エネルギー輸送理論に基づく高周波数地震波形エン
ベロープの研究
著者
佐藤 春夫
エネルギー輸送理論に基づく
高周波数地震波形エンベロープの研究
(研究課題番号 09640502)平成9年度∼平成10年度科学研究費補助金
(基盤研究(C)(2))研究成果報告書
平成11年2月
研究代表者 佐藤春夫
(東北大学大学院理学研究科教授)
エネルギー輸送理論に基づく
高周波数地震波形エンベロープの研究
(研究課題番号 09640502)平成9年度∼平成10年度科学研究費補助金
(基盤研究(C)(2))研究成果報告書
平成11年2月
研究代表者 佐藤春夫
(東北大学大学院理学研究科教授)
00010175333二二一････.-はしがき
地殻から上部マントルにかけての領域はかなりランダムに不均質であり,その程度は テクトニクスに強く関連していると考えられている.そのような中での波動伝播はかな り複雑で,たとえ層構造の中での波動場計算を行ったとしても, 1 Hzより高い周波数の 地震波動場を決定論的に求めることは難しい.しかし,地震による構造物の被害を考え る際には,数Hzから十数Hzにかけての周波数帯の地震波の伝播特性を知ることが重要 である.また,地球物理学的な見地からも,この周波数に対応する波長数百mから数十 kmにかけてのスペクトル構造をテクトニクスとの関連において調べることは興味深い. ランダムな不均質構造の現れとして最も顕著なのが,近地地震の記録に見られるコーダ 波の存在である.小さな地震はとても短い震源継続時間しか持たないにもかかわらず, かなり大きな振幅のSコーダ波がかなり長い時間継続して現れる.それ故,この波群の 性質を調べることによって,地球,特にリソスフェアの不均質構造に関する知見を得る ことができるものと考えられる.特にSコーダ波は,非干渉性の波の重ね合わせから成 るとの考えから, 2乗振幅の重ね合わせに基づくエネルギー輸送理論的なアプローチが とられてきた.さらには,全地震波形エンベロープの研究にも,この方法は有効である と考えられるようになった.しかし,これまでのエネルギー輸送理論は数学的に簡単な 球対称輯射･等方散乱の場合のみに限られており,実際の波形エンベロープ解析に用い るには,さらに現実的な物理過程を取り込んだ定式化が必要とされている. 本研究では,ダブルカップルのような震源からの非球対称輯射や周波数に応じた非等 方散乱をも考慮したエネルギー輸送理論の構築を行なう.また,時間依存型のエネルギ -トラップ現象を取り込んだ多重散乱の定式化に取り組む. 上記理論的研究と平行して,宮城県津山町観測点において高周波数地震観測を実施し, そのデータの解析から東北地方の散乱強度の推定を行う.また,これらの理論と解析を 基に,三陸はるか沖地震1994)における断層からの高周波エネルギー梅射のインバージ ョン解析をおこなう.さらに,兵庫県南部地震についても,高周波エネルギー稿射過程 を研究調査する. 研究代表者らは,国際的にも精力的に研究活動を行ない,これまでにIASPEI国際会 読(1989, 1994)ならびにドイツとの2国間協力に基づく合同セミナー(1996)にお いて,関連するシンポジウムを主体的に組織してきた.さらに1997年のIASPEI国際 会議においても,同テーマのシンポジウムを主催すると共に,当研究の成果を発表した.-I-研究組織
研究代表者:佐藤春夫 研究分担者:吉本和生 中原 恒 研究協力者:大竹政和 西村太志 平成 9年度平成10年度
㈲ヒ大学大学院理学研究科鯛 (東I扶葉大学院理学研究科助手) (東化大学大学院理学研究科助手) (東I妨学大学院理学研究科軸受 (東寸妖学大学院理学研究科助手)研究経費
-2-1,700千円 700千円研究の実施状況
平成9年度に行った研究 数Hzから十数Hとにかけての周波数帯の地震波の伝播特性を知ることは,地震による 構造物の被害を考える際に重要である.これら高い周波数の地震波は非干渉性の散乱波 の重ね合わせから成るので,エネルギー輸送理論的なアプローチが有効であると考えら れる.平成9年度は,ダブルカップルのような震源からの非球対称稿射の場合について, 多重散乱をも考慮したエネルギー輸送理論の定式化を行った.震源からの塙射パターン を球関数を用いて展開し,時間についてラプラス変換,空間についてフーリエ変換をす ることにより,解析的な解を得ることができる.この解は,直達波の附近では震源の輯 射パターンを忠実に反映するが,経過時間の増加と共に散乱の効果が強く現れ 球対象 輪射の場合の解に漸近する. 次に,この解をグリ-ン関数として用いて,強震記録の波形エンベロープから断層面 上におけるエネルギー輯射量の空間分布と観測点のサイト増幅係数を推定するインバー ジョン手法を提案した. 1994年三陸はるか沖地震に適用し,地震断層面上における高周 波エネルギー輯射量分布の推定を行った.その結果,高周波エネルギー輯射量分布と, 低周波波形インバージョンによる断層面上のすべり量分布とが必ずしも一致しないこと がわかった.高周波エネルギーは,その大部分が破壊の急激な成長･停止に伴って塙射 されているものと考えられる.また,この地域での地震波形エンベロープの特徴をつか むために,宮城県津山町における臨時観測点で小地震の高周波数地震波形収集を開始し た. 上記研究と併行して,地球の不均質構造における地震波動伝播と散乱に関する総括的 な書籍を執筆･刊行した. 平成10年度に行った研究 散乱過程を記述するための従来のエネルギー輸送理論では,モデルに用いる散乱媒質 の背景となる速度構造が-様な場合のみに数理的に定式化がなされていた.平成10年度 は,このような速度構造を取り入れたエネルギー輸送理論の定式化に取り組んだ. 兵庫県南部地震(1995)について,長周期成分の解析に基づく断層モデルを基に,特 に高周波成分のエネルギ-輯射量を未知としたインバージョン解析をおこなった.長波 長成分の解析から推定される断層運動と短波長成分から推定される高周波エネルギー輯 射とを統合し,この地震の震源破壊過程を詳細に記述することが可能となった. 岩手県三陸町および遠野市において,小スパンのアレイ観測を開始し,この地域周辺 での小地震の高周波数地震波形記録の収集につとめると共に,そのデータの相関解析か ら地下の不均質構造のスペクトル構造の推定に取り組む.-3-研究発表リスト
(1)学会誌等の論文発表
Chebotareva, I. Yz., A. V. Nikolaev,and H. Sato, Investigadon of seismic emission sourccsinthe
earthユs crust, Japan, Northem Kanto, Transacdbns (DOKLADY) ofLhe Russian Academy of
Sciences/Earth Science Sectz'ons, 357A, 1359- 1363, 1997.
chebotareva, Ⅰ. Yz., A. V. Nikolaev, H. Sa(oand K. Shiomi, A magma body at a volcanic front as
seismic emission source, Honshu, Japan, Vole. Seis･, 19, 1931203, 1997･
sato, H., H. Nakahara,and M. Ohtake, Synthesis of scattered energy density for nonspheriCal
radiahonfrom a polnt She∬-dislocadon source based onthe radiadve transfertheory, Phys･
Earth PLanet. Inter., 104, I-13, 1997.
Yoshimoto, K･, H･ Sato,and M･ Ohtake, Three-component seismogramenvelope synthesisin
randomly inhomogeneous semi-infinite media based onthe single scanfrlng aPPrOXimation･ Phys. Earth PhmeE･ Inter･, 104, 37-61, 1997･
Yoshimoto, K., H. Sato,and M･ Ohtake, Short-wavelengthCrustalheterogeneitiesinthe Nikko area, CentralJapan, revealed from thethree-component seismogramenvelopeanalysis, Phys･
Earth Planet. Inter., 104, 63-73, 1997.
中原恒･佐藤春夫･大竹政和･西村太志,地震波形エンベロープ･インバージョンに基
づく断層面上の高周波エネルギー輯射量分布の推定,地震学会シンポジウム予稿集,
東京大学地震研究所35138, 1997.
Nakahara, H., T. Nishimura, H. Sato,and M･ Ohtake, Seismogramenvelope inversionforthe
spadaldistribution of high-frequency energy radiadonfromthe earthquake fault: Applicadon
tothe 1994 far east offSamiku earthquake, Japan, J. Geophys･ Res･, 103, 855-867, 1998･ Yoshimoto, K., H. Sato, Y. Iio, H. Ito, T. Ohminato,and M. Ohtake, Frequency-dependent
attenuahon of high-frequency P-and S-wavesinthe upper crust in westem Nagan0, Japan,
inpress, Pure AppL･ Geophys･, 152, 1998･
sato, H., H. Nakahara, T･ Nishimura,and M･ Ohtake, SeismogramenvelopelnVerSionforthe
energy radiadonfromanearthquake fault onthe bases of the radiative transfertheory･
Proceedings of the 4th SEGJ Lnter7WtZ'onal Symposium, Tokyo, 1998･
佐藤春夫,地震波形のエンベロープ解析:現状と今後の課題,物理探査, 51, 453-470, 1998.
佐藤春夫,高周波数地震波エンベロープを用いた不均質構造の時空間的ゆらぎの検出の
研究,月刊地球,2, 178-180, 1998.
Nakahara, H., H. Sa(0, M. Ohtake,and T. Nishimura, Spadaldisbibution of high-frequency energy radiahon onthe fault of the 1995 Hyogo-ken Nanbu, Japan, earthquake (Mw6･9) onthe basis
ofthe seismogramEnvelopelnVerSion, BuLl･ Seismol･ Soc･ Am･, 89･ I-14･ 1999･
-4-(2)口答発表等 (国内学会) 佐藤春夫,ランダムな不均質構造における地震波のエンベロープ解析,地震波探査にお ける散乱波の処理法についての研究会,地質調査所,筑波, 1997年7月17-18日. 中原恒･佐藤春夫･大竹政和･西村大志,地震波形エンベロープ･インバージョンによ る高周波領域での震源過程の推定,地震波探査における散乱波の処理法法について の研究会,地質調査所,筑波, 1997年7月17-18日. 早川俊彦･佐藤春夫･大竹政和,散乱体によるエネルギートラップを考慮した多重散乱 モデル:エネルギー輸送理論に基づく定式化,地震波探査における散乱波の処理法 法についての研究会,地質調査所,筑波, 1997年7月17-18日. 中原恒･佐藤春夫･大竹政和･西村太志,地震波形エンベロープ･インバージョンに基 づく断層面上の高周波エネルギー輯射量分布の推定,日本地震学会シンポジウム… 強震動予測による地震災害の軽減をめざしで', 35-38, 1997年8月5-6日,東京. 飯尾能久･大兄士朗･池田隆司･山本英二･伊藤久男･佐藤春夫･大湊隆雄･桑原保人･ 芝崎文一郎･安藤雅孝,地震の始まりの始まり(9)一長野県西部超高密度地震観 測から-,日本地震学会講演予稿集A15,日本地震学会1997年度秋季大会,弘前, 1997年9月24-26日. 佐藤春夫,中原恒,西村大志,大竹政和,エンベロープインバージョン法に基づく断層 面からの高周波エネルギー梅射の推定,第2回都市直下地震災害総合シンポジウム 論文集, 67-70, 1997年11月18-19日,東京. 佐藤春夫,速度勾配を持つ散乱媒質における地震波エンベロープ形成,地球惑星科学関 連学会合同大会, 1998年5月26日,東京. 飯尾能久･大兄士朗･池田隆司･山本英二･伊藤久男･佐藤春夫･大湊隆雄･桑原保人･ 芝崎文一郎･安藤雅孝,地震の始まりの始まり(10)一長野県西部超高解像度地震観 測から-,地球惑星科学関連学会合同大会, 1998年5月26日,東京. 大兄士朗･飯尾能久･池田隆司･堀内茂木･伊藤久男･佐藤春夫･山本英二,長野県西 部高精度地震観測データ処理システム,地球惑星科学関連学会合同大会, 1998年5 月27日,東京. 竹田順子･飯尾能久･小林洋二･池田隆司･大兄士朗･伊藤久男･佐藤春夫･山本英二, vpⅣS比から推定される震源域の飽和度とサイスミシティーの関係一長野県西部 地域鋼密観測データを用いて-,地球惑星科学関連学会合同大会, 1998年5月27 日,東京. 吉本和生,輸送方程式に基づく地震波エネルギーの時空間分布の評価,地球惑星科学関 連学会合同大会, 1998年5月26日,東京. 吉本和生･内田直希･平田直･小原一成･佐藤春夫･大竹政和,微小地震活動から推定 される長町一利府断層の深部構造(2),地球惑星科学関連学会合同大会, 1998年5 月26日,東京. 松本聡･小原一成･吉本和生･伊藤明彦･長谷川昭･'97東北脊梁山地アレイ観測グルー
ー5-プ,東北日本脊梁山地における綱密地震計アレイ観測,地球惑星科学関連学会合同 大会, 1998年5月26日,東京. 中原恒･佐藤春夫･大竹政和･木下繁夫,地震波形エンベロープに基づく1987年千葉県 東方沖地震断層面の高周波エネルギー輯射量分布のインバージョン推定,地球惑星 科学関連学会合同大会, 1998年5月27日,東京. 中原恒･佐藤春夫･大竹政和･木下繁夫･三浦哲･植木貞人･浜口博之, 1998年9月3 日岩手県内陸北部の地震(M6.1)の震源極近傍での強震動記録,日本地震学会1998 年度秋季大会,福井, 1998年10月26-28日. 早川俊彦･中原恒･佐藤春夫･大竹政和,深さ依存型速度構造におけるエンベロープグ リーン関数を用いた1995年兵庫県南部地震の高周波輯射領域インバージョン,日 本地震学会1998年度秋季大会,福井, 1998年10月26-28日. 飯尾能久･大兄士朗･池田隆司･山本英二･伊藤久男･佐藤春夫･大湊隆雄･桑原保人･ 芝崎文一郎･安藤雅孝,地震の始まりの始まり(ll)一長野県西部超高解像度地震観 測から-,日本地震学会1998年度秋季大会,福井, 1998年10月26-28日. 松本聡･小原一成･吉本和生･伊藤明彦･鈴木将之･斉藤竜彦･河合泰雄･福島洋･石 川由季子･猪口綾子･佐藤久美子･山下幹也･長谷川昭, CDPケーブルアレイ観測 に基づく東北脊梁山地での地殻不均質構造の推定の試み,日本地震学会1998年度 秋季大会,福井, 1998年10月26-28日. 佐藤春夫･マイクフェラー, 2次元ランダム媒質における円筒波のエンベロープ拡大: マルコフ近似に基づく理論的導出と数値計算結果との比較,東京大学地震研究所特 定共同研究B"短波長不均質構造とその波動論的作用''研究会,東京, 1999年1月 12-13日. 吉本和生,地震波包絡波形インバージョンの可能性について,東京大学地震研究所特定 共同研究B…短波長不均質構造とその波動論的作用…研究会,東京, 1999年1月12-13日. 中原 恒,近地強震記録のインバージョンによる1998年9月3日岩手県内陸北部の地震 (M6.1),東京大学地震研究所特定共同研究B''短波長不均質構造とその波動論的作 用''研究会,東京, 1999年1月12-13日. (国際会議)
Sato, H., H., Nakahara,and M. Ohtake, Independence of Coda envelope decay from source radiation pattem at long lapse time, 29thGenrayAssembly of IASPEI, S6-p･65,Thessaloniki, Greece, Aug 18128, 1997.
Yoshimoto, K., H. Sato,and M. Ohtake, Short-wavelengthCrustalhetergeneityinthe Nikko area, Japan, revealed fromthethree-component seismogramenvelopeanalysis of regional earthquakes, 29thGenrayAssembly of IASPEI, S6-p･64, messaloniki, Greece, Aug I 8-28,
1997.
Nakahara, H., H. Sato,and M. Ohtake, Aninversion method for es血nabngthe spadal
distribution of high-frequency energy radiation onthe earthquake fault by uslng S-wave
-6-envelopes, 29thGenrayAssembly of IASPEI, S6-p･73, ¶leSSaloniki, Greece, Aug 18-28,
1997.
Nakahara, H･, H･ S血0, M. Ohtakeand T. Nishimura, A spadaldisbibudon of high-frequency
energy radiadon onthe fault plane of die 1995 Hyogo-ken Nanbu earthquake estiamted by using the envelope mversion, 29thGenray Assembly of IASPEI, S23-p. 264, messaloniki, Greece, Aug 18-28, 1997.
Sato, H., H. Nakahara, T. Nishimura,and M. Ohtake, Seismogramenvelope nversion forthe
energy radiadon丘omanearthquake血It onthe bases of the radiadve tranSfertheory, The 4th SEGJ LntemationaL Symposium(Fracture Lmaging), Tokyo, 1998年12月10-12日.
Sato, H., H. Nakahara, T. Hayakawa, T. Nishimura,and M. Ohtake, Radiadve tranSfertheory
based-inversion for the high frequency energy radiadon from an earthquake fault,IntemadonalWorkshop on Fronders in momitomg Science and Teclmology for
earthquake Environments, Proceedings F3-4,土岐市, 1998年11月16-19日.
(3)出版物等(著書及び論文集編集)
Sate, H., Styudy of Seismogramenvelopes based onthe energy transporttheory,inWave
PropagaLz'on bt Compk Media (Ed. G. Papanikolaou), Springer-Verlag New York,
187-198,1997.
Salo, H.,and M. C. Fehler, SeLmit Wave PropagaLibn and Scauer血g in Lhe Heterogeneous Earth,
Springer-Verlag New York, I-308, 1998.
Korn, M., H. Sate,and F. Scherbaum(Editors), "St∝has血seismic wavefieldsand realistic
media", Proceedings of the symposium held at NeustadL Germany (March 1 1-15, 1996),
Specialissue ofPhys. Earth Phznet. Inter., 104, 1-281, 1997･
-7-TOUR ： Tohoku University Repository コメント・シート 本報告書収録の学術雑誌等発表論文は本ファイルに登録しておりません。なお、このうち東北大学 在籍の研究者の論文で、かつ、出版社等から著作権の許諾が得られた論文は、個別にTOUR に登録 しております。 TOUR http://ir.library.tohoku.ac.jp/
