３.１.２

海域における自然地震観測

目次(1)

業務の内容・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・24(a) 業務題目(b) 担当者(c) 業務の目的(d) ６ヵ年の年次実施計画
1) 平成１９年度
2) 平成２０年度
3) 平成２１年度
4) 平成２２年度
5) 平成２３年度
6) 平成２４年度(e) 平成１９年度業務目的(2)

平成１９年度の成果・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・25(a) 業務の要約(b) 業務の成果
1) 機動観測型海底ケーブル・インライン式地震計の整備
a) システム設計要件b) システム基本仕様および整備ⅰ) インライン式地震計内部回路ⅱ) 陸上端局設備ⅲ) 地震計筐体iv) 光海底ケーブルv) 海中アース及び陸上アース
2) 海域における効果的設置手法等の検討
a) 陸揚げ候補地踏査(c) 結論ならびに今後の課題(d) 引用文献(e) 学会等発表実績(f) 特許出願、ソフトウエア開発、仕様・標準等の策定(3)

平成２１年度業務計画案・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・32

23

(1) 業務の内容(a) 業務題目

海域における自然地震観測(b) 担当者
所属機関
東京大学地震研究所

役職

氏名

教授

金沢敏彦

メールアドレス
kanazawa@eri.u-tokyo.ac.jp(c) 業務の目的
新潟県中越沖に代表されるひずみ集中帯とその周辺の海域において、機動観測型海底ケーブル・インライン式地震計及び自己浮上式海底地震計による海底地震観測を実施し、海域における詳細な震源分布及び地震波速度構造の三次元的分布を明らかにする。
(d) ６ヵ年の年次実施計画
1) 平成１９年度：ひずみ集中帯の海域の観測で使用する機動観測型海底ケーブル・インライン式地震計を整備するとともに、海域における効果的設置手法等の検討を行う。
2) 平成２０年度：自己浮上式海底地震計を新潟県中越沖に代表されるひずみ集中帯とその周辺の海域に設置し、地震観測を開始する。地震の発生頻度などを考慮し、比較的長期間の観測を行う。また、解析手法の開発を行う。機動観測型海底ケーブル・インライン式地震計一式の整備を行う。
3) 平成２１年度：平成 20 年度に設置した自己浮上式海底地震計を回収する。得られたデータにより、高精度震源分布を求める。
4) 平成２２年度：機動観測型海底ケーブル・インライン式地震計を歪み集中帯の海域に設置し、地震観測を開始する。得られたデータから、高精度震源分布を求める。
5) 平成２３年度：引き続き、機動観測型海底ケーブル・インライン式地震計を用いた海底地震観測を継続し、高精度震源分布を求める。
6) 平成２４年度：機動観測型海底ケーブル・インライン式地震計を用いた観測を終了する。
これまでのデータから最終的な高精度震源分布を求める。
(e) 平成１９年度業務目的
ひずみ集中帯の海域の観測で使用する機動観測型海底ケーブル・インライン式地震計を整備するとともに、海域における効果的設置手法等の検討を行う。

24

(2) 平成１９年度の成果(a) 業務の要約
ひずみ集中帯の海域の観測で使用する機動観測型海底ケーブル・インライン式地震計を整備するとともに、海域における効果的設置手法等の検討を行った。
(b) 業務の成果
1) 機動観測型海底ケーブル・インライン式地震計の整備
a) システム設計要件
東北日本の日本海側に存在するひずみ集中帯での海域における自然地震を稠密な地震観測網で安定的にリアルタイム観測するため、① 地震ケーブル構成は、インライン式地震計 4 台を 5ｋｍの間隔で接続したものとする。
②地震動計測用センサーには、高安定・高精度のサーボ加速度計を採用し、24bitAD 変喚を行なう。
③各地震計での観測データのサンプリング周波数は 1KHz、タイムスタンプ精度は 0.1msとする。
④インライン式地震計 4 台と陸上部端局装置は、ループ構成のイーサネット網のスイッチに接続された構成とし、システムの信頼性と経済性を向上させる。
⑤インライン式地震計からの観測データは陸上端局装置を経由して、広域イーサネット網を利用し地震研究所までリアルタイム伝送する。また、地震研究所から各インライン式地震計を監視・制御できるシステムとする。
⑥漁業活動海域に設置する場合、地震計およびケーブルは全て海底面下に埋設すること。
⑦インライン式地震計は汎用埋設機械で 1ｍ程度埋設可能なように小型化すること。
以上の要件を満たす機動観測型海底ケーブル・インライン式地震計の基本的仕様について、これまでの検討（Kanazawa et al., 2006a, 2006b, 2007)1),2),3)も参考して、決定した。その基本的仕様を以下に述べる。
b) システムの基本仕様及び整備
機動観測型海底ケーブル・インライン式地震計の全体システムは、図 1(P33)に示すように海中部（地震計 4 台、光海底ケーブル、海中アース）と陸上部（端局装置、陸側アース、陸上ケーブル）から構成される。
システムの基本仕様は、以下の通りである。
最大適用水深2,000 m

観測ノード数4

観測データ伝送速度

100 Mbps (IEEE802.3)

25

観測ノード間隔

5 km

ケーブル全長

25 km

刻時精度

0.1 ms

陸揚局数

1 箇所

給電設備

給電電圧 120V

運用寿命

20 年

電流 1Aⅰ) インライン式地震計内部回路
地震計耐圧容器の内部に実装する機器の構成を図 2(P33)に示す。図 3(P34)は、図 1(P33)のシステム構成での陸上部と水中部（地震計）の光ファイバーおよび電源線の接続方法を示している。
耐圧容器に実装されるのは、・加速度センサー（フィルタ回路基板付3 台）

・デジタイザ回路基板（3 枚構成）
・スイッチ/クロック基板（1 枚）・LINUX 基板（1 枚）・光トランシーバ搭載光モジュール基板（2 枚）・DC/DC 電源回路部（1 枚）・高信頼電力用ツエナーダイオード（4 個）・サージ保護回路基板（1 枚）・放熱板（3 枚）
上記の基板、部品が、回路フレームに図 4(P35)に示すように実装される。図 5(P35)は、実際に実装された写真である。
放熱板は、デジタル基板上の CPU や FPG チップの発熱を回路フレーム（アルミニウム製）を介して耐圧容器に伝導放熱するためのものである。なお、ツエナーダイオードの発熱も、回路フレーム（アルミニウム製）を介して耐圧容器に放熱される構造となっている。
なお、この放熱対策は、長期間運用する場合の半導体の信頼性の劣化を防止するためである。
地震動を計測する加速度センサーとデジタイザ回路の回路構成は、図 6(P36)に示すが、仕様は以下の通りである。
・基板寸法

70 mm×70 mm

・基板構成

3 チャンネル 24bit ADC 基板
ADC インターフェース基板

2枚1枚・信号入力

3 チャンネル×2 （1ADC 基板につき 3 チャンネル入力）

・対象センサ

ローノイズ高精度サーボ加速度計 JA-5Ⅲで 3 軸構成

・計測対象成分

鉛直、東西、南北の 3 成分

26

・計測範囲

±2.5G

・増幅帯域

DC～300Hz 以上

・分解能

1μG 以上・AD 変換方式

デルタシグマ方式

・サンプリング周波数

1kHz （6 チャンネル同期）・フィルタ特性

陸上から遠隔にて特性選択可能

・消費電力

1.5w 以下

24 ビット（加速度センサー含まず）

図 7(P36)に、製作したデジタイザ基板、LINUX(CPU)基板、スイッチ/クロック基板を示す。ほぼ、7 立方 cm に収めることができた。
LINUX（CPU）基板の回路構成を、図 8(P37)に示す。LINUX（CPU）基板の機能は、以下の通りである。
・内部時計の時刻を、陸上の GPS 時計に高精度に同期させる
・センサデータに精確な時刻（0.1ms 精度）を付加（FPGA で処理）
・時刻付観測データをパケット化し、イーサネットスイッチに転送する
・24 ビットデジタイザのパラメータ設定や加速度センサーの校正を行う
・超小型 MEMS 加速度センサ（3 軸）での観測・内部機器の電源（電圧、電流）、温度等の監視・陸上からのコマンドにより機器のリセット、電源切断等、非常時対応を行う
・陸上からのコマンドによりネットワーク等の障害時のルート再構成機能
・ネットワーク等の障害時の一時的な観測データの保管機能
スイッチ/クロック基板の回路構成を図 9(P37)に示す。この基板の主な機能は、・時刻情報クロックの受信および送信・時刻情報クロック 2 ポートの系切替制御
・自己観測情報の送信
・隣地震計からの観測情報転送
・観測情報用ネットワーク 4 ポートのクロススイッチ制御
電源部（DC/DC 電源回路部、高信頼電力用ツエナーダイオード、サージ保護回路基板）の全体構成を図 10(P38)に示す。図 11(P38)は DC/DC 電源回路基板で、伝導放熱用のアルミケースに収容している。主な仕様は以下の通りである。
・入力

定電流入力（約 1A）
定電流入力段には、サージ保護回路を設置
入力部に、電力用ツエナー回路を設置し電流入力の変動に対応する

27

DCDC コンバーター入力部、出力部にはフィルタを設置し、ノイズ対策を施すこと
・出力

電圧・電流

3.3V （5A min、7Amax） ±15V （+-250ｍA max）

最大電力

20 Wmax
4 出力

出力取り出し：3.3ｖ系±15V 系

1 出力ノイズ特性：搭載 24bitADC 性能を維持できる性能とする。
・その他

電流電圧モニター回路を設置。各電流・電圧を監視できること

ⅱ) 陸上端局設備
陸上端局設備は、給電装置により海中の地震計に安定した電力を供給し、また GPS 受信信号からの精密なクロック信号を地震計に伝送する。また 4 台地震計からの観測データや監視データを受信し、地震研究所にデータを転送する。さらに、必要に応じて地震計に制御信号（L2 スイッチ切替、電源リセット、デジタイザ制御他）を送る。
このため、陸上端局設備は図 12(P39)に示すように 24U 19 インチラックに、以下の装置が収容されている。
・インライン式地震計用端局装置：

2式

・GPS 受信機

：

1式

：

2式

：

1式

ptf 社 Global Tyme 3203A(NTP 及び IRIGB-B オプション付き)
・計測監視記録装置(1) サーバ

DELL 社 PowerEdge R200

・計測監視記録装置操作盤(1) 17 インチ LCD モニター(DELL E178FP)(2) キーボード+マウス(3) PC 切替器
・給電装置（定電流電源装置、無停電電源装置）：

1式(1) 定電流電源: 松定プレシジョン社 PRK300-5.3(2) 無停電電源装置: APC 社
・ルータ

SURTA 1500XLJ：1 式

インライン式地震計用端局装置では、図 3(P34)に示すスイッチ/クロック基板、LINUX基板および光トランシーバをマウントする 光モジュール基板は、地震計内部の基板と同じものを搭載している。
ⅲ) 地震計筐体
地震計筐体（図 13、P40）は、光海底ケーブルと光学的、電気的、機械的に接続される

28

耐圧容器と、耐圧容器内に加速度センサーおよび回路部品を固定する回路フレームからなり、ケーブル敷設船の敷設・埋設機構に適合し、一連の工事に耐えられる機械的強度を有するとともに、敷設後長期にわたり無保守で連続稼動できる特性が要求される。
耐圧容器は、加速度センサーおよび回路部品・基板を水圧から保護する。
地震計筐体の仕様は以下の通りである。
・ 耐電圧

2 kV の直流電圧 5 分間印加に耐えること

・ 耐水圧

58.8 Mpa

・引張強度

176 KN 以上

・最大外径

φ140 mm 以下

・光ファイバー接続損失

0.4 dB 以下／接続箇所

図 14(P40)は、光海底ケーブルが接続された 4 台の地震計筐体を示す。
ⅳ) 光海底ケーブル
光海底ケーブルは、光ファイバーなどから成る光ファイバーユニットと、水圧から光ファイバーユニットを保護するための耐水圧層、敷設・回収に耐え得る抗張力体、および電力を供給するための海水から絶縁された給電路を有し、ケーブルを保護するための鉄線外装を施したものである。埋設機械により埋設することから、一重外装ケーブルを使用する。
ケーブル構造を図 15(P41)に示す。基本仕様は以下の通りである。
8芯・光ファイバー

シングルモードファイバー・伝送損失

0.3 db/km 以下（＠1.55μm 帯）

・直流抵抗0.7Ω/km 以下（＠3℃）

・絶縁抵抗

1×105 MΩ-km（500V DC）

・耐電圧

35 kV の直流電圧 5 分間印加に耐えること。

・引張破断張力

196 KN 以上

・最小曲げ半径0.9 m 以下

・耐水圧

78 Mpa 以上

・側圧特性

980 N/cm の側圧に耐えること。

・外径

43 mm 以下

・重量

6.0 ton/km 以下（空中）

4.5 ton/km 以下（水中）図 16(P42)は、ケーブルタンク内に収容された長さ 25km の一重外装光海底ケーブルである。
ⅴ) 海中アース及び陸上アース
海中側アース電極は、図 1(P33)に示すようにシステム先端の海底ケーブルに取り付けられ、光海底ケーブルより供給された電流を海中流出させ、電流の帰路を形成する。陸上側アース電極は、給電電流の帰路用であり、電極本体にリードケーブルが接続されている。

29

海中側アース電極は、光海底ケーブルと電気的、機械的に接続された耐圧容器と電流を海水に流出させるためのベリリウム銅製電極部を有する。海中側アース電極の構造および外観を図 17(P43)に示す。仕様は以下の通りである。
・耐水圧

19.6 MPa 以上

・引留強度

88 KN 以上

・最大外径

φ120 mm 以下

・使用電流

1A 以上

一方、陸上側アース電極（図 18、P43）は、チタンに白金メッキした電極を採用している。
・最大外径φ35mm

・使用電流

1A 以上

2) 海域における効果的設置手法等の検討
a) 陸揚げ候補地踏査
観測対象海域は、2007 年新潟県中越沖地震の震源域（Shinohara et al., 2008)4)付近が第一候補である。そこで、第一回目の陸揚げ候補地踏査では、観測対象海域に近く、陸揚げ費用が少なくてすむ場所として、①陸揚げ工事・保護工事が容易な砂浜海岸②護岸壁、防波堤、テトラポット、岩礁が無い② 電源線、電話線の接続点と近いの 3 点を満たす海岸を踏査することとした。
踏査は、平成 20 年 2 月 9 日（月）の 08：00～18：00 の間に、直江津ー柏崎ー出雲崎ー寺泊の踏査コースを車で走行し調査した（図 19、P44）。
踏査コース上の 10 箇所余で海岸を調査したところでは、3 箇所程度、上記の条件を満たす場所があった。
今後は、候補地の所有者や沖合い底質、漁区、許認可要否等について調査する必要がある。
(c) 結論ならびに今後の課題
ひずみ集中帯の海域の観測で使用する機動観測型海底ケーブル・インライン式地震計を整備した。今後、敷設前までの期間を利用して、陸上保管状態での長期連続のシステム運用を行ない、実運用時の問題点を洗い出し効果的な運用方法を検討する。
また、観測対象海域に沿った海岸線でのケーブル陸揚げ候補地の一次踏査を行なった。今後、最終的な陸揚げ地点を決定するには、陸揚げ地点および前面海域の諸環境（漁業区域、土地の権利関係、電力・通信環境等）を十分に考慮する必要がある。
(d) 引用文献

301) T. Kanazawa et. al., “Study on new ocean bottom cable system for research of highresolution observation of seismic activity”, CDR Proc. of International Workshop on
Scientific Use of Submarine Cables and Related Technologies (SSC’06), Dublin, Ireland,Feb. 2006a2) T. Kanazawa et. al., “Study on New Low Cost Ocean Bottom Cabled Seismometers”,
CDR Proc. of OCEANS’06 IEEE Asia Pacific, Singapore, May. 2006b3) T. Kanazawa et. al., ”A New Low Cost Ocean Bottom Cabled Seismometers”, CDR
Proc. of International Workshop on Scientific Use of Submarine Cables and Related
Technologies (SSC’07), Tokyo, Japan, April 20074) M. Shinohara, et al., "Precise aftershock distribution of the 2007 Chuetsu-oki
Earthquake obtained by using an ocean bottom seismometer network", Earth Planets
Space, 60, 1121-1126, 2008(e) 学会等発表実績
学会等における口頭・ポスター発表
発表成果(発表題目、口頭・ポスター発表の別)

発表場所

発表者氏名

(学会等名)

発表時期

A new OBCS: Ocean

Kanazawa, T. M.

OCEANS2008 年 4

Bottom Cabled

Shinohara, O. Sano,2008 -月 10 日

Seismometer - IP goes

S. Sakai, H. Utada,

MTS/IEEE

to the oceans -T. Yamada, Y.

KobeMorita, T. Yagi, andTechno-Ocea

K. YamazakinA new compact ocean

Kanazawa, T., M.

OCEANS2008 年 9bottom cabled

Shinohara, S. Sakai,

2008 -月 18 日

seismometers system

O. Sano, H. Utada,

MTS/IEEE

for spatially dense

H. Shiobara, Y.

Quebec,observation on sea floor

Morita, T. Yamada,Canada国際・国内の別国際

国際and K. Yamazaki
An Innovation

Kanazawa, T., M.

Asian2008 年

targeting a Dense

Shinohara, S. Sakai,

Seismological

11 月 26

Ocean Bottom Seismic

O. Sano, H. Utada,Commission

日Monitoring Network -IP

H. Shiobara, Y.

andenables 40 Earthquake

Morita, T. Yamada,SeismologicalObservatory nodes-and K. YamazakiSociety ofJapan,

31

国際Tsukuba
Development ofKanazawa, T., M.

OCEANS’09

2009 年 5

Compact Ocean Bottom

Shinohara, S. Sakai,IEEE月（論文Cabled Seismometers

O. Sano, H. Utada,Bremen,受理済）

System for Spatially

H. Shiobara, Y.

Germany

Dense Observation on

Morita, T. Yamada,Sea Floor and Firstand K. Yamazaki

国際Installation Plan(f) 特許出願、ソフトウエア開発、仕様・標準等の策定
1) 特許出願
なし
2) ソフトウエア開発
なし
3) 仕様・標準等の策定
なし(3) 平成２１年度業務計画案
自己浮上式海底地震計を新潟県中越沖に代表されるひずみ集中帯とその周辺の海域に設置し、地震観測を開始する。地震の発生頻度などを考慮し、比較的長期間の観測を行う。
また、解析手法の開発を行う。機動観測型海底ケーブル・インライン式地震計一式の整備を行う。

32

端局装置

陸側ケーブル端末

陸側アース電極

光海底ケーブル

地震計
ケーブル端末図 1 海底ケーブル・インライン型地震計の全体システムの構成

図 2 地震計耐圧容器の内部に実装する機器の構成（光ファイバーは 8 芯）

33

アース電極

給電装置

-V-

E/O

O/E

SW

SW
O/E

E/O

CPU

CPU
E/O

O/E

SW
GPS

CLK

電源回路+-

E/O

O/E

O/E

E/O

E/O

E/O

O/E
E/O

E/O

O/E

E/O

E/O

O/E

加速度センサ

-

E/O

O/E

E/O

E/O

E/O

O/E

+E/O

E/O

加速度
センサ

O/E

E/O

SW
O/E

E/O

E/O

O/E

CLK

O/E

E/O

CLK
O/E

E/O

O/E

CPU

SW
O/E

電源回路

E/O

加速度
センサ

O/E

O/E

E/O

O/E

CPU

CLK
O/E+SW

E/O

SW
O/E

電源回路

SW

O/E

CLK
O/E

-

O/E

CPU

SW
O/E

+SW

加速度
センサ
E/O

電源回路

O/E

E/O

陸上端局 - １
E/O

SW
O/E

CPU

OBCS-1OBCS-2OBCS-3OBCS-4E/O

SWO/E

E/O

CLKO/E

陸上端局 -2

図 3 全体システムの結線図（海底ケーブル内の光ファイバーは 8 芯）
34

海中アース

図 4 回路基板や部品のフレームへの実装方法（模式図）

図 5 耐圧容器に実装するフレームの外観
図 4 に示すように（図 4 と図 5 は左右が反対に置かれている）、フレームに、加速度センサ（3 台）、回路基板、光トランシーバ（6 台）、ツエナーダイオード（4 個）、電源回路、サージ保護回路が組み込まれている。

35

図 6 加速度センサ用デジタイザ回路の基板構成

イーサネットスイッチ及びクロックモジュール基
板(1枚）

加速度センサー用デジタイザ回路基板（3枚構成）

Linux(CPU)
基板（1枚）

図 7 信号処理・データ伝送用の基板（5 枚：基板寸法は 70mmx70mm）

36

図 8 LINUX (CPU)基板の構成

図 9 イーサネットスイッチおよびクロック配信回路基板の構成

37

図 10 電源回路部の構成

図 11 DC/DC 電源回路基板（基板収容ケースに実装し、DC/DC モジュールの発熱は、ケースを介して放熱する）

38

(24U 19インチラック)

出力電圧:0～300V

出力電流：0～5.3A

Ptf社 Global Tyme 3205A (NTP,IRIGB-B付)

17インチLCDモニタ (DELLE178FP), KB, PC SW

DELL PowerEdge R200

APC社 SURTA 1500XLJ

図 12 陸上端局装置の構成（下の写真は、LCD モニタを引き出した状態）

39

ケーブル引留部

耐圧容器回路ユニット

光海底ケーブル

図 13 地震計筺体概観図

図 14 光海底ケーブルに接続された 4 台の地震計筐体

40

中心抗張力体

光ファイバー

光ファイバーユニット

３分割鉄パイプ
抗張力鋼線

銅チューブ

低密度ポリエチレン被覆
高密度ポリエチレン被覆
座床

亜鉛メッキ鉄線

外部被覆

図 15 光海底ケーブル概観図41

図 16 ケーブル工場内のケーブルタンク内に巻かれた 25km の一重外装光海底ケーブル42

図 17 海中側アース電極（上図：構造

図 18 陸上アース電極

43

下図：外観）

弥彦山
寺泊中央海水浴場
寺泊

出雲崎
石地海水浴場

柏崎原発

松浜中学校

柏崎海浜公園図 19 陸揚げ候補地の踏査

44