国立防災科学披術センター研究報告第31号

1983年11月

550．34

3成分ひずみ計の観測， 記録およびデータ処理方式
島田誠一＊・坂田正治＊＊・野口伸一＊

国立防災科学技術センター

TheMethods

fortheofObservation and Data Processing
Three−Component Boreho1e Stminmeters
By

SeiichiShimada，Shoji

Sakata

and

Shi11

ichi

Noguchi

肋ガ・〃1地∫ωκ乃α肋・伽肋α吻肋リθ肋・・，切伽Abs血act

Athエee−component

θ㍑1．，1982）．The

meteエedtoNRCDP姐eobtained，Onewiththeperiodflat

seismicof15seconds
At

signa1sinistheTsukuba

the1ongus㎞gteエm

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ca皿ed

ACcomponent

andth正eekinds

datapエocessing

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andthe12−bitmonitomsing

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theof1OOaエe

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NRCDP（Sakata

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seconds．

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tape

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boIeho1e

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pmceduエesystem，which
secondsigna1speエiodof

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seismic

waves

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Iecordeddetected．The1ast

data

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ink−dotエecoエdeエs．

The1ong

periodmicエocomputeエandseismica㏄umu1ated＊第2研究部地殻カ学研究室，

dataエecoエded
ina

f1oppyadisk．

＊＊第2研究部総合地震予知研究室

一101一

tape

aエe

disp1ayedbya国立防災科学技術センター研究報告第31号

1983年1ユ月

1．はじめに

国立防災科学技術センター（防災センター）では，坂田（198ユ）の考案によるボアホール式3成分ひずみ計を実用化し，設置・観測を開始している（Sakata〃o1．，1982）．この3成分ひずみ計は，テンソル量である水平方向のひずみの3成分の変化が連続的に観測できる初めての測器であり，その成果は単に地震予知に関してのみでなく，広く地球物理学および測地学において大いに期待されるところである．

さて，防災センターではすでに関東・東海地域に微小地震観測網とボアホール式傾斜計による地殻変動観測網を展開している（浜田他，1982，佐藤他，1980）．これらのデータは，筑波の防災センターにテレメタリングされ，計算機によって実時間の記録および処理が行われている（松村他，1979）．3成分ひずみ計のデータも，この計算機処理システムによって傾斜計と同様の処理がなされている．また，3成分ひずみ計は長周期地震計としてもすぐれた特性をもっているので，トリガー方式で長周期地震波をディジタル収録している．これらをまとめてブロック図にすると図1のようになる．すなわち，センサーの出カはテレメータリングされ，筑波の防災センターにおいて，①計算機処理システムによる記録および処理，②長周期地震波のトリガー式記録，③打点式記録計によるモニター記録が行われている．

3成分ひずみ計のこれらの観測および処理方式について以下に述べる．

3 component
Stra1inmeter

te1emetry
SyStemrea1

time

prOCeSSing
SyStem

1ongPehodseismic

data

recorder1nk

dot

recorder図

1Fig．1

観測方式ブロック図．
Constitution

of

the

obseIvation

bythe

three−component

一ユ02一boエehole

st正ainmete正．

3成分ひずみ計の観測，記録およびデータ処理方式一島田・坂田・野口

2．センサー部およびテレメータリング

3成分ひずみ計において，ひずみ量を電圧量に変換する方式と増幅・フィルター処理によって出力を得る方式は，気象庁が関東・東海地域に観測網を展開している埋込式体積ひずみ計をもとにしている．埋込式体積ひずみ計の原理および観測方式についてはSacks

α1・（ユ971），泉（1978a，b）などに詳しい．

ボアホール内において，3成分ひずみ計のひずみ変化は，シリコンオイルの体積変化となってベローズを伸縮させ，このベローズの長さ変化を差動トランスによって電圧変化として検出している．ここで短周期の強い地震波動によるベローズの破損を避けるために，隣路（あいろ）をベローズヘの入口に設けて，周期約1秒のメカニカルなローパスフィルターとして働かせている．こうして，地中センサー部は周期約1秒からDCまでフラットな周波数特性を持っている．

さらに3成分ひずみ計の出力は地上部において周波数特性の違う2種類の成分に分けて出力されている（図2）．1つは数時間以上のゆっくりとした変動現象を対象とした成分でDC成分と呼んでいる．この成分は増幅後30秒のローパスフィルター（LPF）を通してテレメータ装置に出力されている．もう1つの成分は主に長周期地震を捉えるための成分でA成分と呼んでいる．この成分は増幅後約ユ．5時問のハイパスフィルダー（HPCF）を通してドリフト成分を消去したあと，10秒のローパスフィルターを通してテレメータ装置に出力されている．また両成分とも現地でのモニター用に10Hzのローパスフィルターを通した信号も別に出力されている．

3成分ひずみ計による観測では原理的に地中部の温度変化と体積ひずみ変化との区別がっかない．そこで地中部にひずみ計とともに高精度の温度計を設置して温度のモニターをしている．また，気圧の変化は地殻にかかる荷重の変化としてひずみ変化をもたらすため，観測DC
SenSOr

−1sec〜OCcomponent

LPFa叩

也1emeter

30sec
LPF

．eco．d鮒

10Hz＾C

component

am

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LPF

1．5hr

lO

㎏1eme恒rsec

L咋recorder1O版

図2Fig・2

3成分ひずみ計地上増幅・フィルター部ブロック図．
Schematic

diagエamoftheamp1ifieエandtheS血ainmete工．

一103一

fi1te正of

thethエee−componentboτeho1e国立防災科学技術センター研究報告

s8nso『LPF
1Osec

1983年11月

NTT
O−11in6

LPF＾016bit第31号

t㎝p一conp・O0

爬o1ti爬process1ng
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12bit

PeriodSe1…≡1111C

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図3Fig．3

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lO

sec

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record61・

1Hz

96dB｛16b1tl

テレメータ装置ブロック図．
Schematic

diagmmofthete1emet正ic

system．

室内に気圧計を設置し気圧の計測を行っている．さらにひずみ計の設置深度と設置地点の地層との関係で降雨の影響がひずみ変化に表われる場合があるので，観測施設内に雨量計を設置し雨量観測を行っている．温度計，気圧計および雨量計の出力もテレメータ装置に送られている．

テレメータ装置は各成分の信号に10秒のローパスフィルターを通したあと，1Hzのサンプ
リ：■グレートで16bitのAD変換を行ってディジタル信号を筑波の防災センターに伝送している（図3）．このとき，AC成分以外の成分は，AD変換時の温度ノイズによる最下位ビットのばらつきを除くため，ひとつのローパスフィルターを通して温度補償を行っている．

また，筑波への伝送には電々公社（NTT）のD−1専用回線を用いている．筑波においてはディジタル信号を計算機処理システムに送るほか，下位10bitをDA変換しユ0秒のローパスフィルターを通して打点式記録計でモニター記録をとり，さらにAC成分については上位12bitをDA変換して長周期地震波記録装置に出力している．
また，3成分ひずみ計はドリフトによってDC成分が測定範囲から外れる前に，バルブ開閉という操作によってセンサーのリセットを行っているが，この指令も筑波からテレメータで伝送している．

以上のようなフィルター処理の結果，筑波における信号の周波数特性は，DC成分は周期約100秒からDCまでフラットな特性，AC成分は周期約15秒から約1000秒までフラットな特性になる（図4）．

一104一

3成分ひずみ計の観測，記録およびデータ処理方式一島田・坂田・野口

DCcorr幽ACcnon二1．O．臥仁

ACc◎

ent

O．1

10000

1000

10010period
図 4 3成分ひずみ計D C成分およびA C成分の周波数特性図．

sec

刷g・4F正・q・…y・h・工・・t・・i・ti…fth・DC・・dAC・・mp・…t・・fth・th附・。mp。。。。tb。、。h．1，

Strainmete工．

3．記録方式

筑波の防災センターにテレメータされたデータは，すでに述べたように計算機処理システ
ム，長周期地震波記録装置および打点式記録計に送られて，収録されている．

計算機処理システムでは，毎秒のディジタル記録をテレメータ装置から受け取り，このうち毎正分のデータを磁気ディスクメモリーに収録している（松村他，ユ979）．磁気ディスク

メモリーには3成分ひずみ計のほかボアホール式傾斜計や地下水に関する観測などのデータも含めて収録されている．これらの磁気ディスクメモリーの全ての観測データは1週問分の表1各成分の感度．
Tab1e1The

sensitivity

digitalstrain皿eter★

DCcomponent

★★

ACof

each

component．

ou亡putanalogue

1，173・10一昌・m2／digit1，854・10−9㎝2／digi仁榊thermometer

1，221・10一いc／digit

barometer

9，！55・10一ヨmb／digit★★共共327．7「a■noutput

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1．20・10−5cm2／ful！s．ale1．90・10→㎝2／fu11。。a1。

0，125

37．5

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★

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★★

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period★★去★

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dB。

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dB．

the1ongwave

recorder．

step

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precipitation．

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一ユ05一mb／fu11sca1e
共決荒★
・t・p／h・1f…1・共決

isseismic．c／fu1ユsca1e

国立防災科学技術サンター研究報告

表

1ong

Periodseismicwave

ink−dot

1983年11月

2各種記録の方式．

Tab1e2Chaエacte正istics

rea1−time

第31号

processorofエecoエdingsystems。

sampling「ange

1／60Hz16bit

112bi仁recorderrecorderHz一

10bit／ful1

sca1e

データをまとめて磁気テープに書き出している（大久保他，1982）．3成分ひずみ計の観測データについては，この磁気テープから観測点ごとに抜き出して4か月または6か月分のデータをユ巻の磁気テープに編集している。

モニター用打点式記録計は，テレメータされたユ6bitのディジタル信号のうち下位10bitをDA変換して記録している．ただし，雨量計および気圧計の信号については上位または中位の10bitをDA変換している．

筑波の防災センターにおいて記録されている各成分の感度を表1に，またサンプリング周期と記録ビット数を表2にまとめる．

4．長周期地震波記録装置

地殼変動連続観測に用いられる傾斜計，ひずみ計などは一般に周期数秒ないし数十秒からDCまでフラットな周波数特性を持っているので，長周期地震言十としても有用な観測データが得られる．関東・東海地域に展開された防災センターのボァホール式傾斜計の観測網においても，計算機処理システムにおいてトリガー式で長周期地震波の収録を行うことが計画された．しかし，記録媒体として磁気ディスクメモリーしか使えず，小さなバッファ領域しか確保できなかったこと，バッファーメモリーによる遅延がなかったことなどから実用的なものとはなっていない．そこで3成分ひずみ言十の観測においては，高ダイナミックレンジで比較的安価なディジタルカセットテープを記録媒体として用いたトリガー式の長周期地震波記録装置を各観測点ごとに1台ずつ設けることにした．観測点数が多くなった場合には計算機処理システムによって一括してモニターおよび収録を行う方が維持・管理の点で優れている
ので，次期計算機処理システムヘの移行時には，言十算機処理システムによって全観測点のデータを一括して収録する方式に切り換えることも検討している．

図5に現在の長周期地震波言己録装置およびその処理装置のブロック図（左側）を示す．長周期地震波記録装置は8085相当のCPUを搭載したMP
一106一Uボード（A8501A）を用いたマイ3成分ひずみ計の観測，記録およびデータ処理方式一島田・坂田・野口「一一・・一「 「一一一一．・一「CPu｛8080〕
I 1 CPu ｛Z80B〕
1 I MEM 256K8

111CLKI
112bit1

セ1㎝6trysy5t釦

11 I
1 1 CRT
1 1．

X−tall

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一1FO1くFOK

PRT

IcMτ一1一一ドcMT

1 ■
I I，I

XYP

L一．・＿＿＿」L＿＿＿＿＿＿＿」

収銀装日

表示・処理用パーソナル．コンビュ■タ1

図5Fig．5

長周期地震波収録・処理システム図．

Recoエd㎞g and pエocessing
bo工eho1e st正ainmete工．

systemfo正the1ong

peエiodseismic

databythet㎞ee−component

クロコンピューター制御方式の記録装置で，テレメータ装置から入力した3成分のアナログ信号は1Hzのサンプリングレートでユ2bitでAD変換され，常時64秒分のデータがバッファメモリーに蓄えられている一新しく入力したデータと過去64秒間のデータの平均値との差が2回連続して最初に設定したトリガーレベルを越えた場合トリガーがかかり，バッファメモリー中の60秒前のデータからディジタルカセットテープヘの収録を開始する．また，新しく入力したデータと過去64秒問のデータの平均値との差が60回続けて収束レベル以内に収まるとディジタルカセットテープヘの収録を終了する．ディジタルカセット収録部（CMT）

はティアック社製MT−2を用いている．ブロック長は256バイトで半ブロックに1成分ユ分問分のデータを収録し，データの前にラベル部を半ブロック付加して2ブロックで1分問分のレコードとしている．1巻のカセットテープに7時間以上のデータを収録できるのでカセットテープの終了による欠測はほとんどない．なお，この記録装置は刻時用に内部の水晶時計（X−ta1CLK）を用いているので数秒以内の時刻の誤差が避けられない．

5．長周期地震波記録の処理

長周期地震波データは，現在はパーソナルコンピューター（沖電気製if−800mode130）によって処理されている．これは現在の防災センターの大型計算機の周辺機器としてディジタルカセットテープが使えず，また端末としてパーソナルコンピューターを利用するのも難しいこと，この記録程度の量のデータの処理にはパーソナルコンピューターでも十分なことなどのためである．

一107一

国立防災科学技術センター研究報告第31号

玉983年11月

現在用いている処理用パーソナルコンピューターのシステム図を図5右側に示す．この言十算機はCP

UとしてZ80Bを用い，メモリー（MEM）はバンク切換えにより256KBを持つ．また，OSとしてCP／Mを用いており，8ビットのパーソナルコンピューターとしては高級機に属する．周辺機器としてはディジタルカセットテープのほかX

YYプロッター（XP）も利用でき，またCRT上のディスプレイ画面をプリンター（PRT）にハードコピーにとることもできる．また2台の8インチフロッピーディスクメモリー（FDK）はそれぞれ約ユMBの容量を持っている．
カセットテープに収録された長周期地震波データは，再生してフロッピーディスクメモリーに移され，保存される．フロッピーディスク上では1つのトリガーイベントが1つのファイルを形成し，観測点名と年月日とそのシーケンスナンバーがファイル名になっている．1
つのフロッピーディスクには40時問分以上のデータが収容できる．

フロッピーディスク上のデータファイルはCRTにディスプレイして編集したり，プリソターにハードコピーをとることができる．また，プロッターに出力することもできる．図6にはハードコピーの例として，茨城県八郷町で観測された1982年12月28日の三宅島近海の地震（MJMA6．4）の記録を示す．さらにこの計算機は大体JISの水準7000に相当する簡単なフォートラン（FORTRAN80）が使用できるので，地震の到来方向のひずみ量を計算するなどの簡単な処理が可能である、実際，上記の処理プログラムも入出カルーチン以外はフォートランで書かれている．

YSτ1
1982122815−37：50

N0

一120

一2

1．13．
図15！3．

1514．

1．1

1

O

15！4。

6長周期地震波の収録例．茨城県八郷町に設置した3成分ひずみ計で観測された三宅島近海の地震（1982年12月28日，MJMA6．4）の記録のハードコピー．

Fi＆6

An

examp1eof

therecordof

the1ong

Pe工iodseismic

e班thquake（Decembe工28・1982；MJMA6．4）observed
theth正ee−component

boエeho1e

st正ainmeteエ．

一ユ08一atdata；seismogIam

Yasatoofthestation，Ibamki

nea工Miyakejima

P工efectureby3成分ひずみ計の観測，記録およびデータ処理方式一島田・坂田・野口
6．

まとめ防災センターにおけるボアホール式3成分ひずみ計の観測および記録・処理の方法をまとめた．

1）3成分ひずみ言十のセンサーから出力された信号は，DC成分，AC成分と呼ぶ2つの成分に分けて増幅，フィルター処理されて，テレメータ装置に入力されている．テレメータ装置は入力信号を毎秒16bitでAD変換して筑波の防災センターへ伝送している．防災セン
ターで得られる信号の周波数特性は，DC成分は周期約100秒からDCまでフラットな特性，AC成分は周期約15秒から約工000秒までフラットな特性である．

2）防災センターでは3成分ひずみ計から得られるデータを3つの種類の方式で記録している．ユつは計算機によるリアルタイム処理であり，計算機は毎正分の16bitのディジタル信号を磁気ディスクメモリー上に収録している．もう1つはモニター用の打点式記録計による記録で，16bitのデータのうち下位10bitをDA変換して記録している．
3）データの記録方式の最後の1っはAC成分についての長周期地震波のトリガー式記録で，信号の上位12bitについてディジタルカセットテープに1Hzのサンプリングで収録している．この記録はパーソナルコンピュータで再生・処理され，フロッピーディスク上に収録され保存される．このパrソナルコンピュータでは，データをCRTにディスブレイしてプリンターにハードコピーをとったり，プロッターに出力することができるほか，フォートランを使って簡単な処理を行うことができる．

謝辞

当センター第2研究部地震防災研究室の笠原敬司研究員にはif−800パーソナルコンピューターの使用に関していろいろな便宜をはかっていただいた．また同研究部地殼力学研究室の岡田義光室長にはこの観測および記録・処理の方式全体についてさまざまの助言をいただ
いた．ここにあわせて深く感謝する．

参考文献

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2）泉末雄（1978a）1松代における埋込式ひずみ計の観測について（第1報）（外気温度の影響）．
験震時報，42，11−17．
3）泉末雄（1978b）：松代における埋込式ひずみ計の観測にっいて第皿報（地震動に対する応答）．
験震時報，42，51−54．
4）松村正三・大久保正・勝山ヨシ子・浜田和郎（1979）：計算機による地殼活動観測データ処理シス
テムーオンラインリァノレタイムシステムー．国立防災科学技術センター研究速報，No35，1−
18，5）大久保正・佐藤春夫・松村正三（1982）1グラフィックディスプレイ装置を用いた地殻傾斜変動図

一109一

国立防災科学技術センター研究報告第31号

1983年11月の作成．国立防災科学技術センター研究報告，池27，145−157．
6）Sacks，I．S．，S．Suyehiro，D．W．Evertson and Yl Yamagishi（1971）：Sacks−Evertson
Strainmeter，Its Insta11ation in Japan and Some Pre1iminary Resu1ts Conceming
Strai早Steps．pαρε閉iη〃θ淀orologツαηdGθoρんツ8jc∫，22，195−208．

7）坂田正治（1981）1新しく考案したボアホーノレ式3成分ひずみ計．国立防災科学技術センター研究報告，Nα25，95一ユ26．

8）Sakata，S．，S．Shimada and S．Noguchi（ユ982）1Contimous Crusta1Observation inKanto District，a Trip1e Junction Area，by New Type Three−Component Borehole
Strainmeters．Proc，q〃加Gεηεm〔伽flηgSocietyofJapan，o∫伽五κ，τoん〃，〃町7−！与198Z

TheGeodetic226−232．

9）佐藤春夫ら（工980）1孔井用傾斜計による地殻傾斜観測方式の開発．地震2，33，343−368．
（1983年6月8日

一ユユ0一

原稿受理）