３.１.３

電磁気学的手法によるひずみ集中帯発生機構解明と機構解明データセンターの運用
目次(1)

業務の内容・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・53(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２０年度業務目的(2)

平成２０年度の成果・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・54(a)業務の要約(b)業務の成果
1) 電磁気学的手法によるひずみ集中帯発生機構解明a) 広帯域 MT 観測の実施
b) MT 周波数応答関数の推定c) 三次元構造の影響の評価
d) 二次元比抵抗解析
2) 機構解明データセンターの運用(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・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・58

52

(1) 業務の内容(a) 業務題目

電磁気学的手法によるひずみ集中帯発生機構解明と機構解明データセンタ

ーの運用(b) 担当者
所属機関

役職

氏名

メールアドレス

東京大学地震研究所

教授

平田 直

hirata@eri.u-tokyo.ac.jp

東京大学地震研究所

准教授

上嶋 誠

uyeshima@eri.u-tokyo.ac.jp

東京大学地震研究所

准教授

森田 裕一

morita@eri.u-tokyo.ac.jp

東京大学地震研究所

助教

小河 勉

ogawa@eri.u-tokyo.ac.jp

東京大学地震研究所

助教

加藤 愛太郎akato@eri.u-tokyo.ac.jp

東京大学地震研究所

助教

蔵下 英司

ekura@eri.u-tokyo.ac.jp

東京大学地震研究所

助教

中川 茂樹

nakagawa@eri.u-tokyo.ac.jp東京大学地震研究所

特任研究員

市原 寛

h-ichi@eri.u-tokyo.ac.jp(c) 業務の目的
ひ ず み 集 中 帯 形 成 に お い て は 、沈 み 込 む 海 洋 性 プ レ ー ト か ら の 脱 水 に よ っ て 供
給 さ れ た 流 体 が 地 殻 や 上 部 マ ン ト ル に 局 在 し 、そ れ が 弱 体 と な っ て ひ ず み 集 中 をも た ら す と 考 え ら れ る た め 、東 北 地 方 日 本 海 側 の ひ ず み 集 中 帯 に お い て 、東 西 に横 切 る 測 線 で 地 磁 気 地 電 流 （ マ グ ネ ト テ ル リ ク ： MT)法 に よ っ て 比 抵 抗 構 造 探 査を 行 い 、ひ ず み 集 中 帯 の 地 殻・上 部 マ ン ト ル に 存 在 す る 間 隙 流 体 の 精 密 マ ッ ピ ン
グ に 基 づ い て 、ひ ず み 集 中 帯 の 機 構 解 明 を 図 る と と も に 、ひ ず み 集 中 帯 機 構 解 明のために取得される地震・地殻変動・地球電磁気データを管理・公開するためのデータセンターを運用する。
(d) ６ヵ年の年次実施計画
1) 平成１９年度：東北地方日本海側のひずみ集中帯において MT 法に基づく地殻・上部マントルに存在する間隙流体の精密マッピングを行うための比抵抗構造探査装置を整備し、ひずみ集中帯の機構解明を図るために効果的な調査観測測線の検討等を行った。さらにひずみ集中帯機構解明のために取得される地震・地殻変動・地球電磁気データを管理・公開するためのデータサーバを整備し、その管理・公開手法の検討を行った。
2) 平成２０年度：比抵抗構造探査装置 12 台を用いて、秋田県南部および山形県北部（鳥海山測線）、山形県中部（庄内－新庄測線）、秋田県南部および岩手県南部（岩手宮城測線）を東西に横切る 3 測線で、それぞれ測線長約 50km 程度の広帯域 MT 法観測を実施し、予察的な比抵抗断面を推定する。機構解明データサーバの運用を開始し、地震・地殻変動・地球電磁気データなどの多項目データの収録・収集を行い、データベースの構築を開始する。
3) 平成２１年度：平 成 2 0 年 度 に 引 き 続 き 比 抵 抗 構 造 探 査 装 置 約 1 0 台 を 用 い て 、山 形 県 北 部 、 秋 田 県 南 部 を 東 西 に 横 切 る 測 線 で 観 測 点 間 隔 約 7～ 10ｋ ｍ 及 び 測 線
長 約 100 km 程 度 の 広 帯 域 MT 法 観 測 を 実 施 し 、 比 抵 抗 構 造 を 推 定 す る 。 ま た 、53

霧島 火山 、富 士山 、桜 島等 で比 抵抗 構造 探査 や自 然電 位観 測等 を実 施し 、地 下 流
体 の 存 在 や そ の 流 動 を 検 出 し 、地 殻 活 動 と の 関 連 性 を 調 べ る 。機 構 解 明 デ ー タ サーバを用いて、地震・地殻変動・地球電磁気データなどの多項目データの収録・収集を行い、データベースの運用を継続する。
4) 平成２２年度：新潟県北部、山形県南部、福島県北部を東西に横切る測線で広帯域 MT法観測を実施し、比抵抗断面を推定する。霧島などの火山地域において電磁気観測を行い、比抵抗構造、自然電位分布等を明らかにする。また、データセンターの運用を継続する。
5) 平成２３年度：新潟県北部、山形県南部、福島県北部における広帯域 MT 法観測を継続し、地殻・上部マントルの比抵抗断面を推定する。霧島などの火山地域において電磁気観測を行い、比抵抗構造、自然電位分布等を明らかにする。また、データセンターの運用を継続する。
6) 平成２４年度：新潟県北部、山形県南部、福島県北部における広帯域 MT 法観測を継続し、地殻・上部マントルの比抵抗断面を推定する。霧島などの火山地域において電磁気観測を行い、比抵抗構造、自然電位分布等を明らかにする。また、データセンターの運用を継続する。
(e) 平成２０年度業務目的
比抵抗構造探査装置 12 台を用いて、秋田県南部および山形県北部（鳥海山測線）、山形県中部（庄内－新庄測線）、秋田県南部および岩手県南部（岩手宮城測線）を東西に横切る3 測線で、それぞれ測線長約 50km 程度の広帯域 MT 法観測を実施し、比抵抗断面を推定する。機構解明データサーバを用いて、地震・地殻変動・地球電磁気データなどの多項目データの収録・収集をおこない、データベースを構築する。さらに、2008 年秋頃を目処にデータセンターを開設し、得られたデータを逐次公開する。
(2) 平成２０年度の成果(a) 業務の要約
東北日本海側のひずみ集中帯の地下深部構造を明らかにするため、比抵抗構造探査装置12 台を用いて、山形県飽海郡遊佐町より秋田県湯沢市に至る鳥海山測線、山形県酒田市より新庄市に至る庄内－新庄測線にて広帯域 MT 観測を実施した。また、平成 20 年 6 月 14日に岩手・宮城内陸地震が発生し、その震源域が鳥海山測線の東方延長にあたっていたた
め、岩手・宮城内陸地震発生機構ならびにこの地域の深部構造を探るために、秋田県湯沢市から岩手県一関市に至る岩手宮城測線での観測も実施した。測線長はいずれも 50 km 程度であり、それぞれの観測点において、3 日から 20 日間にわたって電磁場データを取得した。これらのデータより MT 周波数応答関数を推定した結果、全体として誤差の少ない良好な応答関数が得られた。庄内－新庄測線については予察的な二次元構造解析を実施し、比抵抗断面を推定した。また、機構解明データサーバを用いて、地震・地殻変動・地球電磁気データなどの多項目データの収録・収集をおこない、データベースを構築した。さらに、2008 年 7 月にデータセンターを開設し、2009 年 2 月からは得られたデータの逐次公開を開始した。
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(b) 業務の成果
1) 電磁気学的手法によるひずみ集中帯発生機構解明a) 広帯域 MT 観測の実施
広帯域 MT 観測を、庄内平野、庄内東縁断層帯、出羽丘陵、新庄盆地を横切る庄内－新庄測線、鳥海山を横切る鳥海山測線、2008 年岩手宮城内陸地震震源域を横切る岩手宮城測線の計 3 測線で実施した。各測線の観測点数は、庄内－新庄測線が 11 測点、鳥海山測線が 11 測点、岩手宮城測線が 17 点であり、合計 39 観測点であった（図 1、P60）。それぞれの測線長は約 50km であり、2008 年 6 月から 11 月にかけて観測を実施した。1 観測点についての観測期間は、それぞれ 3 日～20 日間であった。
測定には GPS で同期された Phoenix Geophysics 社製の MTU-5、ASK システム社製のPb-PbCl 2 電極、Phoenix Geophysics 社製のインダクションコイルからなる広帯域 MT 観測システム 12 セットを用い、電場 2 成分、磁場 3 成分の時間変動値を記録した。
b) MT 周波数応答関数の推定
上述の観測によって得られた磁場・電場変動の時系列データを、フーリエ変換によって317～0.00034 Hz の 80 周波数のスペクトルデータに変換し、それぞれの周波数におけるMT 応答関数を計算した。その際に、観測点固有のノイズを軽減するため、日鉄鉱コンサ
ルタントが運用する岩手県和賀郡湯田町沢内観測点の水平磁場データを用いてリモートリファレンス処理（Gamble et al. , 1978）を行った。また、ノイズの多い時間帯のデータを目視で判別し除外する事によってデータの質を向上させた。
以上の処理によって得られた MT 周波数応答関数（インピーダンステンソル）の非対角成分を、見掛け比抵抗および位相で表わしたものを図 2(P61)、図 3(P62)、図 4(P63)、図5(P64)に示す。ここで、たとえば、XY は X 軸方向に変動する電場と Y 軸方向に変動する磁場との間の周波数応答関数を推定した事を意味する。なお、図 2(P61)、3(P62)、4(P63)、5(P64)においては、X 軸を南北方向、Y 軸を東西方向としている。3 測線全体としてほとんどの測点において、デッドバンドと呼ばれるシグナルの弱い周波数領域（周期 1～10 秒）を除き、誤差の小さい良好な MT 探査曲線（見掛け比抵抗および位相）が得られていることが読み取れる。
c) 三次元構造の影響の評価
本年度は庄内－新庄測線の地下構造に焦点をあて、二次元比抵抗構造解析を試みた。しかしながら、低比抵抗を示すと考えられる（平野や盆地の表層）堆積層と日本海の海水がそれぞれ三次元的な分布を示すことは表層地質図や海底地形図より明らかであり、庄内－新庄測線周辺では二次元性の仮定が成り立たない可能性があった。そのため、二次元解析の妥当性を検証するため、実際の海水および堆積層の分布を想定した三次元比抵抗構造から得られる探査曲線と二次元比抵抗構造から計算される探査曲線との比較を行った。計算を行った三次元比抵抗構造を図 6(P65)に、その際に使用した海底地形分布を図 7(P66)に示す。ここで、後述する走向方向の推定結果に従い、本計算では X 座標軸が N22.5°E を向くように MT 応答関数を回転させている。なお、対照とする二次元比抵抗モデルでは、
図 6(P65)における庄内－新庄測線直下の構造、すなわち図 6(P65)に示した断面図における構造が、X 方向に無限に連続するものと仮定した。
55

上記の構造によって得られた探査曲線を図 8(P66)に示す。これによると、TE モード（便宜的に、電場が X 軸方向に振動し、磁場が Y 軸方向に振動するモードを TE モードと呼ぶことにしている）の探査曲線は三次元構造と二次元構造の間で大きく異なっている一方、TM モード（便宜的に、電場が Y 軸方向に振動し、磁場が X 軸方向に振動するモードをTM モードと呼ぶことにしている）では差異が少ない。したがって、本地域において TMモードのデータは、上述のモデルで検討した三次元性の影響を比較的受けていないと判断され、二次元比抵抗構造解析には TM モードのデータのみを使用することとした。
d) 二次元比抵抗構造解析
二次元構造解析をおこなうために、まず庄内－新庄測線における MT 周波数応答関数をPhase tensor（Caldwell et al., 2004）を用いて推定された走向方向（N22.5°E-S22.5°W、図 9(P67)）に回転させた。次に、回転させた MT 応答関数のうち、TM モードのデータのみを用い、Ogawa and Uchida (1996)による二次元インバージョンコードを用いてインバージョン解析を行った。
解析によって得られた比抵抗構造を図 10(P67)に示し、観測によって求められた探査曲線と図 10(P67)の構造から計算された探査曲線との比較を図 11(P68)に示す。これによると、庄内東縁断層が分布する領域から東に落ちる低比抵抗帯が見られる。庄内平野東縁部における断層は深部に向かって東落ちに延長することが推測されていることから（佐藤・平田, 2000）、この低比抵抗帯は断層帯あるいは断層運動に関連した高含水域を表している可能性がある。しかしながら、TM モードのデータも（TE モードより顕著では無いものの）数 10 秒より長周期側で少なからず三次元性の影響を受けているため（図 8、P66）、深部低比抵抗帯の信頼性については更なる検証を要する。一方、測線の東部、西部の表層付近（地表から数 km）において低比抵抗層が検出されている。これらは新第三紀の堆積岩類に対応すると考えられる。
2) 機構解明データセンターの運用
ひずみ集中帯機構解明のために取得する地震・地殻変動・地球電磁気データのうち、機構解明データセンターに集約するデータの種類と本プロジェクト期間内に見込まれるデータ量について、各研究グループにアンケート調査を行った。その結果を表 1(P59)に示す。
これらのデータを保存するために約 20TB の容量の RAID ディスク装置を備えたデータ蓄積サーバとデータを公開するためのデータ公開サーバを導入した（図 12、P69）。RAID デ
ィスク装置とデータ蓄積サーバはファイバーチャネルで接続され、またデータ蓄積サーバとデータ公開サーバは専用の LAN で接続されているので、高速なデータ転送が可能である。これらのサーバの OS として、64bit 版 RedHat Linux を採用した。また、データ公開サーバで使用する WEB サーバプログラムとして apache を採用した。
各研究グループから地震、地球電磁気、火山湖の温度・水位データを各研究グループから収集し、データベースを構築した。データの収集は、小型の可搬型固定ディスク装置や不揮発性メモリ装置に格納したデータを各研究グループから機構解明データセンターに宅配便等で送付することにより行った。機構解明データセンターでは、届いたデータを蓄積装置に展開・保存した。その際、データの種類及び取得研究グループと対応するディレクトリを作成し、整理している。各データのフォーマットについては、次の方針に従った。
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（１）地震の連続波形データ及びイベント波形データは、日本の地震波形データ流通において事実上の標準フォーマットである WIN フォーマット 5) に統一した。検測データ及び震源データも WIN システム 6) で利用する形式に統一した。（２）地球電磁気データについては、標準フォーマットはないため、比抵抗構造探査装置等データ観測装置固有のバイナリフォーマットを用いることとした。
（３）地殻変動データ（火山湖の温度・水位）については、総データ量が少ないためテキストファイル形式を用いることとした。
構築したデータベースは、収集したデータの種類や量（例えば、地震波形データの場合は収集したデータの期間）、観測点の一覧などをまとめた。収集したデータを関係者に公開するため、このデータベースを元にして機構解明データ蓄積サーバ内に格納されているデータに関する説明に関するホームページを作成し、公開した（図 13，図 14、P70）。
(c) 結論ならびに今後の課題
東北日本海側のひずみ集中帯の地下深部構造を明らかにするため、鳥海山測線、庄内－新庄測線、岩手宮城測線にて広帯域 MT 法観測を実施した。電磁場データの取得期間はそれぞれの観測点において 3 日～20 日間であった。次に、MT 周波数応答関数を推定し、全体として誤差の少ない良好な応答関数を得た。また、庄内－新庄測線については予察的な二次元構造解析を実施し、比抵抗断面を推定した。その結果、庄内東縁断層の深部延長上に比抵抗の低い帯状の領域がイメージされた。この低比抵抗帯は内陸地震の発生機構を解明する上で重要な意味を持っている可能性があるが、研究地域周辺における三次元性の強い比抵抗分布が二次元構造を仮定したことによって虚像を形成した可能性も棄却できない。
この問題を解決するためには、庄内－新庄測線および鳥海山測線の間を埋めるように面的に MT 観測点を展開し、三次元比抵抗構造解析を行う必要がある。
また、機構解明データセンターを開設した。今後は、継続してデータ収集・蓄積及びデータベースの構築を進めるとともに、データ利用者が使いやすいデータ公開の方法について更に検討を加える。

(d) 引用文献
1) Caldwell, T. G, Bibby, H. M. and Brown, C.: The magnetotelluric phase tensor,
Geophysical Journal International, Vol. 158, pp. 457-469, 2004.
2) Gamble, T. D., Clarke, J. and Goubau, W. M.: Magnetotellurics with a remotemagnetic reference, Geophysics, Vol.44, pp. 53–68, 1979.
3) Ogawa, Y. and Uchida, T.: A two-dimensional magnetotelluric inversion assuming
Gaussian static shift, Geophysical Journal International, Vol. 126, pp. 69–76, 1996.
4) 佐 藤 比 呂 志 , 平 田 直 ： 内 陸 大 規 模 地 震 の 震 源 断 層 を 探 る , 科 学 , Vol. 70, pp. 58-65,2000.
5) 卜 部 卓 : 多 チ ャ ン ネ ル 地 震 波 形 デ ー タ の た め の 共 通 フ ォ ー マ ッ ト の 提 案 , 地 震 学 会 講
演予稿集, No.2, P24, 1994.
6) 卜部卓, 束田進也: win－微小地震観測網波形験測支援のためのワークステーション・プログラム（強化版）, 地震学会講演予稿集, No.2, P41, 1992.
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(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、口発表者氏名頭・ポスター発表の別)
東北地方における異常市原寛・坂中伸也・

位相とその解釈(口頭)上嶋誠 ・ 2008 年 岩

発表場所(学会等名)
京都府宇治市発表時期
2009 年 2

国際・国内の別
国内

月

手・宮城内陸地震電磁気観測グループ
学会誌・雑誌等における論文掲載なし
マスコミ等における報道・掲載
なし(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
比 抵 抗 構 造 探 査 装 置 約 1 0 台 を 用 い 、平 成 2 0 年 度 に 観 測 を 実 施 し た 、鳥 海 山 測
線 、 庄 内 － 新 庄 測 線 の 間 を 埋 め る よ う に 、 観 測 点 間 隔 約 7～ 10 km の 面 的 な 広 帯
域 MT 観 測 を 実 施 す る 。 構 造 の 次 元 性 を 評 価 し 、 二 次 元 、 三 次 元 解 析 を 行 う こ とによって、深部比抵抗構造の決定精度の向上を図る。また、霧島火山、富士山、桜 島 等 で 比 抵 抗 構 造 探 査 や 自 然 電 位 観 測 等 を 実 施 し 、地 下 流 体 の 存 在 や そ の 流 動を 検 出 し 、地 殻 活 動 と の 関 連 性 を 調 べ る 。機 構 解 明 デ ー タ サ ー バ を 用 い て 、地 震 ・
地殻変動・地球電磁気データなどの多項目データの収録・収集を行い、デー タベー ス の 運 用 を 継 続 し 、データ利用者が使いやすいデータ公開の方法について更に検討を加える。

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表1

機構解明データセンターに集約するデータの種類
機関名

データセンターで，データベース化する必要のあるデータの種類（１－３）東大地震研①電磁気構造データ（１－４）京大防災研①連続波形データ，②イベン波形データ，③検測データ，④震源データ（１－５）北大①連続波形データ，②電磁気構造データ（１－６）東北大①連続波形データ，②イベン波形データ，③検測データ，④震源データ（１－７）名大①連続波形データ，②震源データ（１－８）九大①連続波形データ（１－９）東工大①  連続波形データ, ②湖水の水温・水位データ

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図1

観測点位置図60

図2

鳥海山測線における探査曲線

61

図3

庄内―新庄測線における探査曲線

62

図4

岩手宮城測線における探査曲線（その 1）

63

図5

岩手宮城測線における探査曲線（その 2）

64

図6

三次元性の影響の評価に使用した比抵抗分布図。上図は深度 1。5km における水平比抵抗面を、下図は庄内―新庄測線を通る比抵抗断面を示す。青の逆三角は庄内―新庄測線における観測点の位置を示す。

65

図7

三次元性の影響の評価に使用した海底地形分布。赤枠は図 6 の範囲を示す。

図8

二次元比抵抗構造および三次元比抵抗構造による探査曲線の比較

66

図9

庄内―新庄測線におけるフェーズテンソルによって推定された走向方向のローズダイアグラム

図 10

庄内―新庄測線における二次元比抵抗断面図
67

図 11

観測によって得られた探査曲線（OBS TM）と図 9 のモデルから計算された探査曲線（CAL TM）との比較
68

図 12

機構解明データセンター概要図。

69

図 13

図 14

機構解明データサーバホームページのトップページ。

取得したデータの詳細について記述されたホームページの例。

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