３.１.８

伸張場におけるひずみ集中メカニズムに関する研究

目次(1)

業務の内容・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・96(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・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・97(a) 業務の要約(b) 業務の成果
1) 伸張場地殻活動検出装置a) システム設計要件b) システム基本仕様と整備
2) 伸張場地震活動観測装置a) システム設計要件b) システム基本仕様と整備
3) 伸張場機動地震観測装置a) システム設計要件b) システム基本仕様と整備
4) 設置場所の検討(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・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・109

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(1) 業務の内容(a) 業務題目

伸張場におけるひずみ集中メカニズムに関する研究(b) 担当者
所属機関
九州大学大学院理学研究院

役職

氏名

准教授

松本 聡

メールアドレスmatumoto@sevo.kyushu-u.ac.jp(c) 業務の目的
日本海拡大による伸張とその後の圧縮によって形成されたひずみ集中帯の機構を解明するためには、圧縮場のみならず伸張場における応力の境界条件とこれに対する地殻の応答を比較することが重要であるため、現在日本列島の中でも顕著な伸張場を形成している別府島原地溝帯を含む九州地域において地殻の挙動を正確に把握する検知システム、及び局所的な構造を調べるための観測システムを整備し、詳細な地殻変動観測及び地震観測を行うことで、地殻活動の物理的メカニズムを考察し、ひずみ集中機構の解明を図る。
(d) ６ヵ年の年次実施計画
1) 平成１９年度：現在日本列島の中でも顕著な伸張場を形成している別府島原地溝帯を含む九州地域においてひずみ集中帯の機構解明に資する調査研究を実施するための伸張場地殻活動検出装置、伸張場地震活動観測装置、伸張場機動地震観測装置を整備するとともに、伸張場における詳細な地表変形、地震活動、地震波速度構造を推定し、ひずみ集中機構の解明を図るために最も効果的な調査観測点配置等の検討を行う。
2) 平成２０年度：伸張場における地殻の活動を把握するため、伸張場地殻活動検出装置をひずみ集中の起こっている別府島原地溝帯を横切る測線への展開に着手するとともに、GPS観測点設置を行う。また、地震発生後のひずみ変化に伴う地震活動変化を正確に把握するため、地殻活動の活発な内陸地震発生域に伸張場地震観測装置を設置する。また、既存の 地震観測網を補完して分解能を向上させるために、地震活動状況に応じて機動的地震観測装置を展開する。
3) 平成２１年度：上記測線の GPS 観測データを解析し、地表変形の状態（地殻変動）を把握する。また地震観測を継続し、詳細な地震活動データを得る。
4) 平成２２年度：地殻活動検出装置、地震活動観測装置による活動把握を継続する。また、速度等の物理定数把握を行うとともに、分解能向上のため、機動地震観測の移動、再展開を行う。
5) 平成２３年度：上記測線の観測データを解析し、地殻変動を把握する。また地震観測を継続し、詳細な地震活動データを得る。また、地表変形のデータから変形モデルの考察を行う。また、分解能向上のため、機動地震観測の移動、再展開を行う。
6) 平成２４年度：地表変形、地震活動、地震波速度構造等の解析結果を総合し、伸張場におけるひずみ集中機構の解明を目指す。

96(e) 平成１９年度業務目的
現在日本列島の中でも顕著な伸張場を形成している別府島原地溝帯を含む九州地域においてひずみ集中帯の機構解明に資する調査研究を実施するための伸張場地殻活動検出装置、伸張場地震活動観測装置、伸張場機動地震観測装置を整備するとともに、伸張場における詳細な地表変形、地震活動、地震波速度構造を推定し、ひずみ集中機構の解明を図るために最も効果的な調査観測点配置等の検討を行う。
(2) 平成１９年度の成果(a) 業務の要約
別府島原地溝帯を含む九州地域におけるひずみ集中帯の機構解明に資する調査研究を実施するための伸張場地殻活動検出装置、伸張場地震活動観測装置、伸張場機動地震観測装置を整備した。また、ひずみ集中機構の解明を図るために最も効果的な調査観測点配置等の検討を行った。
(b) 業務の成果
1) 伸張場地殻活動検出装置a) システム設計要件
伸張場地殻活動検出装置は、九州の特徴的な性質であると考えられている地殻の「南北伸張」とその中での地震発生域および別府島原地溝帯におけるひずみ集中を検出する。このため、まずは地殻変動を詳細に検出する必要がある。そこで、本装置は GPS 受信機および GPS アンテナから構成される。屋外に設置した GPS アンテナと室内に設置されたGPS 受信機は同軸ケーブルにて接続され、GPS 衛星からの L1 バンドおよび L2 バンドの搬送波、L1C/A コード、P コード、L2C コードを受信して、そのデータを受信機内部のメモリーに記録する。GPS アンテナは周囲からのマルチパス反射波の影響が少ないグランド
プレーンタイプのアンテナであり、雨や雪の影響が少ないカバーが取り付けられている。
受信機は LAN に接続することが可能であり、IP 接続された場合には、地震火山センターに設置してある雲仙火山地殻変動監視装置処理システムを用い、国土地理院が公開している GPS 基準点データも含めて自動的に各観測点間の距離を mm 単位で正確に計算することができる。また、受信機の設定を地震火山センターから遠隔操作で変更可能である。 観測を 1 年以上の長期間にわたって実施することにより、設置地点の地殻変動を正確に把握し、九州地区の伸張場におけるひずみ集中メカニズムに関する研究を推進する。
以上の要件を満たす伸張場地殻変動検出装置の基本的仕様について以下に述べる。
b) システムの基本仕様及び整備（性能、機能に関する要件）
伸張場地殻変動検出装置 1 式は、オンライン装置およびオフライン装置によって構成される。
ⅰ) オンライン装置は GPS 受信機 11 台、GPS アンテナ 11 台から構成され以下の要件を97

満たすこと。
１． GPS 受信機（11 台）(1) 消費電力は、アンテナ接続時 4.0W 以下であること。
(2) AC100V および DC12V の外部電源ポートをもち、どちらか片方でも問題なく稼働すること。
(3) 外部接続ポートは、電源ポートの他に、GPS アンテナポート、LAN ポート、シリアルポートを各 1 ポート以上備えていること。
(4) 受信チャンネル数は、24 チャンネル以上であること。
(5) 受信コードは L1、L2 搬送波、L1C/A コード、P コード、L2C コードが受信できること。
(6) 2 つの周波数帯において搬送波位相が全波長で測定できること。
(7) 暗号コードから P コードの切り替えはチャンネルごとに自動で行われ、P コードが変更されても、疑似距離の測定が可能であること。
(8) 150MB 以上の内部メモリーを備えていること。
(9) 観測したデータは圧縮された状態で格納され、GPS 受信機の電源が切れても既に格納された観測データが消去されないこと。
(10)データ容量が一杯になったときには、古いデータから消去されるリングメモリ方式に対応していること。
(11)同時に 2 種類以上のエポック秒数で観測データの保存が行えること。
(12)観測中でも、内部メモリーに保存された観測データは LAN ポートを使用してダウンロード可能で、24 時間の連続観測が途切れることなく繰り返し行えること。
(13)平成 11 年購入の雲仙火山地殻変動監視装置処理システム（日立造船情報システム（株）社製 GARDII）を用いて、観測データの自動取得や自動解析が不都合なく可能であること。
(14)野外作業において、観測の設定、観測の開始/停止の操作、観測データのダウンロード、観測状況の表示がパソコン等から http で行えること。
(15)GPS 受信機は、周囲の環境温度が-40℃から 65℃の間で正常に稼働すること。
(16)GPS 受信機は、完全密封型で耐環境性は IPX5 相当以上であること。
(17)GPS 受信機の耐衝撃性は、MIL-810-F 相当以上であること。

２． GPSアンテナ（11台）(1) GPS アンテナは、グランドプレーンを有し、20dB 以下の LHCP マルチパス除去が行えること。
(2) GPS アンテナは、周囲の環境温度が-40℃から 70℃の間で正常に稼働すること。
(3) GPS アンテナは、 完全密封型で耐環境性は IPX7 相当以上あること。 (4) GPS アン
テナは､ GPS 受信機と分離型であること。
(4) 耐衝撃性は、MIL-810-F 相当以上であること。
(5) 受信感度は、50dB 以上のアンテナ利得であること。
(6) アンテナと受信機を接続する同軸ケーブル 30m を付属すること。
98

(7) アンテナを屋外の 5/8 インチボルトに固定するために、整準台（水平調節ネジ 3 個を調整することにより、円形気泡管（感度：10' /2 mm 以内）又は平盤気泡管（感度：40″/2 mm 以内）で水平調整が可能なこと）およびアンテナ回転アダプタを付属すること。
入札の結果 GPS 受信機・米国・Trimble Navigation 社製・NetRS・11 台、および GPSアンテナ・米国・Trimble Navigation 社製・ZEPHYR ｼﾞｵﾃﾞﾃｨｯｸｱﾝﾃﾅ・11 台が日本 GPSソリューションズ株式会社から納入された。仕様は以下の通りである。
(1) 消費電力は、本体2.5W。

(2) AC100V および DC11～28V の外部電源ポートをもち、どちらか片方でも問題なく稼働する。また、内部電池ポートを 2 つ持つ。
(3) 外部接続ポートは、電源ポートの他に、GPS アンテナポート 1 ポート、シリアルポートを 3 ポート。
(4) 受信チャンネル数は、24 チャンネル。
(5) 受信コードは L1,L2 搬送波、L1C/A コード、P コード、L2C コードが受信できる。
(6) 2 つの周波数帯において搬送波位相が全波長で測定できる。
(7) 暗号コードから P コードの切り替えはチャンネルごとに自動で行われ、P コードが変更されても、疑似距離の測定が可能である。
(8) データは CF カードに記録され、取り外して PC でアクセス可能である。
(9) 観測したデータは圧縮された状態で格納され、GPS 受信機の電源が切れても既に格納された観測データが消去されない。
(10)同時に 2 種類以上のエポック秒数で観測データの保存が行える。
(11)観測中でも、内部メモリーに保存された観測データは RS232C ポートを使用してダウンロード可能で、24 時間の連続観測が途切れることなく繰り返し行える。
(12)平成 11 年購入の雲仙火山地殻変動監視装置処理システム（日立造船情報システム（株）社製 GARDII）を用いて、観測データの解析が不都合なく可能である。
(13)野外作業において、観測の設定、観測の開始/停止の操作、観測データのダウンロード、観測状況の表示がパソコン等から行える。
(14)動作範囲：周囲の環境温度が-40℃から 65℃。
(15)完全密封型で耐環境性は IPX7 相当。
(16)耐衝撃性は、MIL-STD-810F 相当。
納入された物品の写真は以下に示す。

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写真 1

GPS 受信機

写真 2

アンテナ部

100

ⅱ) オフライン装置は GPS 受信機 4 台および周辺機器で構成され、オンライン装置と同様の要件を満たすが、バッテリーで長時間駆動可能なものとする。当該機種は、インターネット 接続 等の機 能が 省略さ れて いるが 、消 費電力(3.5W)が少な く、記 録メ モリー 量もCF メモリカードで増設可能であるため、山中などの単独観測に最適な機材である。
これらの用件を満たす観測装置を下記の通り整備した。
米国トリンブルナビゲーションリミテッド社製 TRIMBLE5700 GPS システム一式（内訳）5700 GPS 受信機 4 台
Zephyr Geodetic アンテナ 4 台
10m アンテナケーブル 4 式
AC アダプター及び標準付属品 4 式
ハードケース 4 個
これらの仕様は以下の通りである。
• 高性能 Trimble Maxwell テクノロジー• 高精度複合コリレーターによる L1/L2 擬似距離測定• フィルター・スムージングのない擬似距離測定によりノイズ、マルチパス誤差、時間の遅れを軽減、ダイナミック特性を向上• 非常に低い L1/L2 搬送波測定ノイズ、1 Hz 帯域幅で精度 <1 mm• L1 と L2 の信号ノイズ比を dB-Hz 表示• 実績のある Trimble 低仰角トラッキング技術• 24 チャンネル L1 C/A コード、L1/L2 全波長位相、WAAS/EGNOSコードディファレンシャル GPS 測位 1
水平±(0.25 m + 1 ppm) RMS
垂直±(0.5 m + 1 ppm) RMS
WAAS ディファレンシャル測位精度、通常 <5 m 3DRMS2静止、高速静止 GPS 測量 1
水平±5 mm + 0.5 ppm RMS
垂直±5 mm + 1 ppm (× 基線長) RMS
キネマティック測量 1
水平±(10 mm + 1 ppm) (× 基線長) RMS
垂直±(20 mm + 1 ppm) RMS
初期化時間

シングル/マルチ基準局

最短 (10 秒 + 基線長(km) x 0.5)、30 km まで
拡張型 GPS インフラ基盤での初期化時間< 30 秒、適用エリア内、通常初期化の信頼性>99.9%、通常ハードウェア
101

5700 GPS 受信機
物理的仕様：
筺体

頑強、軽量、完全密封マグネシウム合金

防水

IPX7 基準で検証

衝撃および振動以下の環境基準で検証、適合:

衝撃

MIL-STD-810F、上空 1 m からコンクリート面への落下に耐える

振動

MIL-STD-810F、各軸質量

内部バッテリ、内蔵バッテリ充電器含む:1.4 kg

7 時間以上稼動の RTK 移動局セットで 4 kg 以下
13.5 cm × 8.5 cm × 24 cm

寸法 (W×H×L)
電気的仕様:
電源

DC 入力 11 ～ 28 V DC、過電圧保護

消費電力

2.5 W 受信機単体

バッテリ

後処理 10 時間または RTK 7 時間以上

(内部リチウムイオンバッテリ 2 個使用時)
バッテリ質量0.1 kg

バッテリ充電器内蔵、外部 AC アダプタ付; 外部電源必要なし

出力11.5 ～ 20 V DC (ポート 1)、

外部電源入力で 11.5 ～ 27.5 V DC (ポート 3)
認可Class B Part 15 FCC、CE Mark、C-Tick、カナダ FCC

環境的仕様：
動作温度–40 °C ～ +65 °C

保管温度–40 °C ～ +80 °C

湿度100%、凝縮通信およびデータ格納:• 外部電源ポート × 2、内部バッテリポート × 2、RS232 シリアルポート × 3• 組込み USB で 1 MB/秒でのデータダウンロード• 外部 GPS アンテナコネクタ• CompactFlash – 非常に小型・軽量なリムーバブルメディア、64 MB または 128 MB(Trimble オプション)• 6 衛星、15 秒エポックで連続 3,400 時間以上の L1+L2 ロギング (128 MB カード)• 2 つのイベントマーカー入力• 測位・データロギング @ 1 Hz、2 Hz、5 Hz、10 Hz• 1PPS 出力• CMRII、CMR+、RTCM 2.×および 3.× 入力/出力• 15 種類の NMEA メッセージ出力
Zephyr アンテナ寸法16.2 cm (直径) × 6.2 cm (高さ)

質量0.55 kg

動作温度–40 °C ～ +70 °C
102湿度100%防湿、完全密封

衝撃および振動以下の環境基準で検証、適合:

衝撃MIL-STD-810F、上空 2 m からコンクリート面への落下に耐える

振動

MIL-STD-810F、各軸• 4 点のアンテナフィードによるサブミリメートルの位相中心の再現性• 組込み低ノイズ増幅器• 50 dB アンテナ利得
Zephyr Geodetic アンテナ
寸法34.3 cm (直径) × 7.6 cm (高さ)

質量1.31 kg

動作温度
湿度–40 °C ～ +70 °C
100%防湿、完全密封

衝撃および振動衝撃

以下の環境基準で検証、適合:

MIL-STD-810F、上空 2 m からコンクリート面への落下に耐える

振動 • 4 点のアンテナフィードによるサブミリメートルの位相中心の再現性• 組込み低ノイズ増幅器• 50 dB アンテナ利得• Trimble Stealth グランドプレーンによるマルチパス除去納入された物品の写真を添付する。

写真 31032) 伸張場地震活動観測装置a) システム設計要件
本装置は、ひずみ集中メカニズムを解明する上で重要な要素である、地震活動を高い精度で観測する装置である。特に、地震後のひずみ集中を検出するために福岡県西方沖地震震源域南東部、警固断層周辺に設置することが適切であると考えた。センサーは規模の小さい地震も検出できるように、高感度で速度型のものである必要がある。一方福岡市内は高い人工的ノイズのために精度の高い検出ができないために、地震計をボアホールに設置する必要がある。ボアホールは既存のものを使用するか、もしくは別途予算で新たに掘削する。そのため、経費節減の必要性から小型・軽量のセンサーを選択する必要がある。
以上の要件を満たす伸張場地震活動観測装置の基本的仕様について以下に述べる。
b) システム基本仕様と整備
地震計センサーは以下の仕様を満たすもの 2 台によって構成されることとする。
上下動 1 成分、水平動（直交 2 成分）を有し、速度型であること。

センサー
固有周期：

1Hz

感度： 400V /m/s 以上
重量：5kg 以下

直径：7.5cm のボーリング坑に設置可能

長さ：100cm 以内

ダイナミックレンジ：136db

以上

防水仕様の事
以上の仕様を満たす設備として、レナルツ社製

3 成分地震計

LE-3D/BH

2 台を整備した。この仕様は以下の通りである。

センサー数3, 直交 3 成分 (Z, N, E)

固有周波数および検出上限周波数

1 Hz, 80 Hz

センサー感度

400 V/m/s

ダンピング

0.707 critical

電源+9…+16 V DC

消費電力

8 mA @ 12 V DC typical

周波数特性の理論値からの偏差± 0.1 dB

重量（ケーブルを除く）

4.9 kg

全長100 cm

センサー部の長さ

50 cm

直径

approx. 5.8 cm

104

min. 7 cm, max.: please

導入可能なボアホールケーシング径

inquireRMS ノイズ @ 1 Hz

3 nm/s

ダイナミックレンジ

136 dB
3 poles:-4.444 / +4.444j

周波数特性-4.444 / -4.444j-1.083 /0.000j

納入物品の写真を以下に示す。

写真 4

地震計 2 式3) 伸張場機動地震活動観測装置a) システム設計要件
ひずみ集中メカニズムを明らかにするためには、高い分解能で地下構造をイメージングすることが重要である。3 次元空間における構造のイメージングを行なうためには、自然地震を稠密な地震観測網で観測することによって、その観測点間隔に応じた分解能でイメージングが可能となる。さらに詳細な震源分布は地震発生メカニズムを知る上で重要であ105る。そのためには、地震計を稠密でかつ多点に展開することが必要とされる。理想的には、全ての地震計をオンラインで連続的に収集し、リアルタイムで処理可能なシステムが望ましいが、多額の経費を要する。したがって、地震観測システムとしては、機動性とコストパフォーマンス性を重視したオフライン方式地震観測を採用し、震源断層モデル構築に資するための自然地震観測を行なうこととした。今回の整備する伸張場機動地震観測装置は、システムとして以下の基本的要件が設定された。
・商用電源や通信手段が無くとも長期間の観測を可能とすること。
・設置に必要な面積が狭いこと。
・環境の変化や目的の変更等に応じ、移設が容易であること。
・設置に要する時間が短くて済むこと。
さらに、以下の要件も考慮された。
・収録データの信頼性に関する指標を含むこと。
・データ回収後の処理が容易であること。
・既存のオンライン観測データとの統合処理が容易であること。
以上の要件を満たす機動的地震観測システムの基本的仕様について以下に述べる。
b) システム基本仕様と整備
本システムはデータ収録装置 15 台から構成され、主たる目的を自然地震の機動観測に当てる。データ収録装置としては、品質低下することなく消費電力を抑えたシステムとし、観測環境にフレキシブルに対応可能なものとするために、データを取得する機能と遠隔監視、遠隔操作する機能をモジュールとして分離した構成とした。電源管理については、商用電源（AC100V）の供給が無い状況下の利用を前提とし、定期的な GPS 校正など、効率的な省電力による観測運用が可能なものとする。特に、長期間使用できることが最重要の要件である。商用電源が利用できる場合には測定精度を優先し、常時 GPS の同期をするなど観測条件に最適な電源制御が可能なものとする。また、充電可能な 2 次電池を利用した場合に過放電を防止するなど保護機能を有するものであること。測定データは、一般的な WindowsPC で読み書き可能な FAT32 形式のファイルシステムでフォーマットされたコンパクトフラッシュ・メモリカード（CF カード）に保存し、国内大学が標準採用する WIN1形式の両形式に変換して保存することができること。また、可搬性に富み、軽量、防水性を持つことが要求される。以下に、仕様を示す。
デジタル変換精度：16bit 100Hz 3ch 以上であること
刻時精度：常時 1 ミリ秒以下であること
消費電力：0.2W 未満であること
データ記録方式：連続記録方式で 8GB 以上記録容量をもつこと
データ形式： win 形式であること
外形： A4 サイズ以下、容積 4000cm3 以下、重量 2kg 以下、防水性を持つこと
これらの仕様を満たすものとして、
株式会社近計システム製
106

稠密地震観測用データロガー
EDR-X7000
15 台を整備した。
仕様は以下の通りである。
デジタル変換精度：17bit、250Hz

1kHz

3ch

刻時精度：GPS 時計内蔵、常時 1 ミリ秒以下
消費電力：0.15W(typ.)
データ記録方式：連続記録方式
データ容量：24GB（最大)データ形式：

win 形式(変換ソフト添付)

外形：230×181×68mm
重量：1.2kg、防水ケースつき納入された物品の写真を以下に示す。

写真 5

ケースに入れた状態

107

写真 615 台分のロガー

4) 設置場所の検討
1)－3)で整備した装置について、設置場所の検討を行った。伸張場地殻活動観測装置は別府島原地溝帯を横断するように展開する基本展開と、火山など特徴的な変動を示し、ひずみ集中に寄与する可能性がある地域に展開することとした。2)については福岡県西方沖地震によるひずみ蓄積の影響を詳細に調査するために、警固断層付近に設置することを決定した。3)については別府島原地溝帯および福岡県西方沖震源域に機動的に展開すると共に、突発的な地震活動があった場合はそのひずみ集中への影響を調査するために緊急的に展開することにした。

(c) 結論ならびに今後の課題
伸張場におけるひずみ集中メカニズム解明のための地殻活動検出装置、地震観測装置、機動地震観測装置として、オンラインおよびオフライン GPS 受信機、高感度ボアホール型地震計、地震観測用低消費電力オフラインロガーを整備した。これらにより。伸張場における地殻活動観測環境が整った。これらを効率的に展開する計画も検討し、別府島原地溝帯および福岡県西方沖地震震源域への展開を決定した。今後、設置の具体的な手続きを進めると共に最適候補地を決定する必要がある。さらに、観測データの蓄積、既存連続データへの統合、処理解析などのプロセスを整備する必要がある。特に、データ処理を行なう際には、既存システムとの連携が必要不可欠であることから、円滑な処理フローを構築
108することが課題となる。なお、今回整備された装置は、本調査観測・研究が終了した以降は、大地震後の臨時観測等、様々な地震調査観測に利用することを前提としている。そのための機器の維持、故障修理、更新等を遂行する体制を整備するとともに、全ての機器を収納するためのスペースの確保、さらに、調査観測を円滑に推進するための枠組み整備が必要となるであろう。
(d) 引用文献なし(e) 学会等発表実績
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
伸張場における地殻の活動を把握するため、伸張場地殻活動検出装置をひずみ集中の起こっている別府島原地溝帯を横切る測線への展開に着手するとともに、GPS 観測点設置を行う。また、地震発生後のひずみ変化に伴う地震活動変化を正確に把握するため、地殻活動の活発な内陸地震発生域に伸張場地震観測装置を設置する。また、既存の 地震観測網を補完して分解能を向上させるために、地震活動状況に応じて機動的地震観測装置を展開する。

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