東海大学海洋研究所研究報告第 28 号（2007）37 − 48 頁

Bull. Inst. Oceanic Res. & Develop., Tokai Univ.（2007）, 28, 37 − 48

海底地殻変動観測における温度・圧力連続計測
杉 本 慎 吾 1）・田 所 敬 一 1）・佐 柳 敬 造 2）・生 田 領 野 3）・
奥田

隆 1）・長 尾 年 恭 2）・安 藤 雅 孝 1）

Continuous Measurements of Temperature and Pressure in Seawaterfor GPS/Acoustic Seaﬂoor Positioning
Shingo Sugimoto1）, Keiichi Tadokoro1）, Keizo Sayanagi2）, Ryoya Ikuta3）,
Takashi Okuda1）, Toshiyasu Nagao2）and Masataka Ando1）

Abstract
Observations of seaﬂoor crustal deformation are very important to understand the dynamics of plateboundary that include strain accumulation processes before great interplate earthquakes. Since 2002, we havebeen developing an observation system for monitoring of seaﬂoor crustal deformation at the Suruga Troughwhere Philippine Sea plate is subducting beneath the Eurasian plate. This system consists of two main
components;（1）kinematic GPS positioning of an observation vessel and（2）accurate acoustic measurementsof distance between a transducer attached on the side of vessel and a transponder located on the seaﬂoor.
Repeated measurements of the seaﬂoor transponder can reveal directly the seaﬂoor crustal deformation at
the focal area of interplate earthquakes. The primary purpose of our observation is to detect and monitor thecrustal deformation process caused by the plate subduction.
Due to the assumption of zero spatio-temporal variation of acoustic velocity in certain time period, ourmethod of seaﬂoor positioning cannot estimate smoothly the temporal change of acoustic velocity. This causeda systematic error on travel time residual and incorrect positioning by about 2-3 cm. To address this problem,
we measure the sound speed proﬁle of seawater using a CTD（ C : conductivity, T : temperature, D : depth ）proﬁler three or two times per an observation period of about 5 hours. Moreover, temperature and pressure（TP）distribution at different depths was obtained by four or ﬁve TP sensors ﬁxed every 100 meters on a
towing rope from the vessel. We will here report the method of the TP measurement and the result of space-

1） 名古屋大学大学院環境学研究科〒 464-8602 名古屋市千種区不老町

Graduate School of Environmental Studies, Nagoya University. Furo-cho, Chikusa-ku, Nagoya 464-8602, Japan2） 東海大学海洋研究所〒 424-8610 静岡市清水区折戸 3-20-1

Institute of Oceanic Research and Development, Tokai University. 3-20-1 Orido, Shimizu-ku, Shizuoka 424-8610,
Japan3） 東京大学地震研究所〒 113-0032 東京都文京区弥生 1-1-1

Earthquake Research Institute, University of Tokyo. 1-1-1 Yayoi, Bunkyo-ku, Tokyo 113-0032, Japan（2006 年 9 月 19 日受付／ 2007 年 1 月 25 日受理）

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杉本慎吾・田所敬一・佐柳敬造・生田領野・奥田 隆・長尾年恭・安藤雅孝

time distribution in the study area. The measurement showed the maximum spatial heterogeneity of acoustic
velocity of about 0.50 - 0.85 m/s within the distance of about 500 m.

1．緒言

日本列島下では太平洋プレートやフィリピン海プ
レートが沈み込み，海溝やトラフ沿いに巨大地震が発的な手段として，測地測量で得られる地殻変動データを解析することによって，応力蓄積を引き起こしているプレート境界面の固着領域の推定が可能である（例
えば，Sagiya, 1999）．

生する．このような海溝型の巨大地震は，プレートの近年，国土地理院によって日本列島上の GPS 連続

沈み込みに伴って陸側プレートが引きずり込まれるこ観測網が整備され（宮崎・畑中，1998），GPS 観測点のとで生じる応力の蓄積が原因である．応力が限界に達

相対位置の変化が歪として 10 7 から 10 8 程度の精度ですると，プレート境界面上で動的なすべり（大地震）を日々監視されている．陸上における地殻変動は空間的生じて応力が解放される．その後再び，地震前と同様にも時間的にも理想に近い観測が実現されている．しに，プレート境界に応力が蓄積される．したがって，かし，日本列島周辺のプレート境界はそのほとんどがプレート境界で将来発生する大地震についての長期的海底下にあるために，プレート境界面の固着域の推定な予測のためには，過去および現在における応力蓄積には，陸上の観測点だけでは不十分である（Nishimuraの様子を把握することが必要不可欠である．しかし，et al., 2005）．また，直前予測や巨大地震発生後の震源残念ながら長期的かつ広域的にプレート境界面の応力過程の研究においても同様のことが言える．したがっを直接測定することは非常に困難である．一方，間接て，海底での地殻変動観測が不可欠である．

--

そこで，近年，海底地殻変動観測システムの開発が行われている（Spiess et al., 1998; Asada and Yabuki,
2001; Fujimoto et al., 2001; 田所ほか，2001）．プレートの運動速度を考慮すると，目標とする海底測地精度は年間の変位量として数 cm 以下に設定しなくてはならない．陸上の地殻変動観測とは異なり，GPS シグナ
ルは海底まで届かないので超音波を利用した海底測地手法の開発が行なわれている．超音波を使って海底測地を行なう以上，海中での音波の伝搬速度の時間・空間での変化を考慮に入れなくてはならない．本論文では，海底測地において重要である，海中の音速構造の実測方法とその結果について報告する．

2．海底地殻変動観測システムの概要
我々は，海底の地殻変動を計測するために，キネマ
ティック GPS 測位と音響測距を組み合わせた手法で，海底に設置したトランスポンダ（海底局）の位置決定を目的とした海底地殻変動観測システムの開発を行なっ
Fig. 1 Schematic illustration of the GPS/Acoustic
positioning system for the seaﬂoor crustal
deformation observation adopted from
Tadokoro et al.（2003）. The position ofan observation vessel is determined bykinematic GPS technique. Slant ranges
between a hull-mounted transducer andseaﬂoor transponders are measured using
acoustic signals.

ている（Fig. 1）．音響測距では，観測船に装備したトランスデューサ（船上局）−海底局間の超音波走時を測定する．キネマティック GPS 測位は，その走時測定を行なっているときの船上局の位置を決定する．1 回の洋上観測中に走時測定を様々な場所で行なうことで，海底局の位置が決定できる．この観測を繰り返すことで海底における地殻変動を実測することができる．

海底地殻変動観測における温度・圧力連続計測

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Fig. 2 Schematic diagram showing the timing of transmission and reception of acoustic signals between theseaﬂoor transponders and the onboard unit.
音響測距

MHz のルビジュウム原子時計を装着し，5 Hz サン

海底局の測距には 6 波 5 次の M 系列信号を用いる．

プリングで GPS 信号を収録する．両測位観測点には搬送波周波数は 12.987 kHz で，信号長は 14.322 ms

チョークリングアンテナを用いる．キネマティック

である．Fig. 2 に音響測距の動作タイミングを示す．

GPS 測位によって決定されるのは GPS アンテナ位置

観測海域には，3 台の海底局で一辺 600 m 程度の三角であるが，音響測距データを用いて海底局の位置を決形アレイが設置してある．船上局は，GPS タイムサー

定する際には，舷側に装備した長さ 4 m 程度のポーバで時刻同期をとり，8 秒間隔で目覚まし信号（海底局

ルの先に取り付けたトランスデューサの位置が必要とが測距信号を待ち受ける状態にする信号），海底局識なる．そこで，GPS アンテナとトランスデューサと別信号（ともに正弦波），M 系列測距信号を海底局にの相対位置をレーザー測距儀で測定し，観測船の方位送信する．海底局は，受信した測距信号そのものを一角とローリング，ピッチングも GPS 観測と並行して定時間後に船上局に返信し，その後，低消費電力モー測定する．以上より，観測船の揺動を考慮に入れて船ドに切り替わる．海底局から返信された測距信号は，上局の位置を正確に計算する．

16 ビット，500 kHz で A/D 変換を行ない，波形記録

海中音速プロファイル測定装置に収録される．サンプリング間隔 500 kHz は片海底局位置解析では，海中音速の時間変化推定や理道（船上局から海底局まで，あるいはその逆）の測距

論走時計算のために，実際の海中音速の深さプロファ

分解能約 0.3 cm に相当する（ただし，海中音速を 1500

イルが必要である．そこで，CTD（C：電気伝導度（塩m/s と仮定した場合）．収録した観測波形と理論波形分），T：海水温度，D：水深（水圧））測定をおこなう．

との相関処理によって，正確な往復走時が計算される．

CTD 測定は，ワイヤーで繋いだ測定器を海中に投下

キネマティック GPS による船上局測位することで上述の物理量を水深 1 m ごとに測定する．

キネマティック GPS 測位には，Thales iCGRS 受

この測定を 1 回の洋上観測中に数回行ない，その測信機を船上と陸上両方に用いる．両受信機には，10定データから Del Grosso（1974）の変換式に基づいて，

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杉本慎吾・田所敬一・佐柳敬造・生田領野・奥田 隆・長尾年恭・安藤雅孝

海中音速値を計算する．海中音速は，海水温度に強く定して計算したものとした．式（3）は依存している．CTD 測定には，SeaBird 社製の SBE
25 Sealogger CTD を使用した．このセンサーの測定
精度を Table 1 にまとめる．

3．海中の温度・圧力連続計測の背景のように書き換えられる．海底局 3 台に対する全測

海底局位置解析手法
現在の海底局位置解析手法は，海中音速構造の時間

線での観測データに対して，走時の残差二乗和を変化と 3 台の海底局の重心位置を同時に推定する（以最小にする海底局位置と音速補正係数パラメータ後，この手法を同時推定と呼ぶ）（Ikuta et al., 2004 ;を繰り返し計算することで最適

Sugimoto et al., 2006）．この方法では，海中の音速構解を求める．

造はある一定時間は水平成層で一定であると仮定す

海中音速構造が水平成層で一定である時間間隔のる．その一定時間で測距した観測点の集合を一つの測決め方を説明する．まず，観測点分布が一様になるよ

線とすると， 番目の測線での水深 までの海中音速

うに観測データを 2 グループに分けて，一方のデータ

プロファイル

セットを half 1，もう一方を half 2 とする．全観測デー

イル

は，測定された海中の音速プロファに，補正係数を乗算することで式（1）のように表される．

タセットを all とする．次に，それぞれのデータセッ
トに対して海底局位置解析を行なう．その際に，海中音速構造が水平成層で一定であると仮定する時間を30 秒から 2 時間の間で様々な時間間隔で測線を区切

番目の測線で， 番目の海底局（位置をする）に対する 番目の観測走時で計算される理論走時

との残差

と

と波線追跡法は，である．これを線形方程式

る．half 1, half 2, all のデータセットから求められた海底局位置をそれぞれとする．1 回の観測で海底局位置が変化しないと仮定して，が最小になるとき，海中音速が水平成層で一定である
最適な時間であると判定する．このときのが観測ごとに決まる海底局位置とする．
海中の温度・圧力連続計測の意義
Sugimoto et al.（2007）で は， 繰 り 返 し 行 な っ た
CTD 測定から連続的な海中音速構造の時間変化デー
タを作成し，それを基にして海底局 1 台だけでその位置を決定する手法を考案した（以後，この手法を単独測位と呼ぶ）．この単独測位は，同時推定においてで近似する． は繰り返し計算の数を表す．海底局として，海中音速構造の時間変化を既知としたの初期位置は，海中音速を半無限均質の海中音速と仮ときの解析方法と原理的に同じである．そこで，擬似Table 1 Speciﬁcations of CTD（SBE 25 Sealogger）and TP（SBE39）sensor.

海底地殻変動観測における温度・圧力連続計測

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データを用いて，2 つの海底局位置解析手法の性能評である．さらに，同時推定に対しては，測定データを価を行なった．海中音速構造の時間変化を適当な正弦

先験的に解析に組み込むことで，海底局の位置決定精関数で仮定し，海底局と観測船位置を既知として作度が向上する．一方，単独測位に対しては，広範囲に成した擬似走時データ（波線距離で標準偏差 7.5 cm の効率的に海底測地観測網の配備が可能になる．単独測

ランダム誤差を与えた）をこの評価に用いた．その結位は，同時推定と異なり，複数の海底局を必要としな

果，海中音速構造の時間変化を与えて解析を行なう単いからである．いずれの手法においても，連続的な海

独測位による海底局位置は，1 cm 未満の差で既知の中音速構造の計測データは非常に有益であると考えら

海底局位置と一致した．しかし，この解析には使用しれる．

た海中音速構造が正確であるとういう条件が必要であ

海中音速構造の測定における重要な点は，海中音速る．一方，ある時間の海中音速構造を水平成層で一定の時間変化が大きい領域で連続かつ正確に測定するこであると仮定する同時推定による海底局位置は，既知とである．Sugimoto et al.（2006）では，駿河湾北東海とした海底局位置から 2-3 cm 食い違った．これは，域での 27 時間の走時測定と並行して，27 回の繰り返

連続的に滑らかに変化する海中音速をある一定時間

し CTD 測定を行なった．その結果，海中の音速構造は不変であると仮定したために，その一定時間の両端の時間変化が大きい領域は水深 500 m 程度より浅いで走時残差に系統的な誤差が生じ，海底局位置が食い領域に限られることが分かった．さらに，塩分の時間

違ってしまったことが原因であると考えられる．最短

変化は，海中音速の時間変化に 2 cm/s 以下の影響し時間で測線を区切って海底局位置解析を行なっても，か与えない．以上のことから，本報告では，海中の温実際のデータでは必ずしも式（5）を最小にするとは限度・圧力の連続計測による海中音速構造について議論

らない．現在の海底局位置決定の再現性（水平成分でする．

± 3 cm）を考えると，この食い違いは大きい．
連続的な海中音速構造の計測データは，海底局の4．海中音速の連続計測

位置決定の再現性を良くするための基礎研究（例えば，

駿河湾北東海域（Fig. 3（a））で，2006 年 1，2，5，6，

海中音速の時間変化の推定手法の改善）に非常に有効

7 月中のそれぞれ 2 日間の海中音速計測を行なった．

Fig. 3 （a）Instrumental distribution around Suruga Trough. Each solid triangle denotes a triangular arraycomposed of three transponders. The solid circle denotes the site of an on-land reference GPS
receiver MIHO. Open triangle is the northeastern array used in this study. Numbers in the seaﬂoor
indicate the bathymetry in meters.（b）Acoustic ranging points plotted on the vessel tracks. Threetriangles denote the positions where seaﬂoor transponders installed on.

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杉本慎吾・田所敬一・佐柳敬造・生田領野・奥田 隆・長尾年恭・安藤雅孝

計測には CTD 測定器と最大 5 台の温度・圧力セ
ンサーを用いた．以下，測定器別に測定結果を述べる．
CTD 測定各月 2 日間の観測で複数回行なった CTD 測定から計算された平均的な海中音速の深さプロ
ファイルを Fig. 4a に示
す． 各 月 の 平 均 的 な 海
中音速の深さプロファイ
ルは，海水の混合層の増減と海中音速の深さ方向の変化率で特徴付けられ
る．1，2 月 の プ ロ フ ァ
イ ル で は， 水 深 お よ そ100-150 m の間は海中音
速 が 一 定 で， 厚 い 混 合層が形成されていた．一方，5，6，7 月 は， 日 射により海面が温められるために混合層は薄くなっ

Fig. 4 （a）Depth proﬁles of the acoustic velocity in the study area（northeasternarray in Fig. 3 a ）, which were measured by CTD in January, February,
May, June, and July, 2006.（b）Depth proﬁ les of differences between
maximum and minimum velocities for each depth in the measurements.

ている．この現象に対応して，海中音速の深さ方向の変化幅は 2 月が最小で 1.5度・圧力センサー 5 台の個体差を見積もるために水槽%，6，7 月が最大で 3.1 % であった．

を用いて実験をした．使用したセンサーは，SeaBird

各月 2 日間で行なった複数回の CTD 測定による海社製の SBE39 である．このセンサーの測定精度を

中音速の深さプロファイルを比較して，その複数のプ

Table 1 に示す．そして，Fig. 5 に水槽実験結果を示

ロファイル各層での音速の最大値と最小値の差を Fig.

す．洋上での計測時間と同程度の約 4 時間で，この水4（b）に示す．各観測で行なった全ての CTD 測定は，

槽実験を行なった．その実験中に，圧力センサーのFig. 3（b）の原点（北緯 34 度 55.94 分，東経 138 度 41.00

応答をみるために，途中で水を加えて水深をおよそ 4分）から始め，水深 800 m 程度まで行なった．測定にcm 増加させた．圧力の測定精度が 6 kPa（水深にして掛かる時間はおよそ 30 分である．各 CTD 測定はおおよそ 0.6 m 相当）であるにもかかわらず，すべてのよそ午前 10 時から午後 3 時までの間で最大 3 回行なっセンサーで 0.3-0.4 kPa（水深にして 3-4 cm）の圧力変た．この測定条件下では時間的な変化の効果の方が空化を検出した．5 台のセンサーの計測値は，適当な同間変化の効果に比べて大きい．音速値の最大変化量の一の塩分値を用いて，Del Grosso（1974）を基にして水深さ方向の平均値は 1.3 m/s であった．この速度変化

中音速値に変換した．5 台の温度圧力センサーの測定に対応する温度変化は，0.35 ℃である．さらに，季節値は，0.1 ℃，6 kPa 以内で一致し，音速値に換算しや日周変化に関わらず，700 m 以深の音速値はおよそて 0.25 m/s 以内の個体差であった．Table 1 から分か

1480 m/s で概ね一定であった．

るとおり，今回の実験で用いた CTD 測定器もほぼ同

温度・圧力の連続計測

じ仕様の温度・圧力センサーである．以上のことから，洋上での温度・圧力の連続計測の前に，使用する温この 2 種の測定器の測定音速差は 0.25 m/s 以内と見

海底地殻変動観測における温度・圧力連続計測

Fig. 543

Result of performance test of the ﬁve TP（T : Temperature, P : Pressure）sensors.

Fig. 6 Example of measurement of acoustic velocity by using of CTD and TP sensors under the vessel
tracks.

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杉本慎吾・田所敬一・佐柳敬造・生田領野・奥田 隆・長尾年恭・安藤雅孝

積もられた．

タを 3 秒サンプリングでセンサー内のフラッシュメモ

音響測距と並行して，最大 5 台の温度・圧力センサー

リに収録した．温度・圧力の連続計測による海中音速による連続計測を駿河湾北東海域で行なった．先端に測定結果の一例を Fig. 6 に示す．海底測地のために，

錘（約 150 kg）をつけたロープに各センサーをおよそFig. 3（b）に示すような航跡を描きながら，温度・圧100 m 間隔で固定して海中に投入した．温度・圧力セ力の連続計測を行なった．そのような航跡を描くためンサーが水深 600 m 耐圧であるので，それに注意しに，観測船を方向転換させる．そのとき，観測船が減てロープを調整しながら曳航した．温度，圧力デー

速すると，それに伴って温度・圧力センサーが降下すFig. 7 （Upper side）Temporal variation of depth
proﬁ les of acoustic velocity obtained by
the method I. This variation were based on
the continuous measurements of TP and
CTD proﬁling in（a）January,（b）February,（ c ）M a y , （ d ）J u n e a n d （ e ）J u l y , 2 0 0 6 .
Measurement positions of TP sensors aredenoted by four or ﬁve white plots.（Lowerside） Time-series of acoustic velocity
average of each proﬁle in upper ﬁgure（blueplot）. Red crosses denote the averaged
acoustic velocity measured by CTD only.

45

海底地殻変動観測における温度・圧力連続計測

る．逆に加速するとセンサーは，海水の抵抗で上昇す程度であることから有意な変化である．温度・圧力のる．その様子が Fig. 6 に表されている．連続的に計測

曳航測定を行ないながら CTD 測定を行なうときは，した温度・圧力データと，1 回の洋上観測中に 1-3 回

操船の安全を図るためにエンジンを止めて漂流しな行なう CTD 測定データを用いて，観測船下の海中音

がら両計測を同時に行なった．1 月と 7 月の 2 回目の速の深さプロファイルが連続的に得られる．さらに，CTD 測定は，ほとんど観測船が漂流しない状況で同

温度・圧力センサーが上下することで，各層での測定

時測定が行なえた．その同時測定を行なっているとき値が得られる．そのことで各層の測定値に対して時間は上述の短周期変化が現れていない．この両振幅で最方向に補間が可能になる．つまり，この連続計測デー

大 0.85 m/s の短周期の音速変化の原因については論

タから観測船下の時間−深さの二次元で海中音速構造

議にて後述する．

を求めることができる．連続的な海中音速構造の時間変化データの作成方法を以下に示す．

二つ目は，A プロファイルに温度・圧力連続計測
データをそのまま組み込む方法である（以後，方法 2

浅田・矢吹（2001）は，熊野灘で海底測地実験を行と呼ぶ）．同時刻に 4 または 5 台の温度・圧力センサー

なった．そのときの海底局アレイ間隔は，1 km 程度

による計測を基にした音速値を直線で補間し，温度・であった．その環境下で海中音速構造を水平成層と仮圧力センサーによる測定値のみで海中音速プロファイ

定して海底局位置解析を行なった．その結果，船上局

ルを作成する．その作成したプロファイルと A プロと 3 台それぞれの海底局で計算される理論走時がこのファイルとで，時刻と深さで一致する部分とを入れ換仮定で整合性が取れたことから，当時の海中音速構造える方法である．ここで，方法１と方法 2 を比べると，の水平方向の均質性が良かったと報告している．こ方法 2 で得られる海中音速データは，最深部と最浅部の例に基づき，海底局アレイ間隔が約 600 m の本観を測定する温度・圧力センサー間は実測であるために，

測サイトにおいても，海中音速構造を水平成層と仮定

温度・圧力の連続計測データが強調される．その結果した．この仮定により，観測船下の海中音速構造の各を Fig. 8 に示す．海中音速の深さ平均値は，方法 1 よ層の測定値は一定であるとして，温度・圧力計測デー

り滑らかな変化になって，両振幅で最大 0.50 m/s 程タを時刻で合わせて取り扱った．速度構造の時間変化

度の短周期変化に減少した．

データの作成には，最も浅い領域を計測する温度・圧力センサーが海中にある時間帯の計測データを使用し

5．論議

た．初期段階として，複数回行なった CTD 測定デー

まず，方法 1 で得られた両振幅で最大 0.85 m/s 程タを用いて，各層の音速値を時間で内挿することで連度の数分周期の平均音速変化について考察する．そこ

続的な海中音速プロファイルを作成した（以後，ここで，1 月と 7 月の 2 回目の CTD 測定を行なった時間で作成した連続的な海中音速プロファイルを A プロ

帯で CTD と温度・圧力センサーによる測定データにファイルと呼ぶ）．ここで，温度・圧力センサーによ注目する．前述したとおり，同時に測定を行なうとき

る連続計測データを以下の 2 通りの用途で使用する．

は，観測船のエンジンを止めた．このとき CTD 測器

最終的には，海中音速プロファイルの深さ方向の平均は，鉛直に降下するが，温度・圧力センサーは，鉛直値の時間変化データを作成する．

方向からある角度で傾いて吊るされた状態であった．

一つ目は，A プロファイルを温度・圧力連続計測

その後，時間が経つにつれ徐々に温度・圧力センサー

データで補正をする方法である（以後，方法 1 と呼ぶ）．

は鉛直方向に並んだ．つまり，この時間帯で最深にあA プロファイル中の音速値と 4 または 5 点の温度・圧

る温度・圧力センサーと CTD 測器との空間的な隔た力連続計測データで時間と深さで一致するときの両者

りは，およそ 500 m から 10 m 程度に変化したと推定の音速値の差をとる．それを基にして，最小二乗的にされる．両測器の測定位置の違いが 500 m 程度の時補正量を計算し，海中音速プロファイルの深さ方向のは，深さ方向での平均音速差が両振幅で最大 0.85 m/s

平均値の時間変化データを作成した．その結果を Fig.

であった．これに対し，10 m 程度までに測定位置が7 に示す．海中音速の深さ平均値に両振幅で最大 0.85

近づくと，平均音速差が 0.25 m/s 以下になった．つ

m/s 程度で数分周期の短周期変化がある．CTD 測器

まり，この両振幅で最大 0.85 m/s 程度の数分周期のと温度・圧力センサーの測定音速値の差は 0.25 m/s

平均音速変化は，海中音速の空間不均質構造に起因す46

杉本慎吾・田所敬一・佐柳敬造・生田領野・奥田 隆・長尾年恭・安藤雅孝

るものと考えられる．同様の理由で，方法 2 で得られいても考察する．その間の温度・圧力センサーが固定た両振幅で最大 0.50 m/s の数分周期の平均音速変化されたロープは，海面に対して傾いて入って曳航されも，空間不均質構造に起因すると考えられる．つまり，ていた．そのために，計測値を時間でそろえて扱ってCTD と温度・圧力センサーの測定位置のずれにより，

しまうと，鉛直方向から傾いた海中音速プロファイル

両振幅 0.50-0.85 m/s で数分周期の平均音速変化が見を作成したことになる．しかし，海中音速構造が水平かけ上生じたと考えられる．

成層であるという仮定から，この傾いた音速プロファ

次に，温度・圧力センサーを曳航しているときにつイルと初期段階で作成した連続的な海中音速プロファ

Fig. 8 （Upper side）Temporal variation of depth
proﬁles of acoustic velocity obtained by themethod II. This variation were based on
the continuous measurements of TP and
CTD proﬁling in（a）January,（b）February,（ c ）M a y , （ d ）J u n e a n d （ e ）J u l y , 2 0 0 6 .
Measurement positions of TP sensors aredenoted by four or ﬁve white plots.（Lowerside） Time-series of acoustic velocity
average of each proﬁle in upper ﬁgure（blueplot）. Red crosses denote the averaged
acoustic velocity measured by CTD only.

47

海底地殻変動観測における温度・圧力連続計測

イルとはある程度一致するはずである．ところが，両潤研究員，ならびに，東海大学海洋学部の学生の皆様

海中音速プロファイルは一致しなかった．これは，海には，洋上観測での作業やデータ収録にご協力いただ

中音速構造を水平成層とした仮定と実際の構造とのずきました．また，1 名の査読者の方には，内容や表現れを意味する．こうした誤差を補正するには，曳航中を改善するのに有益なコメントを頂きました．ここにの温度・圧力センサーの位置と海流や潮汐流の速度を記して感謝いたします．

測定するか何らかの方法で推定しなければならない．

引 用 文 献海底局位置解析手法のところでも記したが，同時推定において，海中音速構造の時間変化を滑らかかつ連

Asada, A. and T. Yabuki（ 2001）Centimeter-level

続的に推定可能であれば，海底局位置決定精度が 2-3

positioning on the seaﬂoor. Proc. Japan Academy,

cm 上がると考えられる．故に，温度圧力連続計測に

77, 7-12.

よる海中音速データを同時推定に組み込むことで，海浅田昭・矢吹哲一朗（2001）熊野トラフにおける長期地

底局位置決定精度の向上が実現される．しかし，この殻変動観測技術の高度化．地学雑誌，110, 529-543 ．

測定した海中音速データは，上述のとおり，0.50-0.85

Del Grosso, V. A.（1974）New equation for the speed

m/s の海中音速の空間変化の影響を受けている可能of sound in natural waters（with comparisons to性がある．駿河湾北東域において音響測距を行なう場

other equations）. J. Acoust. Soc. Am., 56, 1084-1091.

合の往復走時は，およそ 1-1.5 s であるので，片道のFujimoto, H., S. Miura, Y. Osada, H. Shiobara, T.

波線距離は，0.25-0.60 m 程度変わってしまう．これKanazawa, A. Sweeney, J. A. Hildebrand, and C. D.

は，海底局位置の水平成分の大きな誤差要因となる．

Chadwell（2001）Deployment of seaﬂoor positioning

今後，このような海中音速構造の時空間変化を考慮しsystem for the monitoring of seismic coupling at

た海底局位置解析手法の確立が必要になる．

AGU, 82,
the Japan Trench off Sanriku. EOS Trans. AGU

6．結論

Fall Meet. Suppl., Abstract G41A-0212.
Ikuta, R., K. Tadokoro, T. Okuda, G. M. Besana, S.

CTD 測定と温度･圧力センサーの曳航測定をするこ

Sugimoto, K. Takatani, K. Yada, and M. Andoとによって，観測船下の海中音速プロファイルを連続（2004）Ocean ﬂ oor positioning with temporal

的に測定した．そして，水平成層構造を仮定して，そvariation in acoustic velocity. EOS Trans. AGU, 85,の測定された音速プロファイルから海中音速構造を作成した．その音速構造から，深さ平均の海中音速のFall Meet. Suppl., Abstract G21A-0145.
宮崎真一・畑中雄樹（1998） 国土地理院 GPS 連続観

時間変化データを作成した．海底局位置解析における測システムの概要．気象研究ノート，192, 105-132.

海中音速の時間変化推定で，この海中音速の時間変化

Nishimura, S., M. Ando, and K. Tadokoro（2005）An

データを制約条件として利用することで，海底局位

application of numerical simulation techniques to

置（特に，鉛直成分の）決定の精度向上が期待できる．

improve the resolution of offshore fault kinematics

しかし，現状では，その海中音速の時間変化データにusing seaﬂ oor geodetic methods. Phys. Earthは，両振幅で最大 0.50-0.85 m/s で数分周期の音速変Planet. Inter., 151, 181-193.

化がある．一方，CTD と温度・圧力センサーの測器

Sagiya, T.（1999）Interplate coupling in the Tokaiの違いによる音速値の誤差は，0.25 m/s であると見

district, central Japan, deduced from continuous

積もられた．したがって，上述の数分周期の音速変化

GPS data. Geophys. Res. Lett., 26, 2315-2318.

は，主に海中の音速の空間的な不均質性に起因するものと考えられる．

Spiess, F. N., C. D. Chadwell, J. A. Hildebrand, L. E.
Young, G. H. Purcell, Jr., and H. Dragert（1998）

謝辞

本報告で行なった洋上観測は，東海大学海洋学部所Precise GPS/Acoustic positioning of seaﬂ oor
reference points for tectonic studies. Phys. Earth
Planet. Inter., 108, 101-112.

有の調査船『北斗』を利用させて頂きました．揚野静Sugimoto, S., R. Ikuta, M. Ando, K. Tadokoro, T.

昭船長，桜井富春航海士，川畑広紀上級技術員，井筒Okuda, and G. M. Besana（2007）Evaluation for

48

杉本慎吾・田所敬一・佐柳敬造・生田領野・奥田 隆・長尾年恭・安藤雅孝

GPS/Acoustic seaﬂ oor positioning based on

EOS Trans. AGU, 84, Fall Meet. Suppl., Abstract

repeated CTD measurements.（submitting to

G21D-0287.

Earth Planets Space.）

田所敬一・安藤雅孝・佐藤一敏・山田卓司・奥田隆・

Tadokoro, K., M. Ando, T. Okuda, S. Sugimoto, K.

片尾浩・岸本清行（2001）音響測距−GPS リンクにYada, and K. Takatani（2003）Observation of sea-

よる海底地殻変動観測システム開発．地学雑誌，

ﬂoor deformation in Tokai-Nankai Region, Japan.

110，521-528 ．