シリーズ「新・強震動地震学基礎講座」（第 3 回）強震観測
強震動委員会●はじめに青井真（防災科学技術研究所）にわたる機器を展開してきた．1996 年から順次運用を開

日本における強震観測は SMAC 型強震計の開発ととも始した第一世代の K-NET95 および SMAC-MDK は，地震に 1950 年代に始まり，1968 年十勝沖地震や 1978 年宮城発生直後にデータセンター側からダイアルアップすること県沖地震などで貴重な強震動記録が取得され，デジタル方によりデータを回収し，インターネット経由で公開した．

式への移行など多くの技術的発展にも支えられ，産官学に2003 年度から更新を開始した第二世代の K-NET02/02A

より強震観測が行われてきた．強震観測データは理学，工および KiK-net06 は，気象庁の震度計検定に合格し正式に学の関連学術研究や耐震性評価，ハザード評価などに欠か震度計としての機能を備え，その一部は後述する震度情報すことが出来ないだけでなく，近年の観測技術や通信環境ネットワークに組み込まれるとともに，現地の観測機器がの向上により，リアルタイムでデータが得られるようにな地震を自動的に検知し観測点側からのダイアルアウト機能り，緊急地震速報をはじめとする防災に関する即時情報とを付加することでデータ取得に掛かる時間を格段に短縮すして活用することで起こりつつある地震被害の軽減というることに成功した．また，リアルタイム震度などの強震動新しい役割が期待されている．強震計は，民間によるもの

指標や長周期地震動に関する指標を現地機器で計算し送信も含め様々な形態で設置されており，現在日本には一万点する機能を具備している．2012 年度から更新を開始したを遙かに超える強震観測点があると考えられるが必ずしも第三世代の K-NET11/11A および KiK-net11/11A は 2011

その全容は明らかではない．本稿では主に，公的機関によ

年東北地方太平洋沖地震などで経験した大地震発生時の厳り全国的に展開され，データが公開されている強震観測網

しい観測状況に鑑み，観測の信頼性をより高めるための取について概観する．

り組みが行われた．
大規模な観測網の展開により大震幅の強震動がしばしば● K-NET・KiK-net取得されるようになったことから，第一世代では各成分

1995 年兵庫県南部地震では国内の地震として初めて震2000 gal であった最大計測可能範囲が，第二・三世代では源断層近傍の強震動が記録され，その後の研究開発に大きそれぞれ 4000 gal・8000 gal に拡張された．また，第二世な貢献を果たした一方，地震直後の初動への活用という観代以降（除く K-NET02）では長周期まで良い特性を持ち，点で様々な不備が浮き彫りになった．この教訓に基づき地「トビ」が少ない水晶ヒンジを持つ加速度センサー JA

震調査研究推進本部（以下，地震本部）が設置され，日本

40GA を採用し，第三世代では直交三成分に加え斜交成分の地震調査観測は大きな転機を迎えた．防災科学技術研究を計測する加速度計を加えた四成分観測を採用するなど，

所（以下，防災科研）は，かねてよりの強震観測事業推進

高性能かつ信頼性の高い観測を実現している．

連絡会議からの提言を受け，兵庫県南部地震後一年あまりで 1000 点 の 地 表 強 震 観 測 点 か ら な る 全 国 強 震 観 測 網●気象庁による強震観測K-NET（Kyoshin NETwork）を構築し，1996 年 6 月より気象庁による強震波形のデジタル収録は 1988 年の 87 型運用を開始した．また，防災科研では鉛直アレー方式を採電磁式強震計から始まり，現在では大きく分けて，07 型用した基盤強震観測網 KiK-net（Kiban-Kyoshin network）

震度計によるものと多機能型地震観測装置によるもの 2 つも運用している．これらの観測網（図 1 上）は構築当初よがあり，島嶼部を含む全国に合計で約 670 観測点が設置さりオープンアクセスを前提としていたことが大きな特徴とれている（図 1 下）．多機能型地震観測装置は 2003 年 10

して挙げられ，インターネットによる地震直後のデータ公月より運用が開始され，全国に約 270 観測点が設置されて開に先鞭をつけた．

おり，加速度波形記録を収録するだけでなく，計測震度演強震観測において最も重要なことは記録を確実に取るこ算や緊急地震速報の解析に必要となる情報である B-Δ 演とであるが，それに加え近年では記録をより早く取得する算を現地の観測装置の内部で処理する機能を備えている．

ことの重要性が高まってきている．これらを実現するため2007 年 12 月から運用が開始された 07 型震度計は全国に防災科研では観測機器を独自に開発し，これまでに三世代約 400 観測点が設置されており，計測震度だけでなく，加NL-1-18

速度波形記録が有線の通信回線により気象庁に集約されてな震源近傍の強震動が記録され公開されている．更にいる．これらの観測は，有線だけでなく衛星回線でバック

1999 年には，各種機関により運用されている強震観測網・アップされるとともに，非常用電源を備えるなど災害時に震度観測網などと波形データの交換を可能とする大都市圏も観測を継続することが意識されたシステムとなってい強震動総合観測ネットワークシステムの，六大都市圏の拠る．観測データは気象業務支援センターから DVD-ROM

点国立大学への整備が試みられた．なかでも，首都圏強震で提供されているほか，震度の大きな地震等の記録に関し動総合ネットワーク（SK-net）は関東圏及びその周辺の自ては，気象庁の Web サイトで地震後にデータが公開され治体震度計を含む多くの機関の波形データを収集し，大学る．などの研究者に公開している．

●震度情報ネットワークシステム●岩盤における強震観測

震度は防災対応の最も基本的な指標であり明治時代からこれまでに紹介してきた強震観測点の多くは，KiK-net

体感により観測されてきた長い歴史があるが，客観性や迅の地中観測点を除けば，多かれ少なかれ表層地盤の影響を速性を高めるため 1980 年代から機器計測による計測震度受ける環境下の観測であるといえる．電力中央研究所が運の導入が気象庁により検討され，1996 年には体感による用している露頭岩盤上強震観測システム（RK-net）は，観測が廃止され震度計による計測に完全に移行された．

堆積地盤の影響を受けにくい露頭岩盤に約 30 点の強震観1995 年兵庫県南部地震を契機に，迅速に市町村別の震度測点を設置している点で特徴的であり，震源破壊メカニズ

分布状況の把握し応急対応に資する情報を得ことを目的にムの解明，堆積地盤への入力地震動の把握，耐震設計の検計測震度計を全市町村に広めるため，自治省消防庁（当時）証を目的としている．また，多くの地点は 1970 年代半ばによる国庫補助事業として震度情報ネットワークシステム

より順次設置されてきた観測を継続していることから，長の整備事業が実施された．震度情報ネットワークシステム

期にわたり同一条件での観測データの蓄積がはかられていは，気象庁や防災科研が既に設置していた機器を活用するる．

とともに，都道府県や政令市などの自治体が新たに震度計

また，防災科研が運用する広帯域地震観測網 F-net（図を設置し，これら三者の機器により構成されている．時期

1 上）は良好な観測を行うため，山肌に横坑（トンネル）によって多少の増減はあるが，現在は，気象庁による 07を掘削し，その行き止まりの硬質岩盤上の設置台に STS-1型震度計及び多機能型地震観測装置（約 670 点）と防災科や STS-2.5 などの広帯域地震計とともに，大地震による振研の K-NET の一部（約 780 点）に加え，自治体が設置しり切れを防止しダイナミックレンジを確保するため VSE-ている約 2900 点の震度計により，合計で 4000 台を超える355G3 などの速度型強震計を設置しており，これらのデー震度計からなる大規模な全国ネットワークを構成していタは Web サイトより公開されている．

る．これらの震度計から得られる計測震度は一元化され，防災関連機関や報道機関などに提供される．震度情報ネッ●港湾地域における強震観測

トワークシステムはすべての市町村最低一台の震度計を設

港湾に特化した強震観測としては港湾地域強震観測が挙置することを原則としており，多くは市町村役場や公的施げられる．この観測網は 1962 年に開始され，国土交通省設などに設置されていることから，空間的に等間隔ではな

港湾局などの港湾関係諸機関が参画し港湾空港技術研究所

く人口が多い地域の観測点密度が高い傾向にある．

が取り纏める形で実施されており，現在では全国 61 の港自治体が設置している震度計の機種は様々であるが基本

湾に 153 台の強震計が設置されており，これらのデータは性能は類似しており，2009 年頃から多くの自治体に導入

Web サイトより公開されている．高層建築物の耐震設計された第 2 世代の震度計ではほぼ全ての機種で計測震度をに用いられている標準 3 波の 1 つである八戸波（1968 年

記録するだけでなく，波形記録を収録する機能を備えてい十勝沖地震の際の八戸港の記録）を取得したことでも知らる．ただし，通信環境やセンター機能の制限，また自治体れている．

にとっては必ずしも波形記録が必要ではないなどの理由により，その扱いは様々である．気象庁では，2003 年頃か●建物における強震観測

ら大きな震度が記録された顕著な地震（現在は原則最大震

耐震工学の観点からは，地盤上だけでなく建物における度 5 強以上）に関しては自治体に波形データの回収を依頼

強震観測が重要であるが，建物における観測は個別の所有し，Web サイト等で提供している．2004 年新潟県中越地者やその関係者により行われる場合が多く，地盤上におけ震の川口町（新潟県）や 2016 年熊本地震における益城町る観測データほどオープンではない．その中にあって，建及び西原村（熊本県）における震度 7 の波形記録など貴重

築研究所の強震観測は公的機関により半世紀にわたり実施

NL-1-19図 1 （上）防災科研の観測点配置図．丸印は

K-NET のうち震度情報ネットワークシステムに組み込まれているものを示す．（下）気象庁（07 型震度計と多機能型地震観測装置）及び自治体（震度計）の観測点配置図．

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され，多くの顕著な地震についてデータが公開されている．

提供されるケースもあり広く活用されている．

建物の動的な挙動の解明を目的に，首都圏を中心に全国の大学においては，当該地域の地震切迫性や地盤特性など主な都市に 74 の強震観測地点が配備されており，基本的を考慮し地域の研究課題を反映した観測が行われているほに建物の頂部と基礎にセンサーが設置され，地盤と建物のか，キャンパス内や自治体などと連携した強震観測が行わ相互作用の解析のため，近傍の地盤にもセンサーが設置されている．また，被害地震の際には機動性を生かした臨時れている地点もある．

強震観測が実施されている．
協議会形式での強震観測の例としては，兵庫県南部地震●海域における強震観測の震源近傍強震動を捉えた関西地震観測研究協議会

海域には人が居住せず沿岸を除けば建築物もないため， （CEORKA）のように，会費で 20 年以上の長年にわたり強震動による直接の被害はほぼないが，海域で発生する地観測を継続している事例もある．

震の地震動を震源近傍で捉えることにより破壊過程をはじめとするさまざまな震源に関する知見が得られることに加●おわりにえ，地震の早期検知という観点から，陸域の地震観測網を強震観測は従来イベントトリガー方式と現地ため込み方海域に延長することでより早く地震を捉え猶予時間を大き式の組み合わせにより頻度の低い強震動を確実に記録するく稼ぐことが可能になるという防災上のメリットもある．

ことに主眼が置かれてきたが，近年の観測技術や通信環境

日本において海域におけるケーブル式観測網に加速度型強の劇的な向上により確実性を損なうことなくリアルタイム震計が採用され始めたのは 1990 年代であり，2000 年代にの連続観測が可能となってきた．現在，強震連続観測デー

入り南海トラフにおける地震・津波観測監視システム

タを防災情報としてより有効に活用する事を目指し，デー（DONET）や日本海溝海底地震津波観測網（S-net）など

タの一部は緊急地震速報に活用されているほか，強震動指大規模な海域観測網の運用が開始されている（図 1 上）．

標に関しては強震モニタという形で誰もが今の揺れを知る2016 年 8 月 20 日の三陸沖の地震（M 6.4）では，陸域のことが可能なシステムとして公開されている．また，震源観測網 Hi-net に比べ S-net では約 22 秒早く地震波を捉え情報を用いることなく「揺れ」から「揺れ」を直接推定すている．今後このようなデータが活用され，懸念される海る手法の開発が行われており，新たな観測技術や解析技術

溝型巨大地震における被害の軽減に役立つことが期待されを開発する重要性と有効性は今後ますます高まると考えらる．

れる．
これまで国内外の多くの先人の努力により長年にわたり●その他の強震観測

強震観測が継続されることで貴重なデータが得られてき鉄道・高速道路・発電所・ガス・ダムなどにおいて各社た．短期的な研究成果を挙げることが重要視される風潮がによりライフラインの維持や地震発生時の状況把握や緊急あるが，新しい技術を取り入れつつも，同一地点において停止などの制御などを目的に強震観測が行われている．た観測を継続し，兵庫県南部地震や熊本地震，東北地方太平

とえば，地震時にガスの供給を安全に停止することを目的

洋沖地震のような極めて頻度の低い重要なイベントの強震にした東京ガスの超高密度リアルタイム地震防災システム

動を確実に記録することも非常に重要である．

（SUPREME）では自社供給地域に約 4,000 箇所の地震計を設置していたり，発電所においては地中・地盤・基礎・

謝辞：青木重樹氏，岩田知孝氏，功刀卓氏，芝良昭氏，野建屋に稠密に設置されている．このように目的に応じて特津厚氏，畑山健氏，藤原広行氏，干場充之氏にはコメント徴的な観測がなされているが，顕著な地震発生時に得られをいただいた．また，多くの文献や Web サイトの情報をた貴重なデータは販売されているものや学会などを通じて参考にさせていただいた．記して感謝いたします．

（第 4 回）応答スペクトル
強震動委員会

松崎伸一（四国電力株式会社）

地震動の性質は，地震の震源特性（地震規模や深さなど），度階，計測震度，最大加速度，最大速度などがある．1948

震源からの伝播特性（減衰や深部地下構造など），サイト

年福井地震を契機に震度 7 が制定されて以降，初めて震度増幅特性によって大きく影響を受ける．その性質のひとつ

7 が適用された 1995 年兵庫県南部地震では，死者 6,434 名である“地震動の強さ”を示す指標としては，例えば，震という甚大な被害がもたらされたが，このとき JR 鷹取でNL-1-21

観測された最大水平加速度は 650 cm/s2 程度であった．一

重要な概念として，構造物の耐震設計，被害予測，耐震診方，2011 年東北地方太平洋沖地震の際，同じく震度 7 と断などにおいて広く利用されている．

2

判定された K-NET 築館では，2,933 cm/s （3 成分合成値）

ここで，種々の応答スペクトルの特徴を把握しておくこという大きな最大加速度が観測されたにも係わらず，神戸とも重要であろう．応答スペクトルは，加速度としては絶のような甚大な被害には至らなかった．このように，地震対的な揺れ（絶対加速度応答スペクトル SA）を，変位と動の特性と被害との関係をあるひとつの指標だけで表現す

速度については構造物の相対的な揺れ（相対速度応答スペるのは困難である．それは，地震動は様々な周期の波を含クトル SV，相対変位応答スペクトル SD）を用いるのがんでいるからである．

通例となっている．絶対量である SA は固有周期が非常にそのような地震動の周期特性を表現するもののひとつと短いところでは固有周期がゼロに近づくため，構造物が剛してフーリエスペクトルがある．時刻歴データを周期ベー体として運動する場合に相当する．つまり構造物の SA はスに変換し，周期ごとの影響度の強さを分析する手法のこ

地動（入力地震動）の最大加速度に等しくなる．一方，固とをスペクトル分析と言い，フーリエスペクトルは，地震有周期が長くなると，ばねの復元力が働かなくなるので，波を振幅と位相の異なる定常な正弦波に分解することに構造物は地震動を受けても動かないため，構造物の SA はよって求まる．しかし，それは地震波自体の特性であって，常にゼロである．一方，相対量をもとにした SV，SD では，どの周期帯の波を多く含むかというような情報は有してい固有周期が短いところはゼロに，長い周期ではそれぞれ地るものの，構造物の地震応答との関わり方に関する情報は動の最大速度，地動の最大変位に漸近する．

含んでいない．そこで，地震動の特性を構造物への影響という観点で表現したものが応答スペクトルである．

一方では，1 質点系の SA，SV，SD は互いに独立であるものの，固有周期が短く，減衰定数の小さな範囲では，応答スペクトルの基本となるのは 1 質点系の振動論であ近似的に次の関係が成り立つことが知られている．

る（図 1）．応答（地震動が入力した場合の構造物の揺れ）

PSV＝2π/T×SD････････････････････････（1）としては変位，速度，加速度の 3 種類があり，さらにそれPSV＝T/2π×SA････････････････････････（2）

らが絶対値か相対値かで 2 種類に分かれ，都合 6 種類の応ここで，PSV は固有周期との関係から近似的に求めるこ答が存在する．例えば，図 1 で x が構造物の地面に対すとから擬似速度応答スペクトルと呼ばれる．これらの関係る相対変位を表すものとし，y を地面の変位とすると，x式に従えば，ある応答スペクトルから他の応答スペクトル＋y が絶対変位を示すこととなる．1 質点系の地震応答のを近似的に求めることができる．そしてこの関係を用いる

運動方程式は固有周期 T と減衰定数 h の関数で表すことと，先の 3 種類の応答スペクトルをひとつのグラフで表現ができるが，構造物の時々刻々と変化する応答は，減衰定することが可能であり，3 重応答スペクトルあるいはトリ数を与条件としてこの運動方程式を直接に数値積分して求パータイト応答スペクトルと呼ばれている．その例を図 3めるのが一般的である．しかし耐震工学上は，構造物へのに示すが，右上がりの軸が加速度応答のレベルを，右下が影響という観点では，時間的な変化よりも応答の最大値のりの軸が変位応答のレベルを，水平の軸が擬似速度応答の方が重要な量となることが多い．そこで固有周期を横軸とし，固有周期を種々変化させて求めた最大応答値を縦軸にとってスペクトル表示したものが応答スペクトルである（図 2）．つまり，応答スペクトルは，ある地震動が色々な構造物に対して与える影響を一見してわかりやすく表現したグラフである．
この応答スペクトルの利点は，耐震設計への移行が容易なことである．例えば図 2（右上図）が加速度応答スペクトルを示すとした場合，固有周期 T1 の構造物には最大加速度 A1 の地震動が作用することを意味する．ここで仮にA1 が 600 cm/s2 であったとすると，この構造物に作用する耐震設計用の水平震度（重力加速度 980 cm/s2 に対する水平方向に作用する加速度の割合）は 0.612 と求まる．そして，これに構造物の重量を乗じることにより部材に働く力を算出することができる．そうした耐震設計（震度法）との関連から，応答スペクトルは耐震工学の分野では特にNL-1-22

図 11 質点系モデル

図 2

応答スペクトルの概念レベルを示している．3 重応答スペクトルは，短周期側では加速度軸に対して地動の最大加速度に漸近し，長周期側で変位軸に対して地動の最大変位に漸近する．応答スペク
トルの概念は 1950 年代に Housner によって提案されたが，その際に定義された擬似速度応答スペクトルは変位応答スペクトルに基づいていた［（1）式］が，最近は加速度応答スペクトルに基づいている［（2）式］ことが多い．
図 3 を見ると，JR 鷹取の記録は周期 1～2 秒付近の構造物が大きな応答を示すのに対し，K-NET 築館の記録ではもっと短周期の 0.2～0.3 秒付近に固有周期を持つ構造物への影響が大きいことがわかる．このような周期特性の違いが地震被害の差として現れた訳である．構造物被害の大小と相関が高い指標としては，例えば周期 1 秒付近の応答スペクトルレベルが知られているが，JR 鷹取の記録や 2016
年熊本地震（本震）における益城町役場の記録は，構造物に大きな被害を与える地震動であったことを応答スペクト
ルで確認できる．応答スペクトルは，そのまま地震動入力の大きさを表しているといってもよく，近年は構造物の応答を直接把握する使い方よりも，地震動の周期特性を確認するスペクトルの意味合いが強くなっているようである．

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図 3

著名な地震波の 3 重応答スペクトル