超高性能地震計

ー研究ノートー

超高性能地震計

低温下における動作特性

金尾政紀＊・神沼克伊＊

Performance Test of STS‑Seismograph in Low Temperature  Masaki KAN Ao• and Katsutada KAMINUMA•

Abstract: Seismological observations by a set of three‑component Streckeisen  seismometers (STS‑IV, ‑IH) have been carried on at  Syowa Station (69.0°S,  39.6

゜

℃ 

We performed some tests  of the STS seismograph  in  the  low temperature  laboratory  of National  Institute  of Polar  Research to  find  the  relationship  between the drift of POS and temperature change. It  was found by the experi‑ ments that there is  a positive correlation between temperature change and drift;  about 0. 75V /°C for the vertical component and 0.15 V ゜/C for the horizontal  component.  Shift noises similar to those at Syowa Station were also observed  in  the  experiment  in  the  low temperature  laboratory.  For the  purpose  of  obtaining  the  response  of the  seismometer to  the  temperature  variation  at  Syowa, LP digitized records in 1992 were decomposed into the drift component,  tidal component, response to temperature variations, and noise series by making  use of the BA YT AP‑G program. The maximum addmittances to the ̲tempera‑ ture change are ‑1.3  V ゜/Cfor the vertical component and ‑0.003 V /°C for the  NS component

、

要 旨 ： 昭 和 基 地 に お け る

による地震観測は，

1989

年に開始されて以降

年が経過した．順調に地震波形が記録されているかたわ ら，ノイズの混人や長周期地震計に特有なドリフト現象など，いくつか観測上の問 題点が発生している．本稿では，特殊な気象条件下である昭和甚地でのこれらの問 題について,

年から

年の観測状況を報告する.

・ード動成分に頻繁に起こ るパルス状ノイズの個数は．低温の時期に多発し

以上の温度の急激な変化

199 

＊国立極地研究所.

南極資料，

Nankyoku Shiryo (Antarctic Record), Vol. 38,  No. 3,  199‑231,  1994 

200 

金尾政紀・神沼克伊

に対応している．また，

年においては. J ・、ド動センサー

台を比較観測するこ とで．パルス状ノイズの原因の調査を行った．その結果，センサ一部の設置不備で はなく．フィードバック

路またはセンサ一部の低温での動作イJ 良が原因と芍えら れた．

これと共に

の低温ドでの動作特性を調べる

的で，国寸二極地研究所低温室で 短期間のテスト観測を実施し，温度変化に対する応答と地震計の性能限界について 考 察 し た ． 超 低 温 宅 実 験

℃)における

の 応 答 量 は ， 数 時 間 の温度変化に対して

ド動で

V  / ° C ,  

動で

V 

であった． またパルス 状 ノ イ ズ は ， 地 震 計 が 動 作 不 良 に な る 直 前 で 発 牛 す る こ と を 確 認 し た ． さ ら に ，

1992

年の

加速度出力のテータを用いて，

ド動と水

動各

台 についての地震計ドリフト成分，温度変化に対する応答成分，潮汐成分，および地 震や人為的作業によるノイズ成分の分離を行い，温度変化に対する出力電圧の応答 係数の定駄的な解釈を試みた．その結果̲

の 応 答係数は， J ・ . ド動，水平動ともタイムラグ

時間で最大値をとり，それぞれ

C, 

V  ゜ / C と求められた．

l. 

は じ め に

グローバルな地球内部構造や震源過程の研究のデータを取得するため，近年広帯域・一高 感 度 ・ 広 ダ イ ナ ミ ッ ク レ ン ジ を 持 つ フ ィ ー ド バ ッ ク 型 地 震 計 (Strecke1• sen  seismometer;  STS‑IV, ‑lH, 以下STSと略記する）による観測が推進されている（黒磯， 1990;渋谷ら，

1990; 山田ら， 1989;島崎ら， 1992). この超高性能地震計はフィードバック圃路によるみ かけの固有周期20秒を持ち，感度2400Vs/mの速度出力 (BRB;broad bamd, 以下BRB

とする）が主として解析に使用されている.BRBには， 0.1‑20秒 お よ ぴ0.1‑360秒にお いてフラットな振輻特性を持つ二つのモードが選択できる (STRECKEISENand and MESS‑

GERAETE, 1987).  また，広いダイナミックレンジ (140dB)を持つことから， 24bit相当 の性能の良い A D変換器 (QUANTERRA,1988) を用いることで，良質なデジタルデータ が取得される．

この STSが有する広いダイナミックレンジの特性を生かすためには，ほかの地震計よ り以上に雑音となる信号（ノイズ）の低い場所での観測が望まれる． しかし，これまでの 地震計よりも長周期帯において高感度な地震計であるため，気温・気圧・湿度などの気象 条件の影響をより敏感に受ける．国内の気温変化の少ない良好な地震観測点に設置した場 合においてさえ，特に水平動成分に気圧変化による長周期ノイズが発生することがこれま でにも報告されている（松浦ら， 1990;三上ら， 1989;渋谷ら， 1990;山田ら， 1989).

STS以外の長周期地震計については，すでにいくつかの研究が行われている.UMEDA  (1977)がプレス・ユーイング型地震計の長周期ノイズを解明するためにいくつかの実験を 試みている．その結果次のようなことが確かめられた.J‑・ード動成分は風速，気圧の影響が 大きいが，気温変化の影響は少ない．ただし，地震計のケースを小型にしてその内側に温 度勾配をつければ，ノイズ発生率が増加する．また，水平動成分は主に風速の影響を受け る．地表の風の強さが水平動成分の長周期ノイズと一般的に関係することが， PETERSON

STSの低温下における動作特

: I

る対策を施した結果，その開期でのノイズレベルは約 IO分の Iに減少した（佐々木ら，

1992). 

STS (‑IV,  ‑IH) において，温度変化によるドリフトとノイズ発生メカニズム解明のた めの観測報告は，これまであまりなされていない． しかも，現在稼働中の観測点の中で，

昭和基地のように年間の気温の大部分が氷点下で観測している例は極めて少なく，南極大 陸卜の他国の観測点においても気温変化に伴う STSの挙動の研究はこれまでになされて いない．昭和基地では， 1989年4月に第 30次H本 南 極 地 域 観 測 隊 (JARE‑30)により STS 3成分が設潰されて以来，広帯域・高感度地震観測が継続されており（村上・神沼，

199 I),  Fi本 を 中 心 に 推 進 さ れ て い る グ ロ ー バ ル 地 震 観 測 網 (POSEIDON計 画 ） の 一 観 測点としての役割も担っている．

そこで本論文では，昭和基地において観測される気温変化に伴う STSの ド リ フ ト 現 象 と，急激な温度変化に伴い発生するパルス状ノイズの観測例とその原因の調査結果を報告 する．また国立極地研究所低温室で行った低温下での動作テストによる結果を合わせて報 告することで， STSの 温 度 特 性 に 関 し て の 詳 細 な 議 論 を 加 え る ． さ ら に ， JARE‑33

(1992年2月一1993年 1月）で得られた IOカ 月 間 の 加 速 度 出 力 (LP;long  period, 以 下 LPと す る ） の デ ジ タ ル デ ー タ を 用 い て ， 地 震 計 の ド リ フ ト 成 分 ， 温 度 変 化 に 対 す る 応 答，潮汐成分，地震や人為的作業に伴うノイズ成分とを分離する試みを行い，温度変化に 対する応答係数の定量的な解釈を試みた．

2. 

昭和基地における

観測の現状と問題点

STSは，短周期地震計 (HES, 固 有 周 期 l秒） 3成 分 ， お よ ぴ 長 周 期 地 震 計 (PELS, 固有周期 12秒） 3成分とともに昭和甚地の地震計室に設置されている．図 lには昭和基 地における地震観測関係の諸施設の配置を示す．現在の地震計室は，傾斜地を削り取った 岩盤（花岡岩質片麻岩）上に建てられ，その後埋め戻した半地下構造をもっため，海氷起 源 の 脈 動 や プ リ ザ ー ド な ど の 強 風 に よ る 地 動 ノ イ ズ も 少 な く 地 震 観 測 に 良 好 な 環 境 で あ る． しかし，現在では老朽化に伴う内部アスベストの泉lj落 ， 夏 期 間 の 地 震 計 室 内 へ の 浸 水・凍結や冬期間の積雪による入り［］の埋没など，保守上の種々の問題が生じている（金 尾・神沼， 1993).

STSを含む3種 類 の 地 震 計 は ， 基 盤 岩 に 固 定 さ れ た コ ン ク リ ー ト 甚 台 に 設 置 さ れ て い

202 

金尾政紀・神沼兌伊

D  ^{0  100} 

□ □ ^唸

Radio T r a n s m i t t i n g  F a c i l i t i e s  

三 ＼

； 

200  300  400 m 

6 9 . 0 ° S , 3 9 . 6 ° E )  

N ニ

図

昭相基地の地震観測諸施設

Fig.  1.  Map showing the  locations  of construction projects  concerning seismological  observation at Syowa Station. 

る．図

(上）には，地震計室における各地震計のセンサ一部とアンプ類の配置を示す．

こ の 図 で は 上 下 動 成 分

台を含む

成 分

台が記載されいるが，

の 観 測 期 間中に限り，上下動センサーの比較観測を行っていたためである（第

章に詳述）．表

には

に お い て 昭 和 碁 地 で 使 用 し て い た

台の

について，その感度と 本 論 で 使 用 し た 記 号 を 明 記 し た .

下動成分については，

に 設 置 し た も の を

(または単に

で新たに比較観測用に設置したものを

として区 別して扱う.

の セ ン サ 一 部 は 各 フ ィ ー ド バ ッ ク ア ン プ 部 や

成 分 と 共 に ， 南 側の長周期地震計室内の基台に設置されている．前室には，

成分の電源と中継ポッ クスが置かれている.

は，他の

成分と同様に長周期地震計室内に設置されている．

図

(下）には，センサ一部の固定・

呆温状況を示した.

は通常，センサーケース の外側に電磁場の影響を除くためのシールドが施されており，さらにその外側にガラス製 のベルシャーをかぶせて観測する．空気抵抗や対流などの大気圧の影響を除くため，ベル シャー内の真空度を上げて観測するように設計されている

ETE, 1987). 

昭和基地における観測は，ベルシャー内の真空度を外気圧比

程度で行っ

ている．ベルシャーの外側は，温度変化を低滅するために発泡材による二重の保温箱で覆

っており，その保温箱内部を電気ヒーターで

呆温している．フィードバック回路について

も，センサ一部と同じ断熱材の保温箱で覆い電気ヒーターにより

呆温している．温度の年

変化は，数゜

の オ フ セ ッ ト を 除 い て セ ン サ 一 部 の 変 動 と 同 じ 傾 向 を 示 す ． セ ン サ 一 部 の

STS

の低温

における動作特性

Seismographic Room  ̲̲ 

_ゃ~

▲ 

Long‑Period Seism.Room  Preparation Room 

4.5m 

ェ ー

HES Pre‑amp 

ism.Room 

6.0m 

疇

^box 

Glass plate  Cement for  fixing plate 

Signal cable  to Feedback Amp. 

図

地震計室内センサー配置図（上）とセンサ一部の固定・

呆温状況

Fig.  2.  Upper figure: Locations of seismometers (HES, PELS, STS) in  the seismogra‑ phic room.  Lower figure: 

A 

temperature conditions for the STS seismometers. 

表

昭和基地で使用した

の規格

Table I.  Serial number, sensitivity and notation used in  this paper for the STS‑1 VI VBB and ‑ I H / VBB seismometers at Syowa Station. 

Sensitivity 

Type  Serial number  BRB (Vs/m)  LP (V /Gal)  Notaion  Vertical  28709  2 

X 

X 

^X 

X 

Horizontal  18739  2 

X 

X 

X 

X 

204  金尾政紀・神沼克伊

8.0  6.0 

二

0 0   4 2   (3

︒

8‑ Ld wL

0.0 

‑2.0 

‑4.0. 

゜^so 

1‑‑

^AIR‑TMP 

5 

゜

100  150  200  250  300  350  Days from Feb.1 1992 

‑5  (

︒

︱

︱

︱

︱  

‑2 5 

• ‑30  400 

8.0  6.0  0 0 0  4 2 0   (3

︒

a. Ld wL

‑2.0 

こ ^﹂

‑4.0 •

゜

AIR‑TMP 

5 

゜

︒

dw L, a‑ V 0 5 0   1 1 2  

‑

̲

︳  

‑5 

50  00  150  200  250  300  Days from Feb.1 1992 

‑2 5 

.  ‑30 

350  400 

図 3 昭和甚地の外気温（左；

サ ン プ ル / f i ,   右 ；

サー 1 呆温箱内温度の年変化

Fig.  3.  Relationship between air temperature (AIR‑TMP, thick line) and the tempera‑ tures in  two sets  of boxes covering the STS‑1 V seismometers from February  1,  1992 to January 31,  1993.  TMPl (bold line) is  for UDl and TMP2 (broken  bold line) is  for UD2, respectively.  Air temperature is  after Japan Meteoro/ogi‑ cal Agency (JMA) (left;  daily mean, right;  averaged over 5 days). 

と上ド動セン

保温箱内部温度はアナログ出力を持つ温度センサーにより常時モニターしているが， アン プ部の保温箱内部温度の測定については水銀温度計を使用しているため， 地震計室入室時 に野帳に記録した程度である． センサ一部は碁台上に専用のガラス製プレートを阻き，

の上に設置してある．

ん材と油粘

により，

ガラスプレートの碁台への接着方法は， 既設の

台はシリコン充て また

はモルタルにより固定したが， その設罹状況の違いによ る比較については第 2 . 4 章で述べる．

昭和甚地における

観測においては， 上 記 の よ う に 保 温 対 策 を 施 し て い る に も か か わらず， 年間の外部の温度変化（気温・地温・室温） のため観測に大きな影響が現れてい る ．

の長周期ドリフトに影響を与える気象条件としては， 昭 和 基 地 で は 気 圧 変 化 よ りもむしろ気温（とそれに伴う地温， 地震計室内温度， 保温箱内部温度） の変化である．

図

(左）は，

サ ン プ ル ） と ，

台 の 上 下 動 成 分 の 保 温 箱 内 温 度

と の 関 係 を 示 している． 図

( 右 ） には， 気 温 の

平 均 値 と し て

日 分 の 移 動 平 均 を と っ た 値 を 示 し

が

この平均化の操作は， 地震計室内のセンサー保温箱内温度が， 外 気 温 の 短 周 期 変 動 ( F J 変化を含む）

からである． 図

から，

には影響されず数

分 の ロ ー パ ス フ ィ ル タ ー を 受 け て い る と 考 え ら れ る 年 間 の 気 温 の 変 動 量 20 ゜ C に 対 し 上 ド 動 保 温 箱 内 部 温 度 の 変 動 が 約 I O

C もあること， 保 温 箱 内 の 温 度 の 変 動 が 外 気 温 の そ れ に 比 べ て 20

余 り 遅 れ る 傾 向にあることが分かる．

地震計室からの信号は， 約 600mの ア ナ ロ グ ケ ー ブ ル を 経 て 収 録 シ ス テ ム の 設 置 さ れ

STS

の低温―ドにおける動作特性

ている地学棟まで送られている. ̲   }̲下動成分は主に ̲

モード，水平動成分は

モー

ド に よ り 観 測 を 行 っ て い る （ 長 坂 ら ，

収 録 シ ス テ ム に つ い て は ， 金 尾 ・ 神 沼

に詳述しているので省略する．

2.2. 

地震計の長周期ドリフトと温度変化

STS

には，

の ほ か に

と プ ー ム ポ ジ シ ョ ン 出 力

と を 持 つ

この

出力のうち

と

には，温度変化が 原因の一つと考えられるドリフト現象が起こる．この

と

の 温 度 変 化 に 伴 う 推 移 は

で 設 潰 さ れ て 以 降 毎 年 観 測 さ れ て お り ， 地 学 棟 内 で は 遅 い 送 り

hour)

のチャート式レコーダーで

の変動を常時モニターしている．本瓶では，

について報告する．

J ARE‑31 ‑‑33

に お け る 観 測 結 果 を 図

に示す.

年

月ー

年

月，図

(長坂ら，

から分かることは，

の

成分と

成 分 の 出 力 が 地 震 計室内部温度と共に低ドし，その低ド量は室温が

程度変化した場合に

で約

で約

である.

が 温 度 変 化 に 敏 感 に 反 応 し て い る こ と が 分 か る .

には他 の

成分に比べて気温の影響があまり現れていない．

JARE‑32  (199 I

年

月

年

月，図

(山本，

によると，

と 水 平 動

P O S  

4 

3 

7

ヽ ・ .

E/lf 

2 7 · · · ~ ~ · ・・:̲,.:̲̲・,..・ ・̲・... — · ~

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・_/   ・............................... /_I J .. _,, ,,~...

f 

／ ノ

゜

‑3  ‑I 

‑6  ‑2 

‑9  ‑3 

‑12  ‑4 

‑15  ‑5  temp. 

（℃） 

month 

1991 

図

のドリフト量と地震計室内温度との関係

Fig.  4a.  Relation between cumulative POS outputs and daily mean of temperature in  the seismograhic room from May 1990 to  January 1991 at Syowa Station  (after N AGASAKA et  al.,  199/).