21-1
PS
検層
走時
タを用いた地盤構造推定手法
高度化
関
研究
正願 拓哉
1. め
地震動 表層 深部 地盤構造 強く依存
知 地震動 予測 地
盤構造 適 把握 要 あ
防災科学技術研究所 全国 設置し い 基盤強震観測
網KiK-net 鉛直 PS検層 S波速度構造
モ 得 い PS検層 得 P
波やS波 初動走時 算出 走時 あ 振動源
発し P波やS波 地盤 通過し あ 深 遉
要し 時間 あ 走時 横軸 地盤 深 縦
軸 し 曲線 走時曲線 呼ぶ S波振動源 用い
場合 走時曲線 地盤 S波速度構造 依存
走時曲線 層境界 設定し 後 各層間 走時曲線 傾
計算 S波速度 算出 地
点 S波速度構造モ 作成
し し 公表 い モ 鉛直 観測
強震記録 地中 対 地表 ペ 比 説明
い 例 多く見 公表 い 速度構造
モ 地質境界やPS検層 行 技術者 主観 層境
界 決 必 し 地震動 説明
速度構造モ 得 い い 示唆し い
地震動特性 説明 PS検層 速度構造
モ ュ ニン 行わ い PS検層 原
あ 走時曲線 考慮し 例 少 い
従来 地震記録や微動記録 用い 逆解析1)
拘束条件 し PS検層 走時 加え
KiK-net 各観測点 い 高精度 地盤構造モ
構築 考え 将来 全
国各地地盤 地震動評価 高度化 期待
本研究 基礎的検討 し 仮想 地盤モ 用
い 数値実験 行う いく 仮想地盤モ 理論的
計算 S波走時 SH波地盤増幅率 シ
ン ション Rayleigh波位相速度 利用し 同時逆
解析 S波速度構造 推定し 正解 モ 比較
手法 有用性 検討
2. 仮想地盤モ 設定 各理論値 算出
仮想地盤モ い 浦 他 2014 1)や
KiK-net け 既存 S波構造モ 2) 参考 基準
6層 モ 作成し 対し 堆積層 厚くし 6
層モ 速度 ン 大 くし 6層モ 層数
減 し 4層モ 以 少層モ 堆積層 薄く
し 4層モ 層数 増やし 9層モ 以 多層モ
層 S波速度 Vs 層 方 く
逆転層 有 9層モ 作成し 記7 特徴
有 モ 3 合計21種類 仮想
モ 作成し
作成し 仮想モ 用い SH波 P-SV波 け 1
次元 複 射理論3)4) 基 地震基盤 対 地表面
理論地盤増幅率 シ ン ション 理論値
算出し 理論地盤増幅率 解放地震基盤 対 増
幅 あ シ ン ション 計算 林 他
1998 5)
参考 し 1～10 Hz ン
施し 位相 情報 抽出 周波数
領域 振幅 全周波数帯域 1.0 し エ逆変
換し 地震基盤 SH波 びP波 入射角 遊
い 地盤増幅率や シ ン ション 影響
い 考え SH波 い 鉛直入射 P波
い 45度入射 仮定し 1) 仮想モ 対
波基本モ 位相速度 理論値 算出し
理論位相速度 計算 使用 各層 P波速度や密度 Ludwig et al. (1970)6)
従いS波速度 算出し
理論値 対し 地盤増幅率 対数軸
値 5% シ ン ション 値
10% Rayleigh波位相速度 各周波数 け 数値 5%
最大値 ン ムノ 加え 実際 観測
想定し 数値 算出し 一例 基準モ 1 示
擬似的 観測値 し 逆解析的 S波速度構
造モ 推定 試
3. 遺伝的 ム 同時逆解析
作成し 仮想地盤モ 正解モ し 遺伝的
ム GA 7) 用い S波速度構造 推定 行う 従来
逆解析1) SH波地盤増幅率 シ ン ショ
ン Rayleigh波位相速度 使用し 推定 モ 理
21-2
範 変化 試行錯誤的 推定 行 い 本研
究 層厚 S波速度 広い 索範 内 え 後 え
層厚 基 走時曲線 傾 S波速度 算出し
元 S波速度 算出 置 換え逆解析 行う
本研究 総個体数 40個体 交差確率 70% 突然
変異確率 5% 世代数 150世代 索モ け 層
数 正解モ 層数 関わ 6層 し 表1 示 索
範 S波速度 層厚 変化 逆解析 行 地盤増
幅率 シ ン ション 位相速度 付け比率
1：1：1 し KiK-net観測点 け 実地盤
適用 想定 地震観測記録 得 地盤増幅率
や シ ン ション 対し Rayleigh 波位相速
度 微動 観測 別途実施 必要 あ し し
KiK-net観測点 周辺 微動 観測 実施
十 ペ 確保 困難 場合 あ 考慮し
位相速度 使用 地盤増幅率 シ ン ショ
ン 付け比率1：1 用い 逆解析 行 各世
代 い S波速度 層厚 え 後 走時
映 S波速度 置 換え 遺伝子的操作 繰 返
S波速度 算出方法 い 走時曲線 使用 S波速
度 置 換え い方法 層厚 基 走時曲線 区 各層
厚区間 け 走時曲線 傾 均 S波速度 方
法 ン 各層厚区間 端 端 結 直線
傾 S波速度 決定 方法 ン 3種類
い 検証 行 表2 全検証手法 ン 示
6 ン 手法 検証 21モ い
30回 試行し 後 推定 モ 正解モ
各深 け S 波速度 誤差 均
い 算出し
PS検層 走時 地震基盤 Vs=3000
m/s程度 到遉し い い場合 少 く い 考
慮し 正解モ い Vs=2000 m/s以深 層 相当
走時 除去し 記C～F 手法 表2 い
再び逆解析 行 い 同様
30回 試行し 推定モ 正解モ S波速度誤差
均 い 算出し
4. 解析結果 検証
4.1 走時 タ 有無 関 検証
解析結果 一例 基準モ 2 示 黒線
示し モ 前章 算出 誤差 均 最
あ 誤差 均 最 値 同時 示し モ
比較 誤差数値 う A B 走時
使用し い い 比 C～F 走時
組 込 正解モ く一 し い わ
他20モ い 同様 A B 比 C～F
誤差 い 走時 拘束条件 し 逆
解析 用い 高精度 S波速度構造モ 推
frequency [Hz]
p
h
as
e
v
el
o
ci
ty
[
k
m
/s
]
理論値 疑似観測値
1 10
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
frequency [Hz]
am
p
li
fi
ca
ti
o
n
理論値 疑似観測値
1 10
1 10
time [s]
am
p
li
tu
d
e
理論値 疑似観測値
0 0.5 1
-10 -5 0 5 10
1 SH波増幅率 左 シ バ フ ンクション 右
位相速度 左 理論値 擬似観測値、そ
S波速度構造モ 右 一例
d
ep
th
[
k
m
]
Vs [km/s] 0 1 2 3 -0.5
-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0
走時データの組込 位相速度の利用
A 無し 有り
B 無し 無し
C パターン 有り
D パターン 無し
E パターン 有り
F パターン 無し
層数 Vs(m/s) H(m)
1 100 - 300 1 - 33
2 200 - 600 5 - 85
3 400 - 1,200 10 - 170
4 800 - 2,400 40 - 200
5 1,200 - 2,800 40 - 200
6 3,000
-表1 探索範 表2 検証手法
21-3
定 可能 明
4.2 走時曲線を用いた場合 各手法 関 検討
続い C～F い 最適 手法 検討 行う 均誤
差 最 値 加え 結果 安定性や 束性 い 評価
各モ け 誤差 最大値 最 値 差 8
割し 割 範 内 30個中いく モ
い 示 布 作成し 布 一例
3 示
示し 基準モ い い 手法E い
最 段 最 誤差 い範 数 多く い
基準モ 手法E 適用 安定し
正解 近い結果 束 確率 高く
他 モ い 堆積層 厚いモ 手法E い
堆積層 薄いモ 手法F い 多層モ S
波速度 逆転 層 有 モ 手法 C い 最
段 数 最 多 記手法 適用
高精度 安定的 S 波速度構造モ 推定
言え 速度 ン 大 いモ 少層
モ い 手法E 手法F 比較的最 段 数 多
く い 実地盤 適用 際 良好 位相速度
入手 比較的困難 あ 考慮し
位相速度 使用し い手法F 用
4.3 走時 タ 地震基盤ま 到達 い い場合 検討
加え 地震基盤 到遉し い い走時 組 込
逆解析 同様 各モ い C～F 最適 手法
検討 行う 基準モ 堆積層 厚いモ 多層モ
S波速度逆転層モ い 走時 地震基
盤 到遉し い 場合 同様 傾向 見 速度 ン
大 いモ 手法E 少層モ 手法F
用い 高精度 安定的 モ 推定 可
能 あ 言え 堆積層 薄いモ い 手法C
E しく F い 最 段 数 比較的多く い
し し 算出し 結果 い 一方 手法 決定
困難 あ モ い 試行回数
や世代数 増やし再度解析 行い 手法 相関 再考察
必要 あ 思わ
地震基盤 走時 有無 関し 地震基盤
到遉し い い走時 組 込 逆解析結果 到遉
し い 比 全体的 若 誤差 大 く い
正解モ く一 結果 得
走時 地震基盤 到遉し い い場合 十
高精度 モ 推定 可能 あ
い 解析 い 手法C E 比 手
法D F 誤差 大幅 大 く いう点 見
解析 走時 組 込 位相
速度 使用し く 十 精度 高いS 波速度構造モ
推定 出来 言え 実地盤 適用 考慮 条
件 厳しい微動観測 位相速度 入手 要
簡便 高精度 モ 推定 行え 考え
4.4 正解 結果 比較
記検証 踏 え 手法 得 モ 地盤増幅率
性 シ ン ション 位相速度 理論値 正解 疑
似観測値 比較 一例 基準モ 4 示 地
盤増幅率 シ ン ション 位相速度 い
い 得 モ 理論値 正解 疑似観測値
く一 し い 推定 モ 非常 高精度
frequency [Hz]
am
p
li
fi
ca
ti
o
n
正解 結果
1 10
1 10
time [s]
am
p
li
tu
d
e
正解 結果
0 0.5 1
-10 -5 0 5 10
frequency [Hz]
p
h
as
e
v
el
o
ci
ty
[
k
m
/s
] 正解
結果
1 10
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
4 地盤増幅率 左 シ バ フ ンクション 右
位相速度 左 S波速度構造モ 右
正解 結果 一例
d
ep
th
[
k
m
]
Vs [km/s] 正解 結果 0 1 2 3 -0.5
-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0
21-4
d
ep
th
[
k
m
]
Vs [km/s]
正解 結果
0 1 2 3
-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0
d
ep
th
[
k
m
]
Vs [km/s]
正解 結果
0 1 2 3
-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0
d
ep
th
[
k
m
]
Vs [km/s]
正解 結果
0 1 2 3
-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0
d
ep
th
[
k
m
]
Vs [km/s]
正解 結果
0 1 2 3
-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0
d
ep
th
[
k
m
]
Vs [km/s]
正解 結果
0 1 2 3
-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0
5 得 たS波速度構造モ 正解モ 比較 例
左 、堆積層厚モ 、 ン 大モ 、少層モ 、多層モ 、Vs逆転層モ
あ 伺え 得 S波速度構造モ
正解モ 比較 例 5 示 4層モ 6層モ
い ほ 正解モ 構造 一 結果
出 い 9層モ い 6層 再現
し い層 い 層 層 中間値 取 う 形
精度 高い結果 出し い 本手法
様々 モ い 精度 高いS波速度構造モ 推
定 可能 あ 言え
5. ま め
地震観測点KiK-net 適用 前提 し S波速度構造モ
推定 高度化 目的 し 数値実験 行 複数 仮想
地盤モ 設定し 後 モ 地盤増幅率 シ
ン ション 位相速度 理論値 算出し
用い GA 同時逆解析 行 際 拘束条件
し 走時 組 込 高精度 地盤モ
推定 試 得 結果 正解 モ 比較し 各
解析手法 い 考察 行 得 知見 以
走時 拘束条件 し 逆解析 用い 用い
い場合 高精度 S 波速度構造モ 推定 可
能
走時 拘束条件 し 逆解析 用い 位相
速度 使用し い場合 精度 高いモ 推
定
使用 走時 地震基盤 到遉し い 場合 方
推定モ 誤差 く 地震基盤 到遉し
い い場合 十 高精度 モ 推定
多く モ 推定モ 精度 安定性 手法 相関
見 各モ い 適 手法 用い 解析 行う
高精度 モ 推定
走時 地震基盤 到遉し い い場合 堆積層
薄いモ 手法 検討 再度行う 試行回数や
世代数 増やし再解析 必要 あ
参考文献
1) 浦弘之, 真鍋良輔, 神 遉夫, 阿比留哲夫：地震記録
抽出 地盤増幅特性 シ ン シ
ョン 同時逆解析 S波速度構造モ 推定, 日
本地震工学会論文集, 第14巻, 第5号, pp. 31-49, 2014 2) 防災科学技術研究所：強震観測網 K-NET, KiK-net ,
http://www.kyoshin.bosai.go.jp/kyoshin/ 2017/11/30
参照
3) Haskell, N. A.：Crustal Reflection of SH Waves, Journal of Geophysical Research, Vol. 65, No. 12, pp. 4147-4150, 1960
4) Haskell, N. A.：Crustal Reflection of Plane P and SV
Waves, Journal of Geophysical Research, Vol. 67, No. 12, pp. 4751-4767, 1962
5) 林喜久 , 植竹富一, 真 貢, 林啓美：深い地盤構
造評価 PS変換波 検出方法 関 検討, 日
本建築学会構造系論文集, 第505号, pp. 45-52, 1998 6) Ludwig, W. J. et al：Seismic Refraction, The sea, No. 4,
pp. 53-84, 1970
7) 山中浩明, 石田寛：遺伝的 ム 位相速度
