12 −９ 南海トラフ長期孔内観測システムによる観測
Long-term seafloor borehole observation in the Nankai Trough荒木英一郎
Eiichiro Araki
海洋研究開発機構
Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology
概要
南海トラフで将来起こる巨大地震に至る海底活動の過程を明らかにし，監視することを目的に
DONET( 海底地震・津波観測監視システム 1））は，2010 年の紀伊半島沖への設置をはじめに 2016
年 4 月には東南海・南海地震の震源域とその周辺を覆う DONET1，DONET2 観測網として稼働している．DONET1，DONET2 では，観測装置は海底面に埋設されており，海底における広帯域地震観測に適した観測環境を実現している．一方，より長周期の海底地殻変動等を観測するためには，海底面に広がる軟弱な堆積層や，海底に流れる底層流の影響が顕著となるため現状困難と考えられる．海底下 500-1000 m の掘削孔内へ観測センサーを設置することによって，このような問題を解決できるのではないかと考え，地球深部探査船「ちきゅう」で掘削した孔内へ地震・地殻変動等のセンサーを設置する「長期孔内観測システム」の開発を行い，国際深海掘削計画（IODP）における南海掘削計画の一環で，東南海地震震源域沖合の海域に複数点を設置し，DONET に接続することによって長期観測を実現した．
システムのデザイン開発を実施した「長期孔内観測システム」のデザインでは，いくつかの要点の実現を目指した．
1）広帯域・高ダイナミックレンジの観測を冗長系で行うこと．すなわち，孔内に設置した複数種のセンサー（体積歪計・傾斜計・広帯域地震計・強震計・ジオフォン・間隙水圧・温度計アレイ）からの信号を 3 本のケーブルや 3 本の水管を並列に使って海底まで伝送する方式を採用した（第 1図）．ケーブル 1 系統に体積歪計と強震計を接続するなどにより，一部のケーブルケーブル損傷などのトラブルがあっても長周期から短周期までの広帯域観測がシステム全体で実現できるような，観測機能の冗長化を図った．2）センサーと地殻との良好なカップリングの確保，センサー周囲の流体移動の影響をなくすことを目的として，センサー群はセメント充てんによって孔内へ固定した．
3）安定な長期観測の確実な実現のために，DONET への接続を行えるものとした．DONET 接続のために，データ通信・電力供給および時刻基準の供給が行える DONET 孔内インターフェースの開発を行った．
システムの設置計画とその実施システムの設置は IODP の南海掘削計画の一部に位置づけた．DONET のノードから 10 km 以内に位置し DONET1 への接続が可能となる，東南海地震の固着域浅部（C0002），分岐断層浅部（C0010），付加体先端部（C0006）の 3 か所に設置地点を計画した（第 2 図，第 3 図）．C0002G 孔は，20102）

年 11 月に IODP Exp 332 でシステムの設置を「ちきゅう」で実施，2013 年 1 月に DONET への接続を行った．C0010A は，2009 年の Exp 319 で孔の掘削と簡易型孔内観測装置による観測を開始，− 502 −3）

途中 Exp 332 での装置交換を経て継続されていたが，2016 年 4 月には IODP Exp 365 で簡易型孔内観測装置の回収と長期孔内観測システムの設置が実施され，2016 年 6 月には DONET へ接続し，4)以来長期運用が行われている．DONET を通じて収集したデータはインターネットを通じた公開を行っている．
これまでの成果
現在，設置した長期孔内観測システムによる観測データから，顕著な成果が得られつつある．
2016 年 4 月 1 日に，三重県南東沖において Mw6.1 の地震が発生した．震源は DONET1 観測網内に位置していたため，海底地震計で近傍での強震観測を行うことができたが，孔内（C0002G）においても孔内強震観測記録が得られた．海底との記録の比較（第 4 図）から，海底では堆積層の影
響により水平動の顕著な増幅が見られるが，孔内では地震計が固結した堆積層の下部に設置されていることから，顕著な増幅が見られないことがわかった．海底孔内観測は地震破壊過程の分析に非常に有用であるものと考えられる．
また，同じ 2016 年 4 月 1 日の地震の孔内間隙水圧記録の解析から，孔内で高感度かつ精度の高5）い地殻歪変化の計測が行えることが示された ．孔内では，地震時の歪変化だけでなく，地震後の余効的なゆっくりとした変動もとらえられている．この地震では，地震時に 0.37μ 歪に相当する変化が生じたが，その後 2 日間でさらに 30% 程度の歪変化を明瞭に観測した．さらに，この地震によって誘発されたと考えられる，震源域沖合の海溝軸付近での浅部ゆっくり滑りが発生したことも6）観測された（第 5 図） ．この浅部ゆっくり滑りは，陸上の GNSS 観測網や孔内歪計，DONET 海底水圧計いずれの観測限界より小さな変動であり，孔内観測の高感度を実証するものである．
今後の展開
南海トラフでの海底孔内観測によって，浅部ゆっくり滑りが繰り返され，また地震によって誘発される事例が示されたことは，震源域近傍での海底地殻変動を高精度で注意深く監視することの重要性を示すものと考える．また，孔内での実測例が示されたことによって，海域プレート境界での地震・ゆっくり滑り等の滑りの実態を把握分析することは現在技術的には可能となっているとも考えられる．現状の海底孔内による観測域は，東南海地震震源域の一部にとどまっているが，2017年度中に予定する付加体先端部（C0006）への展開，さらに東南海・南海地震震源域周辺への広域展開を海底面での地殻変動観測技術の開発と合わせて行うことが必要だと考える．
参考文献
1） Kaneda, Y., K. Kawaguchi, E. Araki, H. Matsumoto, T. Nakamura, S. Kamiya, K. Ariyoshi, T. Hori,
T. Baba, N. Takahashi, Development and application of an advanced ocean floor network system
for megathrust earthquakes and tsunamis. in Seafloor Observatories, 643–666, Springer, Heidelberg,
Germany (2015).
2） Kopf, A., E. Araki, S. Toczko, the Expedition 332 Scientists, Proc. IODP, 332: Tokyo (Integrated OceanDrilling Program Management International, Inc.) (2011).
3） Kopf, A. , D. Saffer, S. Toczko, the Expedition 365 Scientists, Expedition 365 Preliminary Report:
NanTroSEIZE Stage 3: Shallow Megasplay Long-Term Borehole Monitoring System (LTBMS). International

Ocean Discovery Program (2016).

− 503 −

4） JAMSTEC

データ公開サイト

https://join-web.jamstec.go.jp/join-portal/

5） Wallace, L. M., E. Araki, D. Saffer, X. Wang, A. Roesner, A. Kopf, A. Nakanishi, W. Power, R.
Kobayashi, C. Kinoshita, S. Toczko, T. Kimura, Y. Machida, S. Carr, Near-field observations of anoffshore Mw 6.0 earthquake from an integrated seafloor and subseafloor monitoring network at theNankai Trough, southwest Japan. J. Geophys. Res. 121, 8338–8351 (2016).
6） Araki, E., D. M. Saffer, A. J. Kopf, L. M. Wallace, T. Kimura, Y. Machida, S. Ide, E. Davis, IODP
Expedition 365 shipboard scientists, Recurring and triggered slow-slip events near the trench at theNankai Trough subduction megathrust, Science 356, 1157–1160 (2017).

間隙水圧ロガーDONET へ接続

P4

ROV platform

DONET 孔内インターフェース 海底

パッカー
透水性ケーシング

第1図

Fig.1

広帯域地震計Instrument carrier

傾斜計

体積歪計
P2
P1

9-5/8インチケーシング

ジオフォン
加速度計

水管（間伱水圧ポート）

温度計アレイP3

孔内センサー

セメント充填

孔底

長期孔内観測システムダイアグラム 孔内には，体積歪計・傾斜計・ジオフォン・加速度計・広帯域地震計・温度計アレイ・間隙水圧ポートが設置され，海底までケーブルおよび水管で接続されている．海底でDONET 孔内インターフェースに接続される．
System diagram of the Long-term Borehole Monitoring System. Strainmeter, tiltmeter, geophones, accelerometers,
broadband seismometer, thermometer array, and pore-ﬂuid pressure ports are installed in the same borehole. Cables andhydraulic tubes connect sensors to the seaﬂoor, where connected to DONET via the DONET borehole interface unit.

− 504 −

 
紀伊半島

Mw8.1 1944

  東南海地震

C0002G
Mw 6.1
2016年4月1日
三重県南東沖地震

C0010A

フ
トラ
南海

0



km50 

第2図

DONET1 海底地震・津波観測監視システム（茶色）と設置した長期孔内観測システム（青三角 : C0002G,赤三角 :C0010A）の設置位置．1944 年東南海地震震央・滑り分布を星印・等値線図と 2016 年 4 月 1 日三
重県南東沖地震震央を星印で示した．
Fig.2 Map of off KiiPeninsula, Japan seaﬂoor showing location of DONET1 seaﬂoor observation system (brown lines andtriangles) and installed Long-term Borehole Monitoring System (blue triangle: C0002G, red triangle: C0010A). 1944
Tonankai earthquake hypocenter and slip distribution are shown by a star and contours, as well as the hypocenter ofMie-ken Nanto Oki earthquake in Apr. 1, 2016 by a star.

浅部固着域C0002G
23

分岐断層
C0010A

熊野海盆

深さ (km bsf)

45

付加体

付加体

6断層

78910震大地

デコルマ

巨海洋地殻
5 km
VE = 1.5X

11

第3図Fig.3付加体先端部
C0006

長期孔内観測システム（C0002G, C0010A; C0006 予定）が設置された南海トラフに沈み込むフィリピン海プレートの地震断面図 .
Seismic cross section of subducting Philippine Sea Plate in the Nankai Trough where the Long-term Borehole
Monitoring System (C0002, C0010, C0006 (planned)) are installed.

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Fig.42016 年 4 月 1 日三重県南東沖地震の海底（KMD16）および海底孔内（C0002G）における 3 成分強振動記
録の比較
Comparison of three-component strong motion records of Mie-ken-Nanto-oki earthquake in Apr. 1, 2016, in nearby
seaﬂoor (KMD16) and seaﬂoor borehole (C0002G).

 三重県南東沖!

1Mo" -13#$!



6
43

1

 

 熊本地震

 欠測  
測器の回収



第4図  

        

第5図

Fig.5

2016 年 4 月 1 日三重県南東沖地震後に熊野灘沖合で見られた孔内間隙水圧観測による浅部ゆっくり滑り（上 : 間隙水圧変化（赤 :C0010A，青 :C0002G）と低周波微動活動（中 : 地震モーメント時系列および下 :震源位置地図）．
Shallow slow slip event detected by the seaﬂoor borehole pore-ﬂuid pressure (top: red trace for C0010A borehole, andblue trace for C0002G borehole), shown with time series of low frequency tremor (middle: seismic moment release) andhypocenter location (bottom map).

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