地震のあと継続しているアフタースリップあるいは粘弾性緩和による地下の密度変化をとらえていると考えられる.2019年に,TT70型超伝導重力計の冷凍機に重大なトラブルが発生し,1995年以来の連続観測が途絶えた.現在は小型重力計iGravが稼働している.

(b) 東日本における長期的重力変化

  前項で述べたような,東北地方太平洋沖地震後の長期的重力変化は,東日本の広い範囲で継続している.この現象を詳しく調べるため,北海道から中部地方にいたる数カ所において,絶対重力測定を実施している.2019年における測定地点は,弟子屈,水沢,浅間,松代,神岡,富山であった.

(c) 伊豆大島における重力測定

  近年の伊豆大島は約1~2年周期の短期的な膨張・収縮を繰り返しながら,長期的には膨張傾向にある.この長期的膨張がマグマ蓄積によるものであるならば,長期的な重力測定によってその質量変動を測定できるはずである.地震研は,1998年頃から断続的(2005,2006,2007,2009,2012,2017,2018年)に絶対重力計と相対重力計を組み合わせたハイブリッド観測を行ってきた.そこで直近の3回(2012,2017,2018年)に行われた重力測定データを解析した.6年間で島の南部で約70 マイクロgalの重力減少,島頂部のカルデラ近辺で約90 マイクロgalの増加が検出された.相対重力計の測定精度は悲観的に見積もっても20マイクロgal程度であるため,これらの変動は有意である.ただし,これらの重力変化を直ちにマグマ蓄積によるものと解釈することはできない.なぜなら,(1)地殻の上下変動に伴う見かけの重力変化,(2)降水がもたらす重力変化があるためである.そこで,2019年11月の観測では,大島に4カ所あるGEONET点でも相対重力測定を行い,重力変動と地殻変動の関係を追随できるようにした.また,降水に伴う重力変動を抑えるために,伊豆大島観測所内での連続絶対重力測定を実施した(2019年11月~2020年3月).

(d) 桜島における重力測定

  地震研は,絶対重力計を用いた桜島での連続測定を2008年頃から続けてきた.絶対重力計は,京都大学防災研究所と国土交通省大隅河川国道事務所の協力の下,桜島南麓にある有村観測坑道の入り口付近に設置されてきた.2019年は年初から,装置の不調が生じた7月末まで測定を行った.

(e) 沖縄県石垣島における精密重力観測

  沖縄県石垣島において,2012年から超伝導重力計による重力連続観測を行なっている.この地域の地下では,約半年に一度,スロースリップが発生していることがわかっている.この観測では,地下の高圧流体がスロースリップの発生にどのように関わっているかを,重力をとおして解明することを目的としている.この場所では,大気・海洋・地下水が相互作用を及ぼしあい,重力に複雑な影響を及ぼしていることがわかってきた.それを効果的に補正するため,周辺地域において水文観測や重力サーベイを繰り返し実施している.

3.2.1 地球波動現象としての地震・津波の研究

(a) 火山性津波の研究

  2018年12月アナク・クラカトア火山の山体崩壊による土砂の海中突入により,スンダ海峡周辺に津波が発生した.山体崩壊現象はインドネシア国内のみならず,アジア・オセアニア地域で周期20-100秒の地震波として記録された.地震波は津波被害が発生する20-30分前に記録されており,山体崩壊のような巨大地滑りが引き起こす津波警報が,長周期地震波の迅速な解析から可能となること示唆している.

  2015年5月に発生した鳥島近海地震はM5.7と小さいが,東南海地域で広範囲に津波が観測された.津波波形・地震波形の同時インバージョンから,地震発生時にはカルデラ底がその下部で水平に広がるマグマの増圧により傾斜運動を起し,カルデラ壁に沿って跳ね上げ運動を起していることが判明した.カルデラ浅部の複合断層運動による地震波発生効率の低下と、スミスカルデラ付近で発生するCLVD型の火山性津波地震の成因が明らかとなった.

(b) 津波を利用した巨大地震の研究

  2018年9月にインドネシア・パル湾付近を震源とする横ずれ型地震(M7.5)が発生し,湾奥に位置するパル沿岸に被害が集中した.InSAR画像と遠地地震波形解析によると,湾内を通るパル・コロ断層の横ずれ運動に加え縦ずれ運動により湾内で津波が発生したと考えられる.パル湾沿いの浸水高からは断層運動起源の津波に加え,湾内海底の液状化や地滑りがあったことが示唆される.

  2005年3月にスマトラ島のインド洋沖合で発生したニアス地震(M8.6)は,2004年12月に発生したスマトラ・アンダマン地震(M9.1)の最大余震であった.観測された最大津波波高は4m 程度で海溝型の巨大地震にもかかわらず津波被害が比較的小さかった.アフリカ・南極沿岸を含むインド洋全域の検潮記録から,最新の津波波動理論を用いて断層運動分布を求めたところ,大きな滑りは,スマトラ島下部に沈み込む深さ20キロより深いインド洋プレート上に集中し,そのため津波被害が比較的小さかったと考えられる.

(c)青い地球の地震学

  波形干渉法を釜石沖海底ケーブルの海底津波計と陸上広帯域地震計記録に適応し,海水と固体地球結合系の背景波動場の発生と伝播形態を調べた.海洋底の圧力変動は,脈動帯域では海水・固体地球結合系のレイリー波が,より高周波では海水・固体地球結合系の海中音波が生成要因であり、それらが太平洋から日本列島に向かって伝播していく様子がとらえられた.

3.2 地球計測系研究部門

教授 新谷昌人(兼任),吉田真吾(兼任)
准教授 青木陽介,今西祐一,中谷正生(部門主任),綿田辰吾
助教 高森昭光,西山竜一
外来研究員 永田広平
大学院生 石田隼人(M2)

地球計測系研究部門では,波動場の観測と理論から地震や津波の理解を深める研究,精密な重力観測に基づいて地球内部で起きている現象を解明する研究,最先端の地震観測や地殻変動観測等によって地震発生や火山活動などを詳細に解析する研究,観測や室内実験のデータと理論を結びつける研究,超精密機械工作やレーザー干渉など最先端の技術を用いた高度な観測機器を開発するための研究などを進めている.

3.1.2 火山現象の数理的研究

爆発的噴火から溶岩ドーム噴火までの多様な火山噴火現象の統一的理解と,観測データに基づく噴火条件の推定手法の確立を目指し,数値実験と理論的研究を行っている.具体的な研究課題は,火山噴煙・火砕流のダイナミックスに関する数値モデルの開発,火道中のマグマ上昇に関する数値モデルの開発,および,これらのモデルに基づく逆解析の理論的研究である.

火山噴煙については,近年,気象レーダーや人工衛星を用いた観測によって噴煙高度やその拡大が高精度で測定されるようになってきた.そこで,3次元噴煙モデル・1次元噴煙モデルを開発し,これらの観測データを再現する数値実験を進めている.また,実際の噴火で得られる多項目野外観測データ(噴煙の気象レーダー・人工衛星観測や降下火砕堆積物の地質データなど)から火口における噴火条件をインバージョン推定するために,噴煙ダイナミクス・火山灰拡散・降灰過程モデルの逆問題の数理的性質について理論的研究を進めている. さらに,著しい粒子濃度勾配を持つ重力流ダイナミクスを対象とした浅水波モデルを開発し,噴火強度と火砕流の到達距離の関係を明らかにした.

火道流については,1次元・3次元火道流モデルを用いて,爆発的噴火における噴火様式の推移に対する火口形状の影響,および溶岩ドーム噴火から爆発的噴火への遷移に対するマグマの脱ガスや結晶化の影響を系統的に調べている.また,1次元火道流モデルと火山周辺の地殻変動観測や噴出率観測データを組み合わせて噴火の推移予測を行うデータ同化の理論的枠組みの構築を進めた.さらに,1次元火道流モデルと3次元噴煙柱ダイナミクスモデルを組み合わせることによって,噴煙柱崩壊による火砕流の発生条件を決定した.

3.1.1 地震発生場の研究

地震の発生に伴う断層運動と地震波放射は,地殻の岩石の密度変動を引き起こし,これにより重力場が変動することが原理的に期待される.この変動は光速で伝搬するため,もし計測装置により検知することができれば,従来の地震波検知を用いた地震計ネットワークによる地震アラートシステムと比較して地震発生の早期検知が可能になることになる.我々は,地震発生後「即時」に生じるこの重力変化の検出において,先行研究において用いられた非因果的な計器補整処理の方法における問題点である「人工的ノイズ混入による信頼性欠如の可能生」を取りあげ検討した.因果律の破れから不可避に加わる人工的信号の振幅を定量的に評価し,報告された即時重力変化信号が人工的なものでなく,ノイズに対して有意な信号レベルを持つことを示した.

3.1 数理系研究部門

教授 小屋口剛博(部門主任)
准教授 亀 伸樹,西田 究
助教 大谷真紀子
特任研究員 中島悠貴,志水宏行
日本学術振興会特別研究員 髙野智也
外来研究員 石井憲介
大学院生 日下部哲也(D3),  木村将也(D2), 小山健太郎(M2),  西條 祥(M2), Perakhozhau Fiodar (M2), 吉井 究(M2), 渡邊信吾(M1), 加藤翔太(M1)

本部門では,地震や火山活動およびそれに関連する現象を理解するために,数学・物理学・化学・地質学の基本原理に基づく理論モデリングの研究を行っており,その内容は多岐にわたる.

3. 部門・センター活動

構成は2018年1月現在