シリーズ「新・強震動地震学基礎講座」（第 7 回）地盤構造の推定法
強震動委員会川崎慎治（（株）地球科学総合研究所）

地盤による地震ハザード，とりわけ強震動による被害を反射法探査は，人工震源から地下の地層境界で反射した想定し地震防災に生かすための地盤構造推定法について概弾性波を受振器で捉え，そのデータを解析することにより説する．浅部の地盤物性は垂直方向にも水平方向にも不均

反射断面図を作成し地下構造（二次元または三次元）を可質性が強く，地震波の振幅は空間的に大きく変動するので，視化する手法である．堆積岩地域では，堆積層から密で連サイトに固有の増幅特性を正しく理解することが重要であ続的な反射を期待することができ，その立体的な分布や形る．例えば，地形・地質的な境界が存在する場所では，実状から層序追跡による地質地盤構造モデルの作成，さらに体波の増幅やマルチパス信号の増幅的干渉が起こるだけでは，地域の堆積環境や構造発達史の解明に資するデータがなく，変換波や表面波の励起や実体波との干渉により地震得られる．それだけでなく，反射断面から地表付近の活断波伝播が複雑に挙動することが知られている．このため，層とその深部延長の震源断層の関係を統一的に把握するこ

地震動を適切に評価し，地震の揺れやすさを正しく予測すとができ，想定される地震の震源断層パラメータを規定するためには，目的対象とするスケールや周波数帯に応じて，る基礎的な情報を得ることができる．活断層調査など浅層増幅特性に影響を与える地盤パラメータを精度よくモデル調査に対しては，P 波よりも波長の短い S 波を利用して反化する必要がある．

射断面の分解能を高めた S 波反射法も有用である．デー

平成 7 年（1995 年）兵庫県南部地震を契機として，主タ処理においては，共通反射点（CDP）重合法に基づく要な都市部において全国的に地下構造調査が実施され，成処理フローが一般的に用いられるが，近年，反射面の傾斜果である地盤構造モデルは国家の基盤的なデータとなってだけでなくその曲率を考慮して補正する方法（CRS 法ないる（http://www.jishin.go.jp/database/project_report/ど）を用いるケースも増えており，低重合，低 SN 比のデー

chousakansoku02kozo/）．堆積平野に立地する都市部の地タに対してイメージング向上が期待されている．

質環境的な特徴は，多くが中・古生代の基盤岩（地震基盤）

屈折法探査では，走時トモグラフィックインバージョンの上位に第三系および第四系の堆積層が累重する地質地盤法，または，レイトレーシング等のフォワード計算によりとなっていることである．作成された堆積盆地スケールの試行錯誤的に速度層モデルをチューニングする解析法が多地盤モデルから，浅部地盤のサイスミックインピーダンス用される．反射法と屈折法はどちらも人工震源による探査（地震波速度と密度の積）が地震基盤のそれと比べて大きデータを用いるが，解析に用いる時系列データ区間（時間く低下していることから，基盤の入力波に対して表層の地とオフセット距離のウインドウ）が異なるため，両者の結震波が増幅することが定量的に裏付けられている．

果は独立的で，相補的な関係である．一般に，反射法で求

このような地震防災を目的とした地下構造調査では，地められる速度構造は，屈折法より精度的に劣る場合が多い

形，地質学的な調査の他に物理探査がよく利用される．物が，反射法と屈折トモグラフィを併用することで，速度と理探査は，地下の構造形態や物性を非破壊かつ三次元的（二深度情報の信頼度を相乗的に高めることができ，結果的に，次元的）に可視化できる優れた手法であり，弾性波，重力，地盤モデルや断層モデルを高度化できる利点がある．なお，磁力，電磁気，地中レーダなどの様々な物理現象を利用す

人工地震探査では，主に P 波震源が使われることから Pる．また，調査領域に応じて，空中，陸上，海域，坑内等波速度構造が得られるが，地震防災については S 波速度の探査に分けられるが，最近はこれまで技術的に難しかっ構造が重要である．このため，PS 検層データ等から地域た海陸境界域の探査も，計測技術の進展にともなって行わごとの Vp-Vs 関係式を構築して S 波速度を推定する試みれている．

もなされる．

弾性波探査は，地震波動伝播に強い影響を与える物性値

微動アレイ探査は，面的に展開した高感度地震計（微動（P 波速度，S 波速度，Q 値など）を推定できる利点がある．

計）で取得した微動データから表面波の分散曲線（周期とそのため，浅部から深部地盤の速度構造と構造形態を明ら位相速度の関係）を解析し，観測された分散曲線をフィッかにする目的で，反射法探査，屈折法探査，微動アレイ探ティングするように S 波速度構造モデルを逆解析により査，表面波探査を実施することが多い．

推定するものである．微動アレイ探査に関しては，F-K 法，

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SPAC 法やこれを拡張した CCA 法などの手法がある．そが，特定されたサイト直下を調査対象とする場合は，ボーれぞれ，微動の発生源や到来方向に関する前提条件が少しリングによる調査を中心にして，地盤の面的な広がりを物ずつ異なっていて，データ取得方法や解析方法に違いがあ理探査で補間するアプローチもある．

る．微動アレイ探査の詳細に関しては，今後の本連載に譲ることにする．

一方，ポテンシャルデータ（重力，磁力，電磁気など）
は地盤構造に対する分解能はある程度限界があるものの，人工構造物の耐震安全性を考える場合，強震動評価で要空中物理探査によるサービスも近年提供されており，広域求される周期範囲は，概ね 10 秒から 0.1 秒程度の帯域ででシームレスな概査法として利用されている．中でも重力ある．この周波数帯域は，長周期構造物から一般住宅，精探査では，ブーゲー異常を傾向面補正した残差重力値から，密機器装置までの固有周期と関係しており，調査の目的や既知の基盤深度を拘束条件とするインバージョンによって対象に応じて，それらに特化した地盤調査法が選択され実重力基盤深度または密度構造の三次元分布を推定してい施されている．微動アレイ探査はこれらの周期帯域の Sる．最近では，重力勾配テンソルを用いて短波長の密度構波速度を直接測定できるメリットが大きいが，分解能や精造の急変部を同定するとともに，急変部にあたる密度境界度の限界もあるため，上述した地球物理学的な調査手法のの傾斜角を推定するといった取組みも行われている．

有効性や限界を目的に照らし合わせて考慮した上で，地盤地震動評価を目的とした一部の調査では，中小地震の観モデル構築のためのワークフロー（適切な組み合わせと手測データを利用して地下構造モデルの妥当性が検証されて順）が個別に提案されている．

いる．具体的には，波動場計算により理論的な波形，振幅

図 1 は，弾性波を用いた各調査手法の垂直分解能と対象スペクトル，卓越周期，H/V スペクトル，レシーバ関数等

スケール（水平方向）に関して大まかに図示したものであを計算し，観測結果との比較を通してチューニングするこる．前述した物理探査法以外に，より分解能を高める手法とでモデルの高度化が図られている．このような強震動評として，ボーリングによるコア分析，坑井を利用した物理価の高精度化のためのモデル更新作業や地盤情報のデータ

検層，坑井間トモグラフィ，VSP 調査（鉛直アレイ観測）

ベース化作業は，全国一次地下構造モデルの構築に関するも記載している．各手法間で探査スケールや分解能にプロジェクトなどによって展開されている（http://www.

ギャップが有るため，複数の異なる物理探査データを組みjishin.go.jp/）．

合わせて統合し解析することが信頼性を高めることにつな

物理探査の最近の動向として，今後の発展が注目される

がる．その際，費用対効果を考えると，手法ごとに異なる解析手法を 2 つ紹介する．1 つ目の地震波干渉法は，微動スケールや精度を理解し，段階的なアプローチによって概アレイ探査など受動的な地震探査法を理論的に説明づけて査から精査に向けて効率よく調べる手順が合理的である

いて，様々な調査法が提案されている．人工震源を用いる

図 1

弾性波を用いた調査法の分解能と対象スケール（概略図）

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アクティブな地震探査においても応用例が増えていて，例ある場合に提案されることがある．最近は，物性パラメー

えば，反射法調査で発震ができず受振点しかない測線区間

タのうち P 波速度だけでなく，S 波速度，密度，減衰項

でも，周囲の発震記録から擬似的に発震記録を構築し，通などをマルチパラメータとして同時に解く研究開発も進め

常の反射法処理では歯抜けになった反射断面をある程度穴られている．

埋めすることに利用されている．

以上のように，物理探査は利用の仕方（調査法および仕2 つ目は，FWI 法（Full-Waveform Inversion）を挙げる．

様の細かさ）に応じて地震動評価の精度向上に役立ってい

FWI 法は，探査データを用いて観測波形と合成波形とのて，地震リスクを正しく評価するための使命は大きいと言残差が最小となるように非線形繰り返しインバージョンにえる．物理探査は，従来，石油資源開発と強く結びついてよってモデルを最適化し，地下の物性を推定する手法であ発展してきたが，同時に，地震学とも連携して技術的発展る．FWI の基本的なコンセプトは 1980～90 年代に既に示を遂げてきた歴史がある．現在，地盤工学，土木工学的なされているが，地震探査データの広帯域化や計算機性能の観点から，基礎の設計など地盤強度（ジオメカニクス）に向上により，近年，二次元実データ，さらには三次元実デー関する情報が求められている．また，液状化対策など水理タへの適用事例が増えている．初動走時データのみを用い特性に関する情報やインフラの維持・管理に係るモニタリた走時トモグラフィ解析に比べて高い分解能を有するたング法としてのニーズも高い．今後，様々なスケールの各め，より細かなスケールの構造把握を目的とする場合に利種物理探査データを組み合わせて統合解析するここと，地用される．例えば，重要施設の浅部地盤において規模の小盤情報としての信頼性を高めながらいかに付加価値を生みさな低速度帯の存在が直上の地震波振幅異常を生み出すこ出せるかが技術開発を推進していく上での大きな課題ととがあり，低速度帯の規模や性状を正確に把握する必要がなっている．

（第 8 回）強震動予測手法の概要
強震動委員会地震の揺れは，どの程度の規模の震源断層がどのような過程で破壊するか（震源特性），その破壊進行によって生香川敬生（鳥取大学大学院工学研究科）らをうまくモデル化し，対象地点における想定地震断層による揺れを予測することにあたる．

じた地震波がどのように周囲に伝わるか（伝播経路特性：

このモデル化に際して，震源特性を地震規模（マグニグリーン関数）によって構成され，これらは断層面上の破チュード）で，伝播経路特性は震源断層からの距離で，サ壊によって生成・伝播する波動を，断層面の破壊進行にイト増幅特性は揺れ易さ係数でそれぞれ代表させ，過去に沿って積分することにより表現できる（例えば，Aki and発生した地震による観測記録の地震動特性値（最大加速度Richards, 2002）．さらに，強震動予測で対象とするような値や最大速度値など）をこれら 3 パラメータで回帰分析し堆積地盤では，特に地震波増幅や震動継続時間の伸長が起た，経験的な地震動予測式（距離減衰式）を用いることがきることから，伝播経路特性を構成する要素のうち，地震まず考えられる．この場合，図 2 の上に示すようなモデル動が局所的にどのように変化するか（サイト増幅特性）を化をおこなうことになり，平均的な地震動を既往観測記録明示的に分けて，合計 3 要素に分けて考えることが多い．に基づくばらつきとともに提示することができる．予測式

図 1 にそのイメージを示す．つまり強震動予測とは，これの骨格には地震波の生成，伝播，サイト増幅の影響がモデ

図 1

震源，伝播経路，サイト増幅特性の概念図

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図 2

簡便法，詳細法の概念ル化されており，その上で既往観測記録を満足するように置付けを網羅的に整理しておきたいと思う．

式のパラメータが与えられている．この考え方は，応答ス「詳細法」では，震源断層面上における非一様破壊の進ペクトルの形状など，周期帯毎の地震動特性値を表現する

行によって放射された地震動が 3 次元地下構造を伝播してスペクトル距離減衰式にも発展可能である．このような強対象地点に影響を及ぼす問題を扱う．その際，対象とする震動予測は一般に「簡便法」と呼ばれており，緊急地震速波長に影響する細かさで，震源および地下構造のモデル化

報で面的な地震動を即時に予測する場合や，構造物の周期をおこなうことが必要になる．強震動予測の一般的な対象

特性を考慮した耐震設計など工学的な地震動評価の第一段

周期帯は 0.1 秒から 10 秒であるが，固有周期の短い対象階として用いられている．

を含む場合（原子力発電所の機器応答など）にはより短い一方で，それぞれの特性を精緻にモデル化し，複雑な震周期帯が必要となり，長大橋や巨大タンクのスロッシング

源断層の破壊プロセス，3 次元地下構造による影響を考慮

では 10 秒を超える長周期帯域が対象となる場合がある．

して強震動を波形で評価するアプローチも考えられる．波いずれにせよ，最短対象周期を 0.1 秒としても，震源断層形が予測されておれば，スペクトルや地震動特性値をいかを想定する地震発生層の S 波速度を 3.5 km/s として 350ようにも評価することが可能である．このモデル化には十m，表層堆積層の S 波速度を 200 m/s として 20 m の波長分なデータに基づく多数のパラメータを設定する必要があを取り扱う必要があり，その波動伝播を表現するために必るとともに，計算容量・時間ともに大きな計算資源を要す要な空間解像度がモデルに求められる．しかし，ここまでる．しかし，断層破壊の進行によるパルス波の生成や，地高解像でのモデル化は，現状で用いることができるデータ下構造の影響による局所的な地震動の増幅など，平均的なの観点からは非現実的である．そこで，周期 1 秒程度を境地震動予測式では十分に表現できないが，実際の地震でとして，それよりも長周期帯域を対象に震源および地下構往々にして観測される複雑な現象をも，適切なパラメータ造を具体的にモデル化し，決定論的なアプローチで地震波設定によって再現できることが強みである．このようなモの生成と伝播を取り扱うことがおこなわれる．この際の地デル化を「詳細法」と称し，被害地震に見られる特殊な地震動評価には，3 次元差分法や有限要素法など波動伝播を震動の要因を理解するとともに，その影響が懸念される場解析的に解く計算手法が用いられる．対象範囲が狭いなど合の地震動評価の照査に適用される機会が多くなっている．

地下構造の 3 次元的な広がりを考慮しない場合には，水平地震動予測式については今後の「新・強震動地震学基礎成層構造を用いた理論的な計算手法（離散化波数法など）講座」で詳しい解説が予定されているので，詳細はそちらが用いられる場合もある．に譲ることとし，ここでは地震による断層破壊と地震波伝一方，周期 1 秒よりも短周期帯域は統計論的なモデル化

播のプロセスをより反映した「詳細法」について，図 2 下で対応し，これらを相補的に合成すること（ハイブリッドを参照にしつつ，少し仕分けをおこなってみる．「詳細法」

合成）で広帯域の強震動予測がおこなわれる．短周期帯域で取り扱う内容は，震源破壊および地下構造モデルの設定，の評価には，短波長の複雑な震源破壊や地下構造の影響を地震動計算手法，結果の提示方法など多岐にわたる．既往内在する小地震の観測波形記録を用いた経験的グリーン関の講座，および今後それらが順に解説されていくことにな

数法，過去の観測記録の統計的な特性を反映させて人工的るが，強震動予測に関連する各項目について，それらの位に合成した地震波を用いる統計的グリーン関数法が活用さNL-3-26

れている．なお，これらの手法では表層地盤の影響（サイ特性が内在する不確定性は，時間をかけて詳しい調査・解ト増幅特性）が弱震時でも強震時でも同じ線形応答を仮定

析を実施する毎に解消されていくが，将来発生する地震のしているが，特に軟弱な地盤では強震時に大ひずみを受け震源特性を予め想定することは困難である．そのような中た場合に地盤剛性が低下し減衰が増大する非線形地盤応答

で，過去の地震の平均像としての標準的な設定や，想定しを生じることが知られている．この状況をモデルに取り入得る最大の地震動をもたらす設定による，パラメータを決れることも，より現実的な強震動評価には必要である．

め打ちした確定論的な予測が，特に「詳細法」では主流と「詳細法」では必要とするパラメータが多く，設定にあしておこなわれてきた．一方，個々の設定パラメータのばたってはその意味と働き，相互の関連についての専門的ならつきに配慮した多数のケースで強震動予測を実施し，得知識が不可欠となる．そのため，標準的な設定をおこなうられた地震動特性値の確率密度に関する中央値，分布形状，ためのガイドラインとして，強震動予測レシピが検討され上限値を考慮した確率論的な評価も「簡便法」では実施さている．強震動予測レシピは新たな観測事実に基づき改訂れている．近年の計算機環境の充実により，「詳細法」でが続けられており，平成 29 年 4 月に最新版（地震調査研もこのような確率論的な評価が志向されており，パラメー究推進本部地震調査委員会，2017）が公開されている．こタ設定の透明性や予測結果を提示する際の説明性が向上す

れに従うことにより，用いることのできる情報の多寡に応ることが期待されている．

じて，評価者によらず震源断層破壊モデルおよび地下構造編集担当の干場充之氏，岩田知孝氏には本稿執筆の機会モデルを構築し，強震動評価を実施することができる．震

を頂き，さらに内容を読み易くするための非常に丁寧なコ

源断層破壊モデルには，既往地震の断層破壊進行を統計解メントを頂きました．ここに記して感謝致します．

析した結果に加えて，断層の動力学的な破壊理論から導か文献れる成果も組み入れられており，設定の相互関係が物理的に破綻しないような配慮がなされている．地下構造のモデ

Aki, K. and P. G. Richards, 2002, Quantitative Seismology,

ル化では，情報の多寡に応じたきめ細かな設定法が示されている．

2nd edition, University Science Books, 700pp.
地震調査研究推進本部地震調査委員会，2017，震源断層をしかし，強震動予測レシピによる設定値はあくまで標準特定した地震の強震動予測手法（「レシピ」），51pp., http:値であり，対象とする事象の重要性に応じて，パラメータ//www.jishin.go.jp/main/chousa/17_yosokuchizu/recipe.のばらつきを考慮して大きめの地震動になる設定を取り入

pdf.

れるなどの対応は必要となる．伝播経路特性やサイト増幅

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