スペクトルインバージョンに基づく
九州地方の地盤増幅特性の推定に関する研究

石作桃子

1. はじめに地震動の特性は震源特性、伝播経路特性、地盤増幅特性によって特徴づけられ、特に地盤増幅特性、すなわち地震基盤から地表までの堆積層が地震動に及ぼす影響は大きいと考えられている。川瀬（1993）では、表層地盤が地震動特性に大きな影響を与えることに言及し、表層地盤の地震波増幅に関する研究の将来的な課題について述べている 1)。
九州地方では多くの活断層が存在し、近年では 2005年の福岡県西方沖の地震や 2016 年熊本地震などの地震被害も発生している。また、太平洋沿岸では日向灘周辺の地震活動度が高いほか、南海トラフの地震の懸念もあるなど地震の揺れによる被害に対して十分な備えが必要である。よって、九州地方において地盤増幅特性を適切に評価することは、地震動に対する建造物
図1等の安全性を考える上で重要である。染井・ほか（2019）2)

九州地方の対象観測点と活火山の分布 6)では、スペクトルインバージョンに基づいて熊本地

1 に対象観測点と活火山の分布を示す。

震系列の強震記録から九州地方の一部観測点の地盤震

3. スペクトルインバージョン

動特性を推定しているが、対象とする強震記録および3.1 解析手法

観測点の範囲を広げたうえでの解析が必要であると考

以下に、岩田・入倉（1986）4)を引用してスペクトルえる。

インバージョンの概要を示す。

そこで本研究では、九州地方全域を対象として防災

今、𝐼個の地震が𝐽個の観測点ですべて観測されたと

3）

科学技術研究所の強震観測網 K-NET および KiK-net

する。そのとき𝑗番目の観測点で観測される𝑖番目の地の観測点で観測された強震記録に対しスペクトルイン

震記録のフーリエ振幅スペクトルは次式で表される。

4)

バージョン を適用し、地盤増幅特性の推定を行う。

𝑂𝑖𝑗 = 𝑆𝑖 (𝑓) ∙ 𝑃𝑖𝑗 (𝑓) ∙ 𝐺𝑗 (𝑓)(1)

また、推定した地盤増幅特性と各地域の地質の関係に

ここで𝑆𝑖 (𝑓)は𝑖番目の地震の震源特性、𝑃𝑖𝑗 (𝑓)は𝑖番目のついて考察を行う。

地震の震源から𝑗番目の観測点までの伝播経路特性、

2. 対象地域の概要

𝐺𝑗 (𝑓)は𝑗番目の観測点における地盤増幅特性である。

九州地方は中央に九州山地が形成されており、その伝播経路特性は震源距離を𝑅𝑖𝑗 、伝播経路における平均北部に阿蘇山や九重山、南部に霧島山が分布している。

的な S 波速度を𝑉𝑠 、S 波の𝑄値を𝑄𝑠 として次式で表され阿蘇山は東西に 18 ㎞、南北に 25 ㎞の世界最大規模のる。

カルデラを形成している。主な平野としては、福岡県・

1

𝜋𝑓𝑅

𝑖𝑗𝑠 𝑠

佐賀県の南部に位置する軟弱地盤を有する九州最大の𝑃𝑖𝑗 (𝑓) = 𝑅 exp (− 𝑄 𝑉𝑖𝑗)

筑紫平野、宮崎県東部において南北 60 km に広がる宮この式を線形化するために両辺の常用対数をとると、崎平野のほか、直方平野、熊本平野、川内平野などが次のように表される。

ある 5）。

log 𝑂𝑖𝑗 = log 𝑆𝑖 + log 𝑃𝑖𝑗 + log 𝐺𝑗

(2)

(3)

本研究では鹿児島県の離島部を除く九州地方の K-

地震と観測点の組み合わせにより𝐼 × 𝐽個の式が成り立NET および KiK-net 観測点計 208 点を対象とした。図つ。これらの連立方程式を解くことによって周波数𝑓16-1

毎に𝐼個の震源特性、𝐽個の地盤増幅特性、1 個の𝑄値解析により求められた地盤増幅特性の一例を図 3 にの計𝐼 + 𝐽 + 1個のパラメーターを決定する。なお、この示す。OIT016、MYZ008、MYZH06、KGSH08 は前弧側

とき𝑆𝑖 (𝑓)と𝐺𝑗 (𝑓)の間にトレードオフの関係があるたの観測点、FKO002、SAGH04、NGS019、KMMH05 はめ、拘束条件が必要となる。本研究では大浴（2021）

背弧側の観測点である。図中には野津・長尾（2007）

8）9)側までフラットであった FKOH10 と OITH09 を岩盤観SAGH04 では 10 Hz 付近、NGS019、KMMH05 では 2.0

測点とみなし、地盤増幅特性を全周波数において 2 と～5.0 Hz、OIT016、KGSH08、FKO002 では 1.0～2.0 Hzして拘束条件に用いた。に地盤増幅特性のピークが見られ、野津・長尾（2007）

3.2の結果とも概ねピークの位置が一致していることからの解析結果から、地表/地中スペクトル比が高周波数データセットの結果も併せて示している。MYZ008、MYZH06、

本研究では 1996 年 10 月から 2020 年 9 月までに起推定の妥当性が確認できる。また、前弧側観測点はデ

こった地震で震央距離が 300 ㎞以下の観測記録のうち、ータセットの種類に関わらず概ね形状が一致している

S/N 比を考慮して気象庁マグニチュード（𝑀𝑗 ）が 4.5 以が、背弧側観測点はデータセットによる地盤増幅特性上、表層地盤の非線形挙動の影響を考慮して最大加速の差が大きい傾向がある。

2度 100 cm/s 以下の地震の強震記録を使用した。解析に用いるフーリエ振幅スペクトルは水平 2 成分をベクトル合成したものとし、JMA2001 走時表 7)を用いて S 波到達後から 10.24 秒間を読み取って算出した。平滑化にはバンド幅 0.4 Hz の Parzen ウィンドウを用い、解析区間の前後 10％に Cousin taper をかけた。
また、地震タイプと伝播経路の違いによる解析結果の違いを検討するため、観測点と地震を火山フロントの前弧側と背弧側のグループにそれぞれ分け、観測点と地震のグループの組み合わせ 4 パターンに全観測点と全震源の組み合わせを加えた計 5 パターンのデータセットに対してスペクトルインバージョンを行った。
図 2 に火山フロントと震央位置の分布を示す。
3.3 解析結果

図 2

解析に用いる地震の震央位置の分布と火山フロント 6)

図3
16-2

推定された地盤増幅特性の例

図5

長周期側で地盤増幅特性が 10 以上の観測点 6)0.1

図6

全震源×全観測点
前弧側震源×前弧側観測点
前弧側震源×背弧側観測点
背弧側震源×前弧側観測点
背弧側震源×背弧側観測点

0.01短周期側で地盤増幅特性が 15 以上の観測点 6)

阿蘇カルデラの KMMH04 で地盤増幅特性が大きくなっている。一方、短周期側では、直方平野、宮崎平野、都城盆地、肝属平野、阿蘇カルデラにおいて、地盤増1/Q

幅特性が大きい観測点が複数見られる。また、筑紫平野の FKO015 や川内平野の KGS007 では、長周期側で0.001

図4も短周期側でも増幅特性が大きくなっている。

川瀬・松尾

全ての周波数帯において特に平野部や盆地、海沿い(2004)10）と推定された𝑄/1値の比較の地域で増幅特性が大きい観測点がみられる一方、佐0.0001
0.1

110

賀県の観測点では他の地域に比べて増幅特性が小さ

Frequency[Hz]次に、図 4 に解析により求められた1/𝑄値を示す。

い傾向にある。また、同じ地域内の観測点であっても背弧側震源と背弧側観測点の組み合わせのみ低周波側

それぞれの観測点の地盤増幅特性の値に大きな差があに大きなトラフが表れているが、他の組み合わせではり、各地に局所的に増幅特性が大きい地点が見られる。

概ね形状が一致しており、これは川瀬・松尾（2004）

4.2 地形との対応の検討

10）の1/𝑄値の形状とも概ね一致している。したがって、

J-SHIS の微地形区分 11)および国土地理院の土地条件データセットの違いによる伝播経路の影響は少ないと

図 6)と推定された地盤増幅特性の対応を検討する。地考えられ、以降の検討には使用した観測記録が最も多盤増幅特性が大きい地点が集中していた宮崎平野、都い全震源と全観測点の組み合わせによるデータセット

城盆地および阿蘇山周辺について微地形区分の図と増で求められた地盤増幅特性を使用する。

幅特性が大きい観測点との対応を図 7 に示す。また、

4. 地盤震動特性の評価と地質との対応

1.0～2.0 Hz と 2.0～5.0 Hz でそれぞれ著しく増幅特性

4.1 地盤増幅特性の空間分布が大きかった MYZ013 と MYZH11 について、土地条件図と増幅特性の対応を図 8 に示す。

対象とした全観測点について、推定した地盤増幅特性を周波数ごとに分け相加平均を算出し、その空間分まず、阿蘇山周辺と宮崎平野、都城盆地において、布を求めた。長周期側（0.2~1.0 Hz）で増幅特性が 10短周期側で地盤増幅特性が大きい地点の微地形区分は、以上の観測点を図 5、短周期側（1.0~20.0 Hz）で増幅特火山山麓地、火山性丘陵、砂礫質台地、ローム台地の性が 15 以上の観測点を図 6 に示す。

いずれかである点が多かった。よって、火砕流堆積や長周期側では、姶良カルデラや熊本平野の KMM008、 砂礫質、火山灰土層などの地形の観測点において、短16-3

図7

地盤増幅特性が大きい観測点と微地形区分との対応 11)

2.0~5.0 Hz

自然堤防

1.0~2.0 Hz

谷底平野
氾濫平野

盛土地
埋立地

図 8 地盤増幅特性と土地条件図との対応 6)
周期側の増幅特性が大きくなる傾向があることがわかで火砕流堆積物や砂礫質、長周期側で粘性土などのる。一方、長周期側で地盤増幅特性が大きい地点の微軟弱地盤である地点が多く見られた。

地形区分は後背湿地であり、粘性土からなる地盤で増・同じ宮崎平野内の観測点であっても、特に自然堤防幅特性が大きくなる傾向があることがわかる。

や盛土地の観測点では著しく大きな地盤増幅特性

次に、MYZ013 と MYZH11 について土地条件図を見が見られた。てみると、MYZ013 は自然堤防、MYZH11 は盛土地であることがわかる。自然堤防は洪水時に運ばれた砂な

参考文献

どが流路沿いに堆積してできた地形であるため、砂質

1)

土が多く軟弱な地盤である。また、盛土地は人工的に造成された土地であるため、自然に形成された地盤と比べて地盤は軟弱である。同じ宮崎平野内でもこれらの 2 点で著しく増幅特性が大きいのはこのためであると推測される。
5. まとめ本研究では、九州地方の 208 観測点を対象に K-NETおよび KiK-net の強震記録を用いて、対象地域の地盤増幅特性の評価を行った。また、推定した増幅特性と地形との対応を検討した。
以下に得られた知見を示す。
・推定した地盤増幅特性について、そのピークを示す周波数は既往の研究とも概ね一致しており、妥当な結果である。
・九州地方において観測点および震源の位置による伝播経路特性への影響は少ないと推測される。
・平野部や盆地で地盤増幅特性が大きい傾向がある一方、佐賀県では地盤増幅特性が小さい観測点が多い。
・地盤増幅特性が大きい観測点については、短周期側
16-4

川瀬博：表層地質による地震波の増幅とそのシミュレーシ
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