| 教授 |
岩森光（部門主任）, 中井俊一，平賀岳彦，武井（小屋口）康子（兼任） |
| 准教授 |
安田敦 |
| 助教 |
三部賢治, 三浦弥生, 森重 学, 坂田周平 |
| 特任研究員 |
原口 悟, 小泉早苗, 谷部功将, Debaditya Bandyopadhyay, MUKHOPADHYAY Manaska |
| 技術補佐員 |
今野沙世 |
| 大学院生 |
岡本篤郎(D3), 金 娜賢(D3),岩橋くるみ (D3)，勝木悠介（M2）, 津田 実（M2), 姜 勝皓（M1）, Hang Zhang（M1） |
| インターンシップ研究生 |
Chunjie Zhang |
本部門では，物質や物性の研究を通じて，固体地球内部の構造やダイナミクスの素過程を明らかにすることを目指している．地球に留まらず，太陽系内外で の諸現象も研究対象にしている．理論，室内モデル実験，超高圧実験，元素・同位体分析など様々な方法に基づいて研究を行っており，その 内容は多岐にわたる．本年度における概要を以下に示す
（a）長基線レーザー伸縮計の開発（観測開発基盤センターと兼務）
地震研では高精度のひずみ観測を可能にするレーザー伸縮計のネットワークを展開している。その中心として、神岡地下の重力波検出器KAGRAに併設して建設した全長1.5 kmの基線をもつレーザー伸縮計と、近接する神岡鉱山内で100 mのレーザー伸縮計を運用して観測を行っている。1.5 kmレーザー伸縮計については昨年度までにレーザー周波数安定度の評価を終え（最高で オーダーの分解能を実現していることを確認）、本年度は定常的な観測を継続した。100 m伸縮計については、設置場所である地下実験室の空調が更新されたことに伴うレーザーの周波数安定化制御の不調について原因調査と対策を継続している。
2022年1月15日のトンガ噴火により発生した大気ラム波は地球を周回したが、これにより生じた気圧変化によるひずみ変化を1.5 kmレーザー伸縮計で精度良く観測することができた[図3.2.1]。今年度は気圧変化とひずみの詳細な分析を行った。その結果、ラム波による気圧変化への応答係数（1 hPaあたりのひずみ変化量）は -(2.3 ー3.7)×10-10 /hPaであり、平常時のゆっくりした気圧変化への平均的な応答係数 -4.7×10-10/hPaよりも小さいことがわかった。また、気圧変化に対してひずみ変化は25ー155 秒程度先行することが示された。これは、地殻の変形が直上の気圧荷重のみならず周辺の気圧荷重に大きく影響されることの直接的な証拠と考えられる。これらの観測結果を定量的に説明するための理論モデルの構築を行っている。
他に、愛知県犬山市の名大観測所の30 mレーザー伸縮計や、気象研との共同研究として静岡県浜松市船明トンネルに設置された400 mレーザー伸縮計による観測も継続している。
（b）反磁性を利用した小型傾斜計の開発
永久磁石と組み合わせることによって，受動的に浮上させた反磁性体（熱分解カーボン）を基準とした傾斜計の研究開発を行っている．これは以前本部門で行った重力計の研究を発展させたものである．浮上体（参照振り子）にはたらく水平面内での復元力を小さくすることによって傾斜に対する感度を高めることができる．これまでの研究で，磁石と浮上体の形状や配置を工夫することによってこのような状態は比較的容易に実現可能であることがわかった．一昨年度より科研費を取得して研究を継続している．山梨県立産業技術短期大の研究者と連携して浮上体の理論モデルの精度を高め，実際に10秒程度の周期をもつ浮上振り子を製作した．今年度はこれを元にして実際に傾斜計を設計して試作機を製作し，性能評価実験を行った（一部継続中）．
（a）粉体層の摩擦強度に対する圧密効果と時間効果
有効法線応力以外で断層の摩擦強度を変化させる要因としては，断層面の真実接触部の固着が時間とともに強固になるエージング効果が主に考慮されていて，その強度変化は断層面の音波透過率でモニタできることが実験で示されている．いっぽう，天然の断層でよく観察されるように，断層面が粉体層をはさんでいる場合には，鉱物粒子の幾何学配置が変化し剪断力を支える粉体層内の巨視的な骨組構造が変化することで大きな強度の変動がおきる．このような圧密強化が静止時の剪断除荷量に比例し，またその滑り弱化はエージング効果のそれに比べて著しく緩やかであること，エージング効果は静止時間の対数に比例しておこることを利用して，これらのメカニズムによる音波透過率への影響を気象研究所と共同して室内実験により明らかにした．両者の強度変化メカニズムに対応する音波透過率の変化を区別することに成功し，断層全体の強度は，両者のメカニズムのうちの強い方で決まっていることを見い出した．さらに，エージング効果，あるいはその解消は，断層全体の強度に反映される主滑り面以外でも粉体層全体にあまねく存在する粒子のミクロな接触部でおきているため，音波透過率と断層全体の強度が一対一対応にならないことが見い出された．そこで今年度は，主滑り面以外のバルクガウジの状態変化を，ガウジ層内にある多数の副次的滑り面の状態変化として捉えることで，エージング効果と圧密骨組効果が共起する状況での，巨視的滑りと音波透過率を実験条件全域で定量的に再現・説明できるモデルを作ることに成功した．
（b）高温・高圧での岩石の性質に関する研究
沈み込み帯深部のような熱水条件で期待される脆性-延性遷移領域では，岩石強度に対する有効封圧則の適用について，真実接触面積の割合が大きいため，間隙圧による機械的拘束の減少が中途半端にしか働かなくなるという説と，脆性域と同様に間隙圧の効果がフルに適用できるという説がある．この点を明かにするために，昨年度メリーランド大学と協力して，軟らかい多孔性堆積岩であるSolnhofen石灰岩のインタクト試料を用い，これまでに実験データのない高封圧(Pc = 360MPa)・高間隙圧(Pf = 340, 350, 360MPa)での高温(400, 500℃)変形試験を地震研の三軸試験機で行った．このような高温・高封圧かつそれに近い高間隙圧が働いている環境は，深部スロー地震ゾーンで期待されるものである．載荷歪み速度と有効封圧(= 封圧 – 間隙圧)に応じて，巨視的な脆性破断を伴う変形から，延性変形までが系統的に生じた．500℃，Pc = 360MPaは、応力指数n=5の転移クリープが支配的な延性領域であるが，本年度の解析の結果，高間隙圧を加わった，(Pc, Pf)= (360MPa, 350MPa)と(360MPa, 360MPa)では，それぞれn=22, n=32と転移滑りクリープが支配的な準脆性域となり，有効封圧の低下が変形モードを脆性側へシフトさせたことが確認できた．さらに，間隙圧が360, 350, 340 MPaと低くなるほど，すなわち有効圧が0, 10, 20MPaと高くなるほど，有効圧1MPaの増加あたり2MPaのペースで強度が高くなり，この点からも間隙圧が封圧による機械的拘束を減少させる，有効圧の原理が確認された．
(c) 地震波到達前の重力信号の研究
巨大地震などでは断層運動に伴う震源の質量移動と，物質の粗密伴う地震波の広がりにより，重力場が時間・空間変動する．地震波の到達よりも前に微弱な重力場の変化が計測され，理論的な予測と比較検証されるようになった．究極の地震早期検知手法として，地震波到達前の重力信号を地震波解析し，地震の発生位置や時刻、マグニチュードや発震機構解を求める手法を開発している．
(d) 火山性地殻変動・重力変動のモデル化に関する研究
マグマだまりの膨張・収縮にともなう地殻変動や重力変動をモデル化する際，半無限媒体における点圧力源の変形場（茂木モデル）が頻繁に用いられてきた．しかし，半無限モデルでは地表面の起伏がもたらす効果が考慮されていないため，重力変化を解釈しマグマだまりでの質量増減量を換算する際に無視できない系統誤差が存在していた．そこで令和4年度は，第一次近似として，地形起伏を円錐形で近似した場合の変形場の半解析解を構築した．現在は，この変形場が重力観測量に及ぼす影響について検討している．
（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）キネマティックGNSS測位によるスロー地震のイメージング
継続時間が数日を越えるスロー地震は通常GNSS観測によって観測されるが、一般的なGNSS観測ではそれぞれの観測点の座標が1日ごとに与えられるため、1日より短い時間スケールのスロー地震の進展をとらえることができない。そこで、本研究ではキネマティックGNSS観測により2017年3月に北米カスケード沈み込み帯で発生したスロー地震にともなう断層すべりの時空間発展を30分ごとに求めることを試みた。その結果、すべり域が南東から北西に移動していくことが明確に示された。このことは、微動が南東から北西に移動していくこととも調和的である。微動は、スロー地震の初期にはGNSSによって求められた滑り域の中心部で発生しているが、スロー地震後期になるとすべり域の端で発生していることが分かった。さらに、スロー地震によるすべり領域は初期には自己相似的に拡大していくが、ある時から断層の走向方向にのみ進展していくことも明らかになった。これらのことはスロー地震の発生機構に重要な示唆を与えることが考えられる。今後はこのような観測を説明する物理モデルを構築することが課題である。
（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．超伝導重力計のドリフトを補正する目的で，不定期の絶対重力測定を実施しており，これらの組み合わせにより，長期的な重力変化を追跡している．2022年は超伝導重力計CT #036を石垣島から移設し，既存のiGrav #028との並行観測を開始した．
（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．2022年には弟子屈，仙台，蔵王，富士において測定を行なった．また，絶対重力測定データの長期的な均一性を担保するために，絶対重力計の器差を厳密に検定する作業を開始した．
（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．地震研は，1998年頃から断続的に重力観測を行ってきた．令和4年度は，2022年11月下旬に麓と山頂付近の2点で絶対重力測定を実行した．結果，2018年から2022年にかけては毎年の絶対重力値が蓄積されたことになり，降雨に伴う重力変動の様子が明瞭になった．この効果を補正することにより，伊豆大島の直下で進行している質量蓄積の傾向が分かりつつある．
（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．令和4年度は，2022年10月末に絶対重力観測を実行した．2017年頃からのデータを概観すると約4マイクロガル／年の重力増加の傾向にあることが分かっていたが，今年度の観測からもその増加傾向を裏付ける結果が得られた．
（e）阿蘇における重力測定
令和4年度は2022年11月に，阿蘇の京都大学火山研究センターにおいて絶対重力測定を実行した．火山研究センター内での絶対重力測定は，2016年熊本地震以降初となり，2010年5月の絶対重力測定の結果と比較すると，この期間内に+199±30 マイクロガルもの重力増加が生じていたことが分かった．この重力増加は，熊本地震時の地面沈降および阿蘇カルデラ内の定常的沈降によって説明できる．
（a）火山性津波の研究
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．津波波形と地震波形の解析から，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起していることが判明した．長周期の遠地地震波を用いて，環状断層運動パラメタ（傾斜角・環状円弧の広がり角・カルデラ底部の地殻の傾斜運動）を決定する手法を開発した．鳥島近海のスミスカルデラ付近で繰返し発生するCLVD型の火山性津波地震に適応し，継続的なマグマ供給がカルデラ底跳ね上げ運動を繰返し誘発していると結論付けた研究内容を論文にまとめた。
2009年と2017年にケルマデック諸島のカーチス島，チーズマン島付近で，同様の地震規模に比べ大振幅の津波が発生する特異なCLVD型の火山地震津波が発生している．長周期の遠地地震波と津波波形の解析から，これら津波地震の環状断層運動パラメタを決定し，論文にまとめた．
（b）津波を利用した巨大地震の研究
2010年チリ地震津波や2011年東北沖地震津波で観測された高品質の深海域津波データは，遠地津波の研究の進展に大きく貢献した．旧来用いられてきた長波津波モデルで説明できなかった遠地津波の遅延と初動反転が，重力結合した固体海洋弾性系における海洋表面重力波の理論で説明可能となった．新たに開発された遠地津波計算法が，1854年安政東海・南海地震の津波記録を始め、現在までに発生した19の地震津波に適応され，繰り返される海溝型巨大地震の断層滑りモデルが構築・更新された．遠地津波に関するこれら最新の観測・理論・計算手法・応用例をレビュー論文としてまとめた．
（c）大規模な爆発的火山噴火の研究
2022年1月に発生したトンガ海底火山の爆発的噴火では, 大気と固体地球の共鳴周期を持つ地震表面波と大気圧力波と津波が全球的に発生した．この噴火に伴う地震・津波・大気波動を速報する論文をまとめた．また，気象庁地上気象観測網（アメダス）記録を解析し，気圧変化と同期した，個々の観測点では検出できない気温変化と風速変化を検出した．検出された気温・風速変化は、気圧波（大気境界波）に付随する断熱圧縮と運動量輸送として定量的に説明可能であることを示した．気圧と風速記録から気圧波により運ばれた全球的波動エネルギーを見積もり，これらを論文にまとめた．
| 教授 |
中谷正生，新谷昌人(兼任)，吉田真吾(兼任) |
| 准教授 |
青木陽介，今西祐一，綿田辰吾 |
| 助教 |
高森昭光，西山竜一 |
| 外来研究員 |
王家慶 |
| インターンシップ研修生 |
Tertulien松橋Emilie |
| 大学院生 |
清藤大河(M2)，髙部太来(M2)，相川唯 (D1) |
| 研究生 |
曽小雨，ファン・エヴァンジェリン |
| 地震研究所特別研究生 |
徐浪，崔彦 |
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．
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進めた．具体的研究課題は，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．
(2-1) 火山噴煙・火砕流のダイナミックス
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高度や拡大速度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定量的に再現する数値実験を進めた．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について理論的研究を進めた．さらに，著しい粒子濃度勾配を持つことで特徴付けられる火砕流のダイナミクスを再現する数値モデル（2層重力流モデル）を開発し，火口における噴火条件と火砕流の到達距離の関係を調べた．
(2-1) 火道中のマグマ上昇
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調べた．また，火山周辺の地殻変動観測と噴出率観測データを組み合わせて１次元火道流モデルによる噴火の推移予測を行うデータ同化手法の理論的枠組みを構築した．
(1-1)長期的SSEのデータ同化研究
巨大地震誘発の可能性もある長期的SSEについて，その地殻変動データから断層のすべり速度などのモデル変数とモデルパラメタである摩擦特性の同時推定を行うデータ同化の手法を開発している．本年度は，従来のEnKF法に比べて計算量が少ないアジョイント法を， 数値実験で生成したSSEデータで適用したところ，初期条件で観測から直接は知れない初期強度分布と，摩擦パラメタにトレードオフがあり推定が困難であることがわかったが，SSEの周期性を条件として陽に課すことでこの問題を解決し，摩擦パラメタを誤差15%程度で推定できることがわかった．
(1-2)P波前地震重力信号の研究
地震震源情報を早期に得る新たな観測窓として注目されるP波前地震重力変化は，現在，重力計や地 震計で検出されているが，これらの計器では，観測点での重力の変化と，それによる観測点の加速度の和を測っており，P波到着の少し前までは，両者がほぼキャンセルしあって信号が微弱である．しかし重力変化の空間微分は，このようなキャンセルを受けず，これは歪み計で観測できる可能性がある． 理論歪みは震源メカニズムを反映した方位分布を持つが，有利な方位では，距離2000kmにおけるP波 前歪み信号は，P波走時の半分程度の時刻において神岡にて稼働中の100m基線長レーザー歪計の雑音レベルを越え，P波到達直前には雑音レベルの50倍にも達することがわかった．
