3.11.2 海域における観測研究

(1)災害の軽減に貢献するための地震火山観測研究計画による海底観測

(1-1)平成23年(2011年)東北地方太平洋沖地震震源域の海底モニタリング観測

 2011年3月11日に発生した東北地方太平洋沖地震(以下東北沖地震)の発生時には,震源域の一部に,海底地震計が設置されており,本震発生直後から,海底地震計を追加設置し,余震観測を実施した.その結果,本震時に大きな滑りが推定されている本震震源付近では,本震直後から余震活動が低調であり,地震活動の様式が変化したことがわかった.その後2011年9月からは,主に長期観測型海底地震計を用いて,震源域における海底モニタリング観測を長期にわたって,実施している.

 地震時の滑りが大きかった東北沖地震震源域本震付近における長期の地震モニタリング観測は,プレート間固着の変化などを把握するために重要である.そこで,2013 年9 月に,長期観測型海底地震計を宮城県・岩手県沖に展開し,モニタリング観測を2014年10月まで実施した.さらに,2015年5月には,震源域最北部の青森県沖に,長期観測型海底地震計を設置して,海底地震観測を2016年5月まで実施した.また,2014年10月から2016年10月まで,科学研究費助成事業「深海調査で迫るプレート境界浅部すべりの謎~その過去・現在」と連携して,広帯域海底地震計を含む小スパンアレイと長期観測型海底地震計による宮城県沖における海底モニタリング観測を実施した. 2016年10月から2018年11月までは,同科学研究費助成事業と連携して,小スパンアレイによる観測を福島県沖において実施した. 2019年7月から2020年10月にかけては,科学研究費助成事業と連携して,北海道えりも岬沖において,小型広帯域地震計と長期観測型海底地震計を用いた小スパンアレイ観測を実施した.2020年10月は科学研究費助成事業とも連携して,岩手県沖において広帯域海底地震計を含む小スパンアレイと長期観測型海底地震計による海底モニタリング観測を開始し,2021年2月まで観測を継続した.なお,これらの観測研究は,北海道大学,東北大学,京都大学,鹿児島大学,千葉大学との共同研究である.

(1-2)南西諸島海溝北部における長期海底地震観測

 南西諸島海溝域では,島嶼が海溝軸から100~200 km 離れた島弧軸に沿って直線状に配列するのみであり,プレート境界付近の微小地震活動等の時間空間的変化の詳細な把握が難しい.本観測研究は,海域に長期観測型海底地震計を設置して,プレート境界3次元形状などを明らかにするとともに,活発な活動が確認されている短期的スロースリップイベントや超低周波地震の詳細を明らかにする.2021年8月に観測を行った長期観測型海底地震計を回収するとともに,予め準備した長期観測型海底地震計をトカラ列島東方海域に設置し観測網を構築して観測を実施している.なお,この観測研究は京都大学,鹿児島大学,長崎大学との共同研究である.

(1-3)ニュージーランド北島ヒクランギ沈み込み帯における海底観測

 ニュージーランド北島ヒクランギ沈み込み帯北部では,平均しておよそ2年の周期でスロースリップが発生しており,このうち6年程度の周期で規模の大きなイベントが起こっている.2014年5月から2015年6月にかけて海底地震計と海底精密圧力計を用いて実施した観測では,比較的大規模なスロースリップイベント(SSE)を観測網直下で捉えることに成功し,そのプレート境界面上のすべりが部分的に海溝軸近傍まで達していることが,世界で初めて確認された.また,このSSEが終了する時期から,沈み込んだ海山周辺で3週間ほど連続して発生する微動活動を明らかにした.一方,沈み込む海洋性地殻内での地震活動における発震機構の時間変化とSSEとの対応関係から,通常は横ずれ型の地震が卓越しているのに対し,SSE発生直前には多様なメカニズムの地震が発生していることが明らかとなった.このことは,海洋性地殻内における脱水反応によって間隙水圧が上昇し,有効法線応力があるレベルまで減少したところでSSEが発生する可能性を示唆している.なお,この観測研究は,東北大学,京都大学, UCSC(米国),LDEO(米国),University of Colorado at Boulder(米国)との共同研究である.2018年には同海域に海底地震計を設置し,2019年3月に発生したSSEおよび微動活動を再び観測網直下で捉えることに成功した.2019年10月にはこれらの海底地震計を回収し,良好なデータが記録されていることを確認した.この微動活動の発生様式は2014年の活動に類似しており,SSEの終息時期から3週間ほど,沈み込んだ海山周辺域に限って連続して発生していることがわかった.一方,活動の規模は2014年のものよりも遥かに大きく,その発生メカニズム解明に向け,これらの微動活動の時空間分布の比較,および構造調査から得られた構造不均質との対比などについて,詳細に解析を進めている.2020年11月には,ヒクランギ沈み込み帯中部における,固着強度が大きく変化する固着強度遷移領域に,長期観測型海底地震計を設置して海域地震観測を開始し,2021年10月に回収した.本海域では2020年5月に大規模なSSEが発生し,これを観測網直下に捉えることに成功した.このSSE伴う微動活動などについて,現在解析を進めている.またここで回収した海底地震計を整備した上で,2018-19年に実施した観測網と同海域に設置し,2021年10月に観測を開始した.

(1-4)宮崎県沖日向灘における長期海底地震地殻変動観測

 宮崎県沖日向灘では,活発な低周波微動活動が確認されている.その活動状況を正確に把握することは,海洋プレート沈み込みを考える上で重要である.そこで,2020年11月に,宮崎県沖日向灘に長期観測型海底地震の小スパンアレイを新規に設置して,観測を開始した.2021年8月に,観測を終了した長期観測型海底地震計を回収し,観測を継続するために,長期観測型海底地震の小スパンアレイを再設置した.なお,この観測研究は,京都大学との共同研究である.

(1-5)東北日本弧横断構造探査実験

 日本列島の形成や海溝型地震の影響を考える上で,深部構造を精度よく求めることが必要であり,日本海溝外側から日本海までの領域について,リソスフェアとアセノスフェアの詳細な構造を求めることは重要である.日本海における地殻構造の不均質や日本海東縁の歪み集中帯の形成,2011年に発生した東北地方太平洋沖地震が長期に与える影響などを考える上で,有益な情報である.そのために,日本海から日本列島を横切り日本海溝に至る測線を設定し,測線上に長期観測型海底地震計を設置して,実体波トモグラフィー・レシーバー関数解析・表面波解析などから深部までの構造を求める.さらに,この測線上で大容量エアガンを用いて構造探査実験を行い,深部構造と上記の解析に必要な詳細な浅部構造の情報を得る.2019年8月に,この計画の一環として,宮城県沖に測線を設定し,長期観測型海底地震計を設置し長期観測を開始した.さらに,設置した長期観測型海底地震計,別計画で設置された日本列島上の高密度臨時地震観測点と日本海に設置された海底地震計に向けて,エアガン発震を行った.2022年1月に観測を終了した長期観測型海底地震計を回収した.

(1-6)房総半島南部における長期海底地殻変動観測

 房総沖スロースリップ領域において,海底における地殻変動を検出することを目的として,長期観測型海底水圧計による観測を実施している.2018年9月に,海底水圧計を設置して観測を行っているが,海底水圧計を2020年10月に追加で設置した.2021年8月には海底圧力計を回収・再設置を行い,観測を継続した.用いている海底水圧計は3年間以上の連続収録が可能である.これまでに回収した長期観測型海底水圧計のデータについて解析した結果,海底の上下変動が約1 cmの精度で観測できることが示された.2018年6月の房総沖スロースリップの活動期間を含むデータから,スロースリップに伴う約1~2 cmの上下変動が検出された.なお,この観測研究は,千葉大学との共同研究である.

(1-7)青森県東方沖における海底臨時地震観測

 2020年11月6日から7日にかけて,青森県東方沖でM5クラスの地震が続発した.地震発生域は,1968年十勝沖地震(Mw8.2)破壊開始点やすべり域の付近でもあり、かつ1994年三陸はるか沖地震(Mw7.7)のすべり域の付近でもある.そのため,今後の地震発生を考える上で,活動域近傍での断層すべり・固着状態を把握・評価するため、ゆっくりすべりを含んだ地殻活動のモニタリングを行うこととした.2021年2月に固有周期120秒の地震計センサーを搭載した小型広帯域海底地震計を青森県東方沖に設置して,モニタリング観測を開始した.

(2)文部科学省委託事業による海底地震調査観測研究

(2-1)防災対策に資する南海トラフ地震調査研究プロジェクト

 南海トラフでは将来規模の大きな地震の発生が想定されている.そこで,南海トラフ地震の活動を把握・予測し社会を守る仕組みを構築し,地域への情報発信による減災への貢献をめざす委託研究プロジェクトが2020年から5カ年の計画で実施されている.このプロジェクトの一環として,南海トラフ西部の日向灘において,広帯域海底地震観測を計画している.2021年3月に小型広帯域海底地震計を含む長期観測型海底地震計を,宮崎県沖日向灘に設置して,観測を開始した.2022年1月には小型広帯域海底地震計を含む長期観測型海底地震計の回収・再設置を行い,観測を継続している.なお,この観測研究は京都大学と連携して行っている.

(3)共同研究による海底観測研究

(3-1)南西諸島における広帯域地震計による低周波地震・微動モニタリング研究

 南西諸島域では島弧全体にわたって浅部プレート境界において低周波微動,超低周波地震,短期的スロースリップの活動が活発であることがわかってきた.これらの低周波イベントはプレートのカップリングと密接に関連していると考えられている.そこで,低周波イベント活動および微小地震を含む地震活動の正確な把握を目的として,南西諸島海溝域における海底地震観測を2015年から開始した.南西諸島域の大部分は海域となっており常設の地震観測点が少ないために,海底観測点を追加することにより効果的な地震観測網を構築できる.観測域には島嶼観測網から低周波イベントの発生が推定されている南西諸島海溝中部から北部とした.2015年1月から2016年8月まで広帯域海底地震計・長期観測型海底地震計を設置して南西諸島海溝中部において全体の活動を把握するための広域地震観測網を構築して観測を実施した.2016年8月から低周波イベント活動が活発な奄美大島東方海域に観測点間隔30 km程度の観測網を構築し観測を開始した.2017年8月には設置した海底地震計を回収し,北東に拡張した観測網を再度構築し,2019年4月に海底地震計を回収した.一方,2019年2月には観測を継続するために小型広帯域海底地震計による観測網を構築し,2020年1月まで観測を行った.これまでに回収されたデータを用いて,通常の地震活動を含めて,低周波微動,超低周波地震の解析を進めた.なお,本研究は,公益財団法人地震予知総合研究振興会,京都大学との共同研究である.

(3-2)メキシコ太平洋沿岸部ゲレロギャップにおける長期海底地震・圧力観測

 メキシコ太平洋沿岸部は,ココスプレートが北米プレートに沈み込んでおり,プレート境界型巨大地震が発生する.しかし,ゲレロ州の沖合(ゲレロギャップ)は,近年大きな地震の発生が見られない一方,スロースリップが4年程度の間隔で繰り返して発生していることが知られている.プレート間歪みをスロースリップのみで解消しているわけではなく,将来巨大地震発生の可能性があると考えられている.そこで,ゲレロギャップ下のプレート間固着を明らかにすることを目的として,同領域において海底地震地殻変動観測網を構築した.2017年11月に,長期観測型海底地震計および長期観測型海底圧力計を,メキシコ国立自治大学(UNAM)所属研究船El Pumaを用いて設置した.観測領域は,海溝沿いに約120 km,直行方向に約50 kmである.2018年は11月に同じく研究船El Pumaを用いて前年に設置した長期観測型海底地震計および長期観測型海底圧力計を回収し,新たに長期観測型海底地震計を設置して観測を継続した.2019年11月には同研究船により前年に設置した長期観測型海底地震計を回収し,新たに長期観測型海底地震計を設置した.2021年は海底観測を継続した.なお,本研究は,2016年度から開始された国際科学技術共同研究推進事業,地球規模課題対応国際科学技術協力プログラム(SATREPS)「メキシコ沿岸部の巨大地震・津波災害の軽減に向けた総合的研究」の一環として,京都大学,東北大学,UNAM(メキシコ)との共同研究として行われた.

(3-3)南海トラフにおける高密度海底地震計アレイ観測

 西南日本沈み込み帯においては,室戸沖から熊野灘沖にかけて海底ケーブル地震観測網(DONET)が敷設されており,スロー地震の活動域と非活動域がトラフ軸に沿って明確に分かれていることが明らかとなっている.このスロー地震活動域/非活動域に対応する地下構造の要因を明らかにするため,ならびに,スロー地震の高精度な震源決定のため,当該海域において長期観測型海底地震計による自然地震観測を実施している.本年度は,スロー地震非活動域に設置した海底地震計を回収したほか,DONETを補間する形で,スロー地震活動域に海底地震計を新たに設置した.回収した地震計のデータは,2020年12月に始まった大規模なスロー地震活動の記録を含んでいる.本データを利用した,スロー地震の震源解析を進めている.本研究は京都大学,東北大学,神戸大学,海洋開発研究機構,九州大学との共同研究である.

(4)海底地震地殻変動観測システム開発およびデータ解析手法開発

(4-1)三陸沖に設置したICTを用いた光ケーブル式海底地震・津波観測システムの運用

 従来の光ケーブル海底地震・津波観測システムは,海底通信技術を用いた高信頼性システムであるが,コスト面や運用面に改善の余地がある.そのため,データ伝送とシステム制御にICTを用いたシステムを新たに開発した.このシステムは,データ通信の冗長性を備え,より低コストで,小型・軽量であることが特徴である.既設の三陸沖光ケーブル海底地震・津波観測システムの更新をも気宇的として,新しくシステムを開発・製作した.このシステムは地震計と津波計を装備した観測点を2点,地震計と拡張ポートを装備した観測点を1点設置し全長は約110 kmである.拡張ポートにはデジタル出力型高精度水圧計を接続した.2015年9月に岩手県釜石市沖へ設置を行った.このシステムの設置により釜石市沖は三陸沖光ケーブル海底地震・津波観測既設システムと併せて,空間的に高密度なリアルタイム海底地震・津波観測網が構築された.2017年4月には,波浪の影響を受けやすい汀線部から沖側約30 mまでの区間のケーブルの保護対策とアース電極の沖合への設置作業を実施した.その結果,給電電圧の変動はほぼ無くなり安定した運用ができるようになった. 2018年は,9月に汀線部から沖合100m程度までの状況の監視調査を行ったが,大きな問題は発見されず前年に実施した保護対策が有効であることが確認された.また,同月に1996年に設置したケーブル観測システム(既設システム)について,システムの監視と観測データの冗長性向上を図るために,陸上局舎内に既設システム監視用サーバを新規に追加した.2019年10月に同年台風19号の影響により,釜石陸上局への給電が停止し発動発電機によるシステムへの給電が行われた.同日中に復電し通常観測に復帰したが,道路の被害や局舎付近への土砂流入などが発生した.復旧作業は2021年3月に完了した。また、2019年11月11日落雷により陸上局舎内の新システム給電装置に不具合が発生し,観測不能となった.同年12月2日に,観測システムを再起動させ観測を再開した.なお,再起動以降は連続的に観測を行っている.2020年9月には陸上局システムの整備としてサーバ機の各種部品交換などを行い,また,汀線部付近におけるケーブル敷設状況調査を実施した.2022年1月には,旧システムのGPS受信器の交換を行った.また,2021年度は新しいシステムの地震計と水圧計の記録を,webシステムを通じて,公開するシステムの構築を行った.

(4-2)小型広帯域海底地震計の開発

 長期観測型海底地震計は実用化以降多数の実績を持っており,繰り返し観測の手法によりモニタリング観測が可能となった.この長期観測型海底地震計の地震計センサーは,三成分高感度短周期速度計であり,その固有周波数は1 Hzである.通常の地震観測には十分な帯域であるが,近年着目されている浅部低周波微動や超低周波地震を観測するにはやや帯域が不足である.近年,小型で低消費電力である広帯域地震計が利用可能になってきた.そこで,Nanometrics社Trillium Compact Broadband Seismometerを長期観測型海底地震計に組み込むために,専用レベリング装置の開発を実施し,2017年に小型広帯域海底地震計の最初の観測を行った.小型広帯域海底地震計の開発は引き続き実施中であるが,2019年は主として固有周期120秒の地震計センサーを搭載した小型広帯域海底地震計の観測への利用を進めるともに台数の確保に努め,2021年には25台規模で観測に用いることができるようになった.2021年は,このレベリング装置の機能強化を行った.レベリング動作の時刻記録のために時刻モジュール(RTC)を搭載した新しい制御部を開発した.制御部は時刻データ入力時およびレベリング操作時のRTC時刻を制御部の個体番号やセンサーの傾斜とともにSDカードに記録する.この改良開発により.海底におけるレベリング動作確認をより把握することができるようになった.

(4-3)光ファイバー計測技術による海底ケーブルを用いた海底高密度地震観測システムの開発

 光ファイバセンシングの一つであり,振動を計測する分散型音響センシング(Distributed Acoustic Sensing,以下DAS)は,近年様々な分野で応用され始めている.地震関係の分野では,石油探査のために構造調査に利用されており,地震観測にも適用され始めている.この計測は,光ファイバー末端からレーザー光のパルスを送出し,光ファイバー内の不均質から散乱光を計測し,その変化から,振動を検出する方法である.光ファイバーに沿って,時空間的に密な観測を実施できることが特長である.地震研究所が1996年に設置した三陸沖光ケーブル式海底地震・津波観測システムは,伝送路である海底ケーブルに予備の光ファイバーを持っている.この予備光ファイバーに,DAS計測を適用することによって,空間的に高密度の海底地震観測を実施できる可能性がある.2018年から,DAS計測技術を三陸沖光ケーブル式海底地震・津波観測システムの予備光ファイバーに適用する開発を開始し,2019年は2月,6月,11月の計3回計測を実施した.2月の計測では,測定長100 kmとして,チャンネル間隔5 mとして,合計約2日間実施した.その結果,計測装置を設置した陸上局から70 km程度まで,連続して地震波が記録されることを確認した.また,6月の計測では,空間的高密度計測として,測定長5 km,チャンネル間隔1 mとした.観測期間は約3日である.観測記録には多数の地震が記録されていた.11月の計測では,長期観測を念頭において,2週間弱の連続観測を行った.測定長は70 km,チャンネル間隔は5 mである.2020年11月にはエアガンとDAS計測による構造調査を実施した.エアガンの発震は海洋研究開発機構学術調査船白鳳丸KH20-11研究航海にて実施した.白鳳丸はエアガンを曳航しながら海底ケーブル敷設ルート上を航行し,この間陸上局においてDAS計測を行った.発震には大型エアガンアレイ,またはGIガンアレイを用いた.DAS計測は測定全長100 kmまたは80 km,チャンネル間隔5 mとして,エアガン発震時間帯を含む約5日間の連続観測を行った.2021年3月には新しく開発された計測装置の試験観測を約3日間行った。新型DAS計測器では,観測可能距離100kmまで地震波形を観測できることを確認した.DAS計測は単位時間に大量のデータを生成するために,長期にわたって定常観測を行うためには工夫が必要である.そこで,常時観測可能なシステムを開発することを目的として,ハードウェア・ソフトウェアについて検討した.ハードウェアについてはDAS計測器の内蔵ディスクでは容量が足りないために大容量の外部ディスク装置を増設し,各種処理を行うための観測サーバを追加することとした.ソフトウェアについては、地震イベントの抽出として,深層学習を用いたモデリングにより,地震とノイズを判別することとした. 2021年11月に、DASデータの連続取得を行うと共に、試作したシステムによる地震検出の実験を行った。

(4-4) 新しい精密水圧計の試験・評価

 現在、海底における精密水圧観測に用いているセンサーの高度化を図るために,新技術による水圧計センサーの試験評価を開始した.このセンサーは,圧力により発振周波数が変化する.現在用いている収録装置を新型水圧計センサーに接続可能であることから,2021年は現在運用している自由落下自己浮上式海底水圧計の水圧計センサーを新型水圧計センサーに変更し,新しい自由落下自己浮上式海底水圧計を製作した.この水圧計は2021年8月に房総半島沖に設置し,同年11月に回収した.また,観測を継続するために同タイプの海底水圧計を再設置し,観測を継続した.