海洋測地観測の勧め
著者 藤本 博己
海洋測地観測の勧め
Encouragement of seafloor geodetic research
藤本博己
東北大学 大学院理学研究科 地震・噴火予知研究観測センター （2012年4月～ 東北大学 災害科学国際研究所 災害理学部門）
Hiromi Fujimoto
Graduate School of Science, Tohoku University (April 2012 ~, IRIDeS, Tohoku University)
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本日の話題
１．重力異常の研究（＋潜航調査）Gravity anomaly
1.1 西太平洋（主に沈み込み帯）の重力異常
1.2 中央海嶺系における海洋地殻生成過程
1.3 海底および海中の重力測定
２．海底地殻変動観測 Seafloor geodesy
2.1 上下変動： 海底圧力観測
2.2 水平変動： 海底GPS観測
2.3 東北沖地震およびその前後の地殻変動
2.4 海底地殻変動観測の課題と対策
船上重力計： T. S. S. G.
（友田好文先生 日本学士院賞）g = A + B/T + C/T2 32ビットの割り算～1 ms
g ・T = A・T+ B + C/T 2nd order effect T ≦20 ms
８分程度のローパスフィルターで動揺の影響除去 絶縁
1982年の重力異常図
作成のために使われ
た重力データ
（出力： テレタイプ
1日紙テープ1巻）
重力データの収集
重力異常の解釈（１）
フリーエアー異常
ダイナミックなつり合い
ブーゲー異常
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Geoid around Japan（平均海面：等ポテンシャル面）
海面高度計の進歩 広域の重力異常図 船上観測は
0° 80°N
大西洋中央海嶺軸沿いの地形（0°～80°N）
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白鳳丸KH-93-3 （日本最初の本格的中央海嶺研究航海）
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KH-93-3
MODE’94: Leg 1 (JAMSTEC + WHOI)
しんかい６５００の国際デビュー
Co-chiefs:
3成分地磁気観測
（Fujiwara & Fujimoto, JGR 1998）
FUJI 航海 （TOBI deeptow sidescan + Transmision）
FUJI Dome ： Giant detachment fault （地殻の断面が露出？）
Co-chiefs: C. Mevel & K. Tamaki Red: Possible hydrothermal sites
MODE’98 Leg3 : しんかい6500の最初のインド洋潜航
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アデン湾航海 （KH-00-5 レグ３）
Ocean Bottom Gravimeter (OBG) @ ERI
・野外観測用重力計を利用
・オイルダンパー付きフリージンバルで鉛直保持
制御基板 精密重力計 チタン球 ジンバル モータ ＰＨＩＮＳ 電池 水中コネクタ
Underwater gravimeter
図３ （ERI, U. Tokyo）20
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本日の話題
１．重力異常の研究（＋地形調査＋潜航調査）
1.1 西太平洋（主に沈み込み帯）の重力異常
1.2 中央海嶺系における海洋地殻生成過程
1.3 海底および海中の重力測定
２．海底地殻変動観測
2.1 上下変動： 海底圧力観測
2.2 水平変動： 海底GPS観測
2.3 東北沖地震およびその前後の地殻変動
2.4 海底地殻変動観測の課題と対策
Tectonic map
太平洋下のプレート境界地震の発生のしくみ
地震調査研究推進本部
Seismic coupling based on GPS
1793 1835 1861 1897 1936 1978 強い固着域＝大地震の破壊域 2003年十勝沖地震（M 8.0) 1968年十勝沖地震（M7.9) 宮城県沖 「宮城県沖地震」 2005 Suwa et al. (2006) 宮城県沖地震に備えた海底地殻変動観測 東北沖地震とその前後の変動を捉える宮城県沖地震に備えた海底地殻変動観測網
（東北大学： 2011年3月）
海底GPS (GPS/A): GJT4, GJT3 海底圧力計(OBP) その他の点海底地殻変動観測の手法 （二つの相補的観測）
海底圧力変動 (OBP)：上下変動の観測
連続観測により地震前後の変動を検出
ゆっくり地震の検出も可能
（センサーのドリフト： 固着状態はわからない）
海底GPS (GPS/A)：主に水平変動の観測
プレート境界のどこが固着しているか
地震時のすべりと余効変動
（年に２～３回の観測、１回の観測に約1日）
(Fujimoto et al., 2003)
1997年末のエルニーニョ終焉
海底の圧力計と地震計で捉えた海溝型地震に
先行した非地震性の地殻変動
Step～2cm/5日
29 赤： ・2008年のすべり ・本震1ヶ月前からのすべり 青： ・本震2日前からのすべり 茶： ・2011年3月の本震
東北沖地震の本震の前に海底の動きがあった
（ケーブル方式の海底観測システム 実時間で観測）
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本日の話題
１．重力異常の研究（＋地形調査＋潜航調査）
1.1 西太平洋（主に沈み込み帯）の重力異常
1.2 中央海嶺系における海洋地殻生成過程
1.3 海底および海中の重力測定
２．海底地殻変動観測
2.1 上下変動： 海底圧力観測
2.2 水平変動： 海底GPS観測
2.3 東北沖地震およびその前後の地殻変動
2.4 海底地殻変動観測の課題と対策
GPＳ音響結合海底精密測位（海底GPS）
海上のＧＰＳ測位 ＋ 海中の音響測位 海底の精密測位 繰り返し観測により 海底の変位速度 プレート境界の 固着状態 海底局 ３ 観測値 ３ 解 ３（アレイの緯度・経度、平均音速）南海トラフ域のカップリング（単純なモデル）
V elocity ( m m /y r) 渡部ほか［2009］ 名古屋大学（1706）精密音響測距（海上～海底）
・往復測定
利点 ・流れの影響をキャンセル ・時計の長期ドリフトの影響なし・音波の周波数
13.5 – 17.5 kHz 水深 4 km 以浅 8.0 – 12.0 kHz 水深 4 km 以上 10 kHz (波長～15 cm）・コード化した信号の相関処理
原理はGPS測位と同じ 海上送信器 海上受信機 海底局 送信 返信 2 x 15 cm水深1000ｍ以浅で音速変化大
XBTによる音速の実測値（基準音速からの偏差） Kido (EPS, 2007)
35 D A C E VEC VEB VED VEA B E1 E3 E2 D A C B N 0 m 1000 m
海中の不均質な音速の影響
VEA-VED: 表層1000mに音速異常 E1: 平均音速による推定位置 E2: 平均音速を修正、海面へ E3: 実際の位置 EW方向の誤差の要因： VEB + VEC – (VEA + VED) N海上海底間の平均音速は正確に推定・補正できる
音響解析で推定した音速（赤点）と 海洋物理観測による音速（○，□） (Kido et al., 2008)
2004年紀伊半島沖地震に伴う地殻変動（海底GPSによる）
[Kido et al., EPS 2006] [Tadokoro et al., GRL 2006]
海底局の脚部
On the deck On the Seafloor
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本日の話題
１．重力異常の研究（＋地形調査＋潜航調査）
1.1 西太平洋（主に沈み込み帯）の重力異常
1.2 中央海嶺系における海洋地殻生成過程
1.3 海底および海中の重力測定
２．海底地殻変動観測
2.1 上下変動： 海底圧力観測
2.2 水平変動： 海底GPS観測
2.3 東北沖地震およびその前後の地殻変動
2.4 海底地殻変動観測の課題と対策
地震観測による2011東北沖地震の震源域
Lay & Kanamori (2012) に加筆
短周期の強い地震動
すべり域の大きな地域 大津波 貞観地震 ( 869年) ～ M 8.4
海溝付近で特に大きなすべり
41 東北地方太平洋沖地震の震 源域（太線内部）と地震調査 研究推進本部の地震区分 （山岡耕春，2012, UP) ・時間と場所はほぼ予測 ・規模は予測できず ・直近の陸と海の観測で 初めてＭ９地震を捉えた
地震調査研究推進本部の予測と東北沖地震
海底GPS観測による2011地震時地殻変動
変位は宮城沖に集中 沖合ほど変位が大きい 海上保安庁 Sato et al. (2011) 東北大学 Kido et al. (2011) 0 10 20 30 40 水 平 変 位 [m ] 140˚ 141˚ 142˚ 143˚ 144˚ 50 60 経度 海 溝 軸 Fujiwara et al. (2011) GJT3 GJT4 OSHIKA (GEONET) 130° 135° 140° 145° 30° 35° 40° 45°43 GPS/A GPS Iinuma et al. (2012) 等値線の間隔: 10 m 海溝沿いのすべり域 50 m 以上のすべり 幅 40 km, 長さ 120 km 最大のすべり量: 85 m 海溝付近のプレートの 固着状態を調べる必要 （海底GPS観測点なし）
プレート境界面のすべり分布（GPS + 海底観測）
海陸の地殻変動データによる地震時滑り分布
・主破壊域 (すべり量 > 20 m) – 長さ 160 km （海溝軸沿い） – 幅 120 km – モーメント解放量: 2.44×1022 Nm （Mw 8.86） – 深さ 30 km 以下 （上盤は地殻） ・/・極大すべり域 (すべり量> 50 m) – 長さ 120 km – 幅 40 km – モーメント解放量: 6.84×1021 Nm （Mw 8.49) – 深さ 15 km 以下 （上盤は上部地殻） ・スケーリング則から逸脱 – 断層面積に対して すべり量が極端に大きい Iinuma et al. (2012)45
巨大なすべりと津波の発生機構
（山岡耕春，2012, UP）Tohoku-oki Eq. Miyagiken-oki Eq.
震源域と小繰り返し地震による固着の推定
小繰り返し地震によるカップリング推定 Uchida & Matsuzawa (2011)に
Iinuma et al. (2012)で加筆 震源域は地震の空白域だった 固着状態の測定と監視 （巨大地震のなぞの解明） 南北にも空白域 固着状態の測定 （巨大津波のハザード評価） 46
海溝近くの巨大 すべり 南海トラフの地震 滑りの新しい解釈 想定津波高： 約2倍 経済的損失： 80兆220兆円 （図は朝日新聞より）
○：既存観測点 △：２０観測点を新設 新型海底局を開発 (1) 最大観測深度6000 m 従来は2000 m 付近 (2) 大学と海保の共用型 (3) 10年間の観測
日本海溝沿いの
海底GPS観測点
新規に開発した
6000 m 水深用
海底局
合計 86台
（文部科学省/
東北大/名大)
（飯沼、私信） 固着域の幅 40 km 固着域の幅 60 km 1mm/y r 3cm/yr 2mm/y r 4cm/yr
海溝軸が固着している影響： 1cm/yr の測定で検出できる
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本日の話題
１．重力異常の研究（＋地形調査＋潜航調査）
1.1 西太平洋（主に沈み込み帯）の重力異常
1.2 中央海嶺系における海洋地殻生成過程
1.3 海底および海中の重力測定
２．海底地殻変動観測
2.1 上下変動： 海底圧力観測
2.2 水平変動： 海底GPS観測
2.3 東北沖地震およびその前後の地殻変動
2.4 海底地殻変動観測の課題と対策
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１．今後の海底地殻変動観測の課題
(1) 海溝軸付近の固着状態の把握（日本海溝、南海トラフ）
(2) 東北沖地震の余効変動の観測 巨大すべりのなぞ
(3) 沈み込み速度の実測（固着状態の把握、加速状態？）
(4) 長期連続観測（まずは日座標値の測定）
２．観測の障害とそれに対する対策：対処できそうである
(1) 大水深における海底GPS測位： 進行中
(2) 海中の水平音速勾配： 海上複数点観測により対処
多点観測のための観測時間の短縮
長期連続観測のための観測時間の短縮
(3) 海上における長期観測プラットフォーム：自航式ブイ等
(4) 海上における単独精密GPS測位：StarFire等
海底地殻変動観測の今後の課題と対策
53 D A C B E F VEC VEB VED VFC VFB VEA VFD VFA VEA～VFB VED～VFCであれば VEB + VEC – (VEA + VED) ≒ VEB + VEC – (VFB + VFC) = VEB – VFB + VEC – VFC （ＧＰＳ測位から決定できる） 海上の2点EとFで音響測距 音速の水平勾配の影響を推定
Wave Glider
自航式ブイ
・ASV ディーゼル 3.5ノット、2日間 ・Wave Glider 波力 1.5ノット、長期StarFireの概要(Hatch and Sharpe, 2004による)
GPS衛 星 インマルサット衛星 補正情報 ユーザー 基準局 解析局 2013/3/25 55JPLが開発したReal Time GIPSY技術 を導入したSBAS(静 止衛星型衛星航法補強システム)
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まとめ：膨らむ期待とそれを実現できる可能性のある新技術
１．東北沖地震後、海底地殻変動観測の役割が急上昇 海溝軸付近を含む観測網による観測が必要 ２．繰り返し観測でも長期観測でも観測時間の短縮が鍵 ３．海上の2点（1方向）～3点（２方向）の観測で音速の 水平勾配を推定 約1日の観測を1/4の数時間に ４． StarFire（有料） 海上の単独精密GPS測位の可能性 ５．自航式ブイ：海上の複数点および長期観測に使える可能性 ６．係留ブイ：自航式ブイより高度な海上GPS測位の可能性
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