総説
海洋情報部研究報告 第 48 号 平成 24 年 3 月 23 日
REPORT OF HYDROGRAPHIC AND OCEANOGRAPHIC RESEARCHES No.48 March, 2012

GPS／音響測距結合方式による海底地殻変動観測技術の進展†―この１０年の歩み―
佐藤まりこ＊１，藤田雅之＊２
Progress in GPS/acoustic seafloor geodetic observation†
Mariko SATO＊１ and Masayuki FUJITA＊２

Abstract
Progress in the GPS/acoustic seafloor geodetic observation by the Japan Coast Guard during the１０−year period isreviewed. In２０００, the first measurement system was developed and the observation started at the seafloor reference point in the Kumano−nada region. Continuous efforts during this period enable us to attain robustly a precision of２−３cm in the positioning repeatability. Along with the technical progress, notable seafloor movements associated with the oceanic plate subduction as well as the large earthquakes along the Japan trench and the Nankai
Trough have been detected, which contribute to the earthquake research. In particular, huge displacements detectedon the seafloor associated with the Tohoku−oki earthquake（M ９．
０）in March２０１１emphasized an indispensablerole of the seafloor observation by elucidating a possible huge slip near the trench, which cannot be inferred fromthe terrestrial data. A target in the next decade of the seafloor geodesy is to come close to the terrestrial measurement level in the aspects of both operation and positioning accuracy.

１

向上している．

はじめに
海上保安庁では，１９９０年代から GPS／音響測また，この技術により，これまでに海洋プレー

距結合方式の海底地殻変動観測装置の開発を進

トの沈み込みに伴う定常的な地殻変動や地震に伴め，２０００年に熊野灘の海底に４台の音響トラン

う地殻変動の検出に成功しており，これらの成果

スポンダー（海底局）を設置したのを皮切りに，は，特に海溝型地震発生メカニズムの解明へ向け

日本海溝や南海トラフといった太平洋側の海溝沿た海域の貴重な情報として高く評価されるまでに

い陸側に海底基準点を展開し，測量船による繰り至った．特に，２
０１１年３月に発生し，未曾有の返し観測を行ってきた．観測を開始してからも，大災害をもたらした東北地方太平洋沖地震（M

観測及び解析の両面から日々改良を行ってきてお

９．
０）は記憶に新しいが，この地震発生メカニズ

り，現在では，安定的に繰り返し位置決定精度２

ムを理解する上で，海底地殻変動観測データの役〜３cm が達成されると共に，観測効率も大幅に割が改めて注目され，今後に向けて，その重要性†Received December１，２０１１；Accepted January１
９，２
０
１
２
＊１ 海洋研究室 Ocean Research Laboratory＊２ 第三管区海上保安本部海洋情報部 Hydrographic and Oceanographic Department,３rd R.C.G. Hqs.

− 26 −

はますます強調されている．その意味で，このに設置した３〜４台の海底局（ミラートランスポ

１０年間は，海底地殻変動観測にとって，観測・ンダー）から構成される．ここで，３〜４台の海解析技術の実用化から成果導出，社会的評価の獲底局をまとめて「海底基準点」と呼ぶ．
観測では，時々刻々と変化する船の位置を GPS得に至る飛躍の期間であったと言えよう．
これまでの海上保安庁における海底地殻変動観で，船の動揺を動揺計測装置で計測しながら，船測をレビューする資料として，１９９０年代に行わ上の音響トランスデューサと海底局との間の音波れた技術開発については矢吹（２００２）に， ２００５の往復時間を計測する音響測距を行っている．音年までの取り組みと初期成果については藤田

響測距には M 系列信号を用い，それぞれ固有の（２００６）に詳しくまとめられている．本稿では，識別信号が割り当てられた３〜４台の海底局に対２００６年以降の取り組みと成果に重点を置きつつ，して１台ずつ順に計測を行い，１つの海底基準点

海底地殻変動観測の１０年間を総括する．なお，

における１航海あたりの観測（キャンペーン観

これらの技術開発は，東京大学生産技術研究所と測）で合計約５
０００回分の音響測距データを取得の技術協力の下で行われてきたことを付記する．

する．また，音波の往復時間を距離に換算するために必要な海中の音速度情報を得るため，適宜

２

CTD，XCTD 及び XBT 観測を行っている．

海底地殻変動観測の概要
海 底 地 殻 変 動 観 測 は ， キネ マ テ ィ ッ ク GPS

データ解析は，大きく（１）時々刻々と変化す（KGPS）測位と音響測距を組み合わせて，海底る船の位置を求める「KGPS 解析」，（２）船 と海に設置した基準局（海底局）の位置をセンチメー

底局間の音波の往復走時を求める「音響解析」，

トルの精度で測定する海底の測位手法で，この観（３）これら２つの結果を結合して個々の海底局の測を繰り返し行うことで海底局の位置変化，すな

位置を求める「局位置解析」の３つのプロセスか

わち海底の地殻変動を捉えることを目的としていらなる．最終的に，得られた海底局位置の平均をる．

取り，海底基準点の位置（３〜４台の海底局の重観測システムを Fig．
１に示す．観測システムは，

心位置）としている．

船上の GPS 受信装置・アンテナ，音響トランス

観 測 及 び 解 析 手 法 の 詳 細 に つ い て は ， 藤田デューサ，動揺計測装置からなる船上局と，海底０６a）を参照されたい．
（２００６）及び Fujita et al.（２０３海底基準点の展開と更新
海上保安庁でこれまでに設置している海底基準点を Fig．
２に示す．これらの海底基準点は，政府の地震調査研究推進本部における取り組みの一環として，海溝型巨大地震の発生メカニズムを明らかにするため，太平洋側の海溝沿い陸側に展開している．
このうち，Fig．
２で赤い四角で示した三陸沖から室戸岬沖にかけての海底基準点は，本観測を開始した２０００年から２００４年までに順次設置された（藤田，２００６）．これらの海底基準点については，
Fig．
１ Schematic picture of the GPS/acoustic seafloor
geodetic observation system developed by Japan Coast Guard.

海底局の電池の寿命が約１０年とされていることから，２００９年より順次，既設の海底局の更新作業を実施しており，観測の継続性確保に努めてい− 27 −

Mariko SATO and Masayuki FUJITA
Table１ Renaming of the seafloor reference points in２
０１２.

り，ようやく現在の繰り返し精度２〜３cm の測位が可能となった．ここでは，この間の技術進展に大きく貢献したと考えられる主な取り組みについて，観測面と解析面に分けて紹介する．
４．
１ 観測システム
初期の観測システムの詳細については，その運
Fig．
２ Seafloor reference points installed by Japan
Coast Guard. Solid red and yellow squares represent those installed during２
０
０
０−２
０
０
４and during ２
０
１
１−２
０
１
２, respectively. Red labels represent those renamed in２０１２.

用を含め，畝見（２００４）に詳しくまとめられている．ここでは主としてそれ以降の改善点について
記述する．
４．
１．
１ トランスデューサの船底装備と航走観測の実現る（石川，２０１１）．
さ ら に ，２０１１年１１月 か ら２
０１２年１月 に か け

観測面における最大の改良点は，船上の音響トて，観測海域を南海トラフの西側及び陸側に拡大

ランスデューサを船底に取り付けることにより，し，新たに９点の海底基準点を設置した．これに航 走 観 測 を 実 現 し た こ と で あ る（川 井・他，

より，南海トラフ沿いの海底基準点は，東海・東

２００９）．

南海・南海地震の震源域をほぼ面的にカバーする

当初のシステムは，測量船の 船 尾 に，約８mこととなった．なお，これを機に，海底基準点のの支柱を鉛直に立て，その上下両端に GPS アン

名称を整理し，２０１２年１月から一部の既設点のテナと音響トランスデューサを取り付けたもので

名称を Table１のとおり変更した．

あった．このシステムによる測線観測は，航走時に発生するスクリューからの音響ノイズや支柱へ４の負荷を避けるため，風と波まかせで漂流しなが観測技術の進展海上保安庁の海底地殻変動観測技術は，２０００

ら行わざるを得なかった（畝見，２００４）．しかし年にほぼ現在の観測システムの原型が開発され，ながら，この方法では，測線のコントロールがで

実 海 域 に お け る 観 測 を 開 始 し た （ 浅田 ・ 矢

きない上，測線間の移動に観測時間の約半分を費

吹，２０００，２００１）．しかしながら，当初から安定やさなければならず，観測の効率化が大きな課題

的にセンチメートルの精度が確保されていたわけであった．

ではなく，その後も，測位の高精度化，安定化に

この問題に対処するため，２
００８年３月，音響

向けて，誤差要因を一つ一つ洗い出し，対処しトランスデューサの船底装備を含め，観測機器をて，観測・解析にフィードバックすることによ

測量船「明洋」に常設することにより，航走観測− 28 −

Progress in GPS/acoustic seafloor geodetic observation

を可能とした．具体的には，GPS アンテナは前わかる．これまでも，観測データの幾何学的配置

部マストに，音響トランスデューサは GPS アンの向上が，海中音速構造の誤差がもたらす水平位

テナのほぼ真下の船底に固定した．また，動揺計

置決定への影響の低減に寄与することが示唆され測装置は船体中央付近にある重力計室に設置していたが（佐藤・藤田，２００４），佐藤・他（２００９）

た．この配置では，音響トランスデューサがスクは，実際のデータを用いて両者の測位結果の比較

リューの前にあるため，航走してもスクリューかを行い，航走観測では漂流観測よりも少ないデー

らのノイズの影響を受けずに済む．

タ量で，より精度の安定した結果が得られること

この改良により，従来の漂流観測に比して，測を示した（Fig．
４）．

線間の移動にかかる時間が不要となったことに加航走観測の実現により，従来，天候条件を含む

え，支柱揚げ降ろしのための甲板作業がなくな

シップタイムの制約から，結果的に年１回程度しり，夜間を含む２４時間観測が可能となった．そか観測できない海底基準点も複数あったところ，の結果，漂流観測で１回のキャンペーン観測に必

現在は，全ての点で年２〜３回の観測回数が確保

要なデータ数を取得するために費やしていた２〜されている．

４日の観測期間が，航走観測では約１日に短縮さ

なお，２０１０年１
２月には，同様の観測装置一式

れるなど，観測の時間密度が大幅に向上した．

を大型測量船「拓洋」にも設置し，航走観測方式

加えて，測線のコントロールが可能となったこにより海底地殻変動観測を実施できる測量船が２とも，効率化に寄与している．漂流観測と航走観隻となった（氏原・成田，２０１２）．これにより，測の音響測距データの配置例を Fig．
３に示す．両

今後，観測の機会のさらなる増加が期待される．

者のデータ数はほぼ同じであるが，漂流観測に比べてデータの幾何学的配置が向上していることがFig．
３ Typical examples of acoustic measurement line distributions at a seafloor reference point :（a）for the drifting
and（b）for the sailing observations.

− 29 −

Mariko SATO and Masayuki FUJITA

Fig．
４ Comparison of stability of the determined positions of the seafloor reference points between（a）for the drifting and（b）for the sailing observations（after Sato et al.（２
０
０
９）
）.

デューサの導入により，船上局からの送信波形が

４．
１．
２ 音響トランスデューサの改良
音響信号の送受信に使用する音響トランス
デューサは，我々の観測目的にとって「点音源」

改善され，後述する音響波形解析における送受信
時刻決定の安定性が向上した．

であることが理想であるが，実際には形状及び発なお，望月・他（２００７）は，新旧トランスデュー

信メカニズムに依存する有限の波源特性をもってサの水槽試験を行って位相の角度依存性を計測いる．

し，得られた位相特性から音響位相中心を求め当初の観測システムに使用されていたトランス

た．その結果，位相中心位置は，円筒形トランス

デューサは，船上局，海底局共に，リング形状のデューサでは頭頂部から１２cm 内側，球面形ト振動子を持つ円筒形型であった．このトランス

ランスデューサでは９cm 内側に求められた．

デューサの振動子は，大きさが１５cm 程度と音
響測距に用いる信号の波長と同等である上，海底（２）海底局の改良

局との位置関係によって位相が変わるという特性

海底局についても同様の問題を克服するため，を持ち，これにより音響測距に有意な誤差が生じ

東京大学生産技術研究所では，次世代型海底地殻ることが指摘されていた（Mochizuki et al.,２００２）．

変動システムの開発の一環として，さらに優れた位相特性をもつ球形振動子を用いたトランス
デューサの開発が行われた（望月・他，２００８）．

（１）船上局の改良
そこで２００３年，まず船上局用に，位相特性を

このトランスデューサは角度依存性がほとんどな改善した球面形の振動板を持つトランスデューサ

く，音響測距にとって，ほぼ理想的な位相特性をを 導 入 し た（成 田・他，２００５）． この ト ラ ン ス

有している．

デューサは，緩やかな曲率を持つ振動板を振動さ

このトランスデューサを搭載した新型海底局せて音響信号の送受信を行うもので，通常の観測は，２００９年から行っている海底基準点の更新及で用いる出入射角の範囲内で，極力位相特性をフび新設分から順次設置している．

ラットとするよう設計されている．このトランス− 30 −

Progress in GPS/acoustic seafloor geodetic observation（３）海底局更新に係る技術的対応

４．
１．
３ その他

２００９年より実施している海底局更新において（１）ルビジウム発振器による時刻同期
この観測システムでは，GPS データ，音響測は，観測の継続性確保のため，旧海底局の電池が距データ，測量船の姿勢（動揺）データによる解切れる前に新局を投入している．その際，音響測析結果を結合して海底局の位置決定を行うため，距において受信信号の混信を起こさないために

これらのデータの時刻を高精度で同期させる必要

は，新旧海底局の識別信号は全て異なっている必がある．

要がある．しかしながら，識別信号は従来５種類

当初は，動揺収録装置に内蔵された GPS 時計

しかなかったため，新たなコードパターンを作成を基準として，１分ごとに動揺収録装置と音響波することにより，これを１０種類に拡張した（佐形収録装置のパソコンの時計を合わせていたた

藤，２０１０）．

め，パソコンの内蔵時計の発振精度や LAN 接続

また石川（２０１１）は，「熊野灘」と「釜石沖２」による通信の遅延等により時刻同期精度が低かっ海底基準点の新旧同時観測データを用いて，新旧た．これを改善するため，２
００３年９月に，ルビ海底局の位置座標の差（オフセット値）を求め，ジウム発振器による基準信号を用いた GPS 時刻

その結果から，キャンペーン観測３回分のデータ

同期型リアルタイムクロックを導入した．これににより，±１cm 以内のばらつきでオフセット値

より，全ての収録データが GPS 時刻に同期されが決定できると報告した．これに基づき，海底局

る よ う に な り ，時 刻 同 期 精 度 が 向 上 し た（ 畝を更新する際は，更新後３回のキャンペーン観測

見，２００４；成田・他，２００５）．

で新旧海底局の同時観測を行うことにより，オフ

ルビジウム発振器導入後は，４．
２（３）で述べる

セット値を決定することとしている．

GPS アンテナ−音響トランスデューサ間のバイ
アス推定値のばらつきが低減しており，観測シス

４．
２ データ解析手法
データ解析手法については，藤田（２００６）でそテムの計測精度の向上が示唆されている（松本・の基本構造が詳しくレビューされている．ここで他，２００７）．

はその簡単な概要と補足に加え，それ以降に行われた検討結果及び改善点について述べる．

（２）海中音速度構造把握のための観測の効率化
海中音速度構造把握のための水温・塩分の計測
は，当初，１日２回の CTD 観測とそれを補間す

４．
２．
１ KGPS 解析
KGPS 解 析 は，NASA/GSFC の Colombo 博 士

る１時 間 毎 の XCTD ま た は XBT 観 測 に よ り 行い，これらのデータから計算された音速度を次節が開発したソフトウェア IT（forInterferometric

で述べる局位置解析の初期値としていた（石川・Translocation : Colombo and Evans, １９９８: Co-

松本，２００７）．

lombo et al., ２０００）を使用している．IT は，長距齋藤・佐藤（２００９） は ， 観測 効 率 化 の 観 点 か

離基線解析用に開発されており，長距離基線で測ら，CTD 等による水温・塩分の計測頻度と海底位精度の劣化の原因となる電離層や大気の空間不局の位置決定精度との関係を調べ，従来の１時間均質による影響を取り除くためのさまざまな工夫に１回の計測から８時間に１回程度まで計測回数がなされている．河合・他（２００６）は，基線長のを減らしても，局位置解析の初期値として十分で異なる複数の陸上基準点のデータを用いて測位解あることを示した．現在は，この結果を考慮しつの比較を行い，１，
０００km を超える基線長でも数つ，約４時間に１回の計測を行っている．

cm の精度での測位が可能であることを示した．
IT は，何度かバージョンアップされており，その内容については，河合・他（２００７）でまとめ− 31 −

Mariko SATO and Masayuki FUJITAられている．その後も，新たに打ち上げられた衛影響を極力抑えるため，相関処理の際に，相関波星に対応するなどいくつかの変更が加えられ，現形のピークを強調するよう参照波形を変形するな

在は Ver．
４．
２を使用している．

ど，受信時刻の読み取り誤差を低減するための工

実際の運用にあたっては，衛星数が少ない時間

夫がなされている．

帯や衛星配置（DOP）が悪い時間帯は観測を中断するとともに，得られた測位解とジオイドモデ

４．
２．
３ 局位置解析

ルや海洋潮汐モデルから予想される海面変動を比

局位置解析は，海上保安庁で開発された局位置

較して測位結果の信頼性を評価する（藤田・矢解析ソフトウェア「SGOBS」（藤田・他，２００４）

吹，２００３）など，安定した測位結果が得られるよを使用している．このソフトウェアは，線形最小

う努めている．

自乗法に基づくインバージョン法を用いて海底局

また，KGPS 解析で使用する暦（GPS 衛星の軌

位置座標を推定するものであるが，局位置に加道・時刻情報）についての検討もなされてきた．

え，海中音速度の時間変化係数もパラメータとしGPS 暦の最終解である精密暦が公表されるまでて推定することにより，測位の高精度化を図っての時間（約３週間）が，海底測位結果の早期導出

い る．SGOBS は 適 宜 改 良 が 重 ね ら れ ， 現在 のの大きな制約になることから，河合・他（２００７）

バージョンは Ver．
３．
３．
３である．

は，１７時間後に公開される速報暦の利用可能性

この解析手法では，個々の海底局の３次元座標を探るため，速報暦と精密暦の違いによる測位解

値を独立に決定することができるが，目的や条件の比較を行い，両者はほとんど差がないことを示

によっては，特定のパラメータもしくはパラメー

した．航走観測への移行後も，比較的大きな地震

タ間の相対値を数値的に拘束し，推定パラメータ

発生直後の機動観測結果の速やかな導出を目的と数を減らすことにより，位置決定精度の向上を図して同様の検討を行った．その結果，精密暦と速ることができる．以下に，このような手法をまと報暦の使用による局位置の差は約３mm であり，める．
石川・藤田（２００５）は，海底局位置の鉛直成分

速報暦による解が速報値として十分有効であるこ（高さ）の値を既知として固定することにより，とが示された（齋藤・他，２０１０）．

水平成分の位置決定精度が向上することを示した．これは，線型インバージョンによるパラメー

４．
２．
２ 音響解析
音響解析は，浅田・矢吹（２００１）の手法を基にタ推定の際，高さと音速度が分離しにくいことか

作 成 さ れ た 音 響 解 析 ソ フ ト ウ ェ ア 「sas」（冨ら，高さを拘束することにより，音速度の推定精山，２００３）を使用している．これは，M 系列信度が向上することによると考えられる．ただしそ号の特性を利用して，数値的に作成した参照波形の前提として，観測エポック間における高さの変と観測された送受信波形の相互相関を取り，その動が十分小さいと仮定している．我々はこれを相関波形のピークから音響信号の送受信時刻を決「高さ固定手法」と呼んでおり，特に，海中の音定する手法によっている．

速構造が複雑な宮城沖や福島沖ではこの手法を適

実海域における観測時の受信波形は，船体の動揺の影響で，ドップラー効果による周波数変化を用し，成果をあげている（藤田，２００６；Matsumoto
et al,２００８a ; Sato et al.,２０１１a）．

受けている．そこで，解析では，段階的に周波数

しかしながら，実際には，高さ変化も重要な情を変化させた参照波形を用いて相関処理を行うこ報である．そのため，高さも推定しつつ，海底局とにより，ドップラー効果を考慮した解析を行っ

位置を高精度に決定する試みとして，藤田・他ている．また，海中における測距信号の伝搬中の（２００５）は，同一海底基準点を構成する３〜４台の散乱や減衰による受信波形の崩れやマルチパスの海底局の相対位置関係を既知として拘束し，その− 32 −

Progress in GPS/acoustic seafloor geodetic observation

重心位置を推定することにより，３次元的な位置

５

主な成果

決定精度向上の可能性を示した．これを，「重心

５．
１ 海洋プレートの沈み込みに伴う地殻変動推定法」と呼んでおり，当時は固定値として用い

海底地殻変動観測の主たる目的は，海溝沿いにる海底局の相対位置関係をどのようにして決定すおける非地震時の定常変動，すなわち海洋プレー

るかが課題であった．

トの沈み込みによって蓄積される歪みの状況をモ

松本・他（２００８）は，この考え方をさらに発展

ニターすることである．海上保安庁が観測を開始

させ，複数の観測エポックについて，エポック間

した２０００年からこれまでに，宮城沖，福島沖，

で海底局間の相対位置関係は不変，重心位置の変東海沖，相模湾など多くの海底基準点で，このよ化はフリーという条件の下で，これらのデータをうな海洋プレート沈み込みに伴う定常的かつほぼ一括して解析し，海底局間の相対位置関係と重心

一定速度の地殻変動を検出している（Fujita et al.,

位置の変位量を同時に推定する「複数エポック一２００６b ; Matsumoto et al., ２００８a, ２００８b；齋藤・

括局位置解析手法」を提案した．これにより，水他，２００８；Sato et al.,２０１１a）．

平成分のみならず鉛直成分も数 cm の再現性が得

これらの定常変動は，次節で述べる東北地方太平洋沖地震（M ９．
０）の影響により，日本海溝沿られることが示された．
石川・佐藤（２０１２）は，これらの手法を漂流観いの海底基準点はもちろんのこと，ほとんどの点

測と航走観測が混在するデータに適用し，海底局において，地震時の不連続を含めて大きく変化しの３次元的な位置決定精度が向上することを示した．このため，ここではこの地震前までのデータた．具体的には，まず航走観測で得られた全てのから求められた移動速度を Fig．
５及び Table２に

データに「複数エポック一括局位置解析手法」を示す（海上保安庁，２０１２）．この結果は，石川・適用することにより，海底局間の相対位置関係を佐藤（２０１２）の手法を全観測点に適用したもの

求め，その相対位置関係を漂流観測を含む全てので，現時点で最も信頼性が高いと考えられる．なエポックに適用し，「重心推定法」により再解析

お，移動速度の算出にあたっては，漂流観測で，したものである．この手法は，地震時など海底局

取得データ数が少ないエポックの結果は，局位置の相対位置関係が大きく変化している場合には適解の信頼性が低いため，使用していない．また，用できないが，非地震時の定常変動においては，

釜石沖，銚子沖及び房総沖の海底基準点では，観今までよりも短期間で高精度な移動速度の検出が測データが少ないため，参考値である．
図に示すように，宮城沖では５〜６cm／年，福可能となると期待される．
また，上記で述べた手法以外にも精度向上への

島沖では２cm／年，南海トラフ沿いの海底基準

取組がなされている．松本・他（２００７）は， ２００５

点では２〜５cm／年の移動速度が得られており，

年に「宮城沖１」海底基準点で実施された集中観

これらの方向及び大きさは，概ね陸上の電子基準測の結果を細かく分析し，GPS アンテナと音響点の移動ベクトルと整合的である．

トランスデューサ間の相対位置関係や，動揺計測

さらに，東北地方沖合いの海底基準点に着目す

装置の計測軸と観測支柱の軸との不一致に起因す

ると，宮城沖の２点に比べて，福島沖の点は移動

るバイアス誤差を発見した．さらに，このバイア速度が有意に小さいことがわかる．Matsumoto et

ス値を局位置解析で補正することにより，時系列

al.（２００８a） は ， これ ら の 海 底 基 準 点 に お け る

データのばらつきが改善されることを示した．現

２００８年３月までのデータを用いて，この移動速

在は，測量船，観測システムごとに決定されたバ

度の違いがプレート間の固着状況の違いを示唆す

イアス値を固定値として与え，海底局の位置決定

るとする議論を行った．
一方，南海トラフ沿いの海底基準点についてもを行っている．

場所による違いが見られるが，一部の点において− 33 −

Mariko SATO and Masayuki FUJITA

Fig．
５ Crustal velocity vectors at the seafloor reference points obtained from observations before the２０
１
１Tohoku−
oki earthquake（M ９．
０）（Red arrows）. Black arrows show crustal velocity vectors at GEONET stations during ２
０
０
５．
４−２
０
１
０．
４（Nakagawa et al., ２００９）. White arrows show the Pacific plate motion estimated by DeMets et al.（１９９４）and the Philippine Sea plate motion estimated by Kotake et al.（１９９８）（after JCG（２
０
１
２）
）
.

Table２ Obtained crustal velocities before the２０
１
１Tohoku− oki earthquake（M ９．
０）.

− 34 −

Progress in GPS/acoustic seafloor geodetic observation

は地震前までの観測エポック数が必ずしも十分とは言えないため，その信頼性の評価を含め，どこまで議論できるかは今後の検討課題である．
５．
２ 地震に伴う地殻変動
５．
２．
１ ２００５年宮城県沖の地震（M ７．
２）２００５年８月１６日 ， 宮城 県 沖 で M ７．
２の 地 震が発生した．この地震の震央から東に約１０kmにある「宮城沖２」海底基準点において，地震前
後２回ずつの観測から，同地震 に 伴 う 約１０cmの東向きの変位を検出した（Matsumoto

et al.,

２００６）．この結果は，陸上の電子基準点データに基づく国土地理院の断層モデル（国土地理院地理地殻活動研究センター，２００５）から推定される変位と，方向，大きさともに整合的である．一方，震央から約６０km 離れた「宮城沖１」海底基準点
での地震前後の差は観測精度の範囲内にあり，有意な地殻変動とは判断できなかった．

Fig．
６ Time series of the determined horizontal positions at MYGW associated with and after the２００
５Miyagi−oki earthquake（M ７．
２）（after Satoet al.（２
０
１
１a）
）
.

さらに Sato et al.（２０１１a）は，「宮城沖２」における２
０１０年までの時系列のトレンド変化に着基準点の観測を実施し，地震に伴う大規模な変位目し，その特徴に基づいて，!地震時，"地震後を検出した（Sato et al.,２０１１b）．

２００６年１
２月まで，#それ以降，の３つのフェー得られた変位ベクトルを Fig．
７に示す．震源のズに分けて議論した（Fig．
６）．そして，それぞれ

ごく近傍に位置する「宮城沖１」海底基準点でのフェーズを，!コサイスミック変位，"余効変は，東南東方向に約２４m の水平移動量を観測し動，#海洋プレートの沈み込みに伴う定常変動，

た．２４m という変位量は，陸上で観測された最によるものと解釈した．

大移動量（電子基準点「牡鹿」で約５．
３m；Ozawa

同論文は，これら「宮城沖２」で得られた一連

et al., ２０１１）の４倍以上に相当する．また，「宮の成果は，地震による歪みの解放から余効変動を

城沖１」から約７０km 北東にある「釜石沖１」海経て，再び歪みの蓄積が始まるまでの過程を示唆

底基準点でも約２３m の変位が観測されており，するものであり，海底地殻変動観測でこのような２０m を超える変位が，周辺の海底で南北方向数

過程を捉えたのは世界初の事例であると報告し１０km にわたって発生したことが示唆される．
また，上下方向については，「宮城沖１」で約３た．

m の隆起を観測したほか，「宮城沖２」を除く全
５．
２．
２ ２０１１年東北地方太平洋沖地震（M ９．
０）ての海底基準点で隆起しており，全ての電子基準

２０１１年３月１１日に，宮城県沖を震源とする M

点において沈降という陸上の結果とほぼ逆になっ９．
０の地震が発生した．この地震の震源域は長さている．これを，海溝軸に直交方向の「宮城沖約５００km，幅 約２００km と 推 定 さ れ て お り ， 観

１」，「宮城沖２」，電子基準点「牡鹿」で並べて見

測史上４番目となる巨大地震であった．

ると，「宮城沖１」と「宮城沖２」の間で隆起から海上保安庁では，地震の発生を受け，３月末か沈降に転じており，海溝型地震の発生メカニズム

ら４月にかけて日本海溝沿いに設置している海底から予想される，海溝近傍が隆起し，陸側へ行く− 35 −

Mariko SATO and Masayuki FUJITA

Fig．
７ Co−seismic seafloor displacements associated with the２０
１
１Tohoku−oki earthquake（M ９．
０）in the（a）horizontal and（b）vertical components（after Sato et al.（２
０
１
１b）
）
.

に従って沈降に転じるというイメージを実証したみを進めている．ここでは，それらの取り組みにものと言える．

ついて簡単に紹介する．

さらに，これら海底における変位データは，陸大学の研究グループでは，主に測位精度向上や上の GPS 観測結果と合わせて，地震時のプレー

観測システムのセミリアルタイム化を目的とした

ト境界のすべり分布の推定に大きく貢献した．陸技術開発を行っており，その一環で取得したデー上の変位量から推定されるプレート境界の最大すタ を 利 用 す る こ と に よ り ，２
００４年 頃 よ り 徐 々

べり量は３０m 前後であるのに対し，海底変位量に ， 地殻 変 動 の 検 出 に も 成 功 し て い る （Fuji-

を併せて推定すると，すべりのピークが海溝側に

moto，２００６）．当初の成果として，２００４年９月５

シフトするとともに，最大すべり量が５０〜６０m

日の紀伊半島南東沖地震（M ７．
４，M ６．
９）に よまで大きくなる（国土地理院，２０１１）．このこと

る地殻変動を検出したほか，駿河湾，熊野灘等では，海溝軸に近いところで巨大なすべりが発生し定常的な変動を検出している（Kido et al., ２００６；たことを示すものであり，今回の地震による巨大

Tadokoro et al., ２００６；水上・他，２００７；田所・津波の発生メカニズムを理解する上で，大変貴重他，２００８）．
また最近の成果として，東北大学は，２０１１年３

な情報となった．
このように，今回の結果は，海底における地殻

月の東北地方太平洋沖地震で，「宮城沖１」海底変動データが，海域で発生する地震の震源断層を

基 準 点 の 北 東 約５０km に 位 置 す る 海 底 基 準 点推定する際に，陸上データからだけではわからなで，GPS／音響測距結合方式による観測結果とし

い有益な情報を持っていることを明確に実証しては最大となる３１m の海底の変位を検出 し た

た．

２（３）で述（Kido et al.,２０１１）．名古屋大学は，４．
べた重心推定法を適用し，熊野灘の海底基準点に６

おいてフィリピン海プレートや陸上の電子基準点

他機関の動向海底地殻変動観測は，海上保安庁のほか，国内

では東北大学と名古屋大学のグループでも取り組の動きと整合的な結果を導出している（田所・他，２０１１）．

− 36 −

Progress in GPS/acoustic seafloor geodetic observation

謝

本来の技術開発面でも精力的な取り組みが続け辞られている．海底地殻変動観測をさらに高精度化

海底地殻変動観測は，歴代の航法測地室職員，するため，主要誤差要因の一つである海中音速構

測量船「明洋」，「海洋」及び「拓洋」乗組員並び造の空間不均質による影響を考慮した観測・解析に東京大学生産技術研究所浅田研究室諸氏ほか多システムの検討が行われている（例えば Kido，

くの方々の協力の下に実施されてきました．

２００７；江藤・他，２０１１）．

KGPS 解析の陸上基準点データとして，国土地理さらに，海底地殻変動観測のセミリアルタイム

院の GEONET データを提供していただいていま化を目指した次世代型の海底地殻変動観測システ

す．「宮城沖２」海底基準点は，文部科学省のプムの開発も行われている．セミリアルタイム化のロジェクト「宮城県沖地震に関するパイロット的実現は，現在のような船を用いた観測では極めてな重点的調査観測」により設置されました．ま

困難であることから，これら次世代型システムでた，東京大学生産技術研究所の望月将志博士には，現在の船上局の機能を果たすものとして，東は，本論文の改善に資する大変有益なコメントを

京大学生産技術研究所では自律型航行ロボット

いただきました．記して感謝いたします．

（AUV），東北大学では係留ブイの利用に取り組んでいる．これらの技術が実用化すれば，地震に参考文献

至る過程をより詳細に捉えることが可能になると浅田昭・矢吹哲一朗（２０００），海底音響基準ネッ
ト，生産研究，５２，２９３‐２９６．

期待される（Fujimoto，２００６；藤本・他，２００８；
望月・他，２００８）．

浅田昭・矢吹哲一朗（２００１），熊野トラフにおける長期地殻変動観測技術の高度化，地学雑７

誌 ，１１０（４），５２９‐５４３．

おわりに海上保安庁において海底地殻変動観測システム

Colombo, O. L. and A. G. Evans（１９９８）, Precise,が開発され，観測を開始してから１０年以上が経

decimeter−level differential GPS over great

過した．観測技術・解析技術もままならない状態

distances at Sea and on Land, Proc. ION GPS‐から，多くの研究者・職員等の弛まぬ努力によ

98, Nashville, Tennessee.

り，センチメートルの精度での海底測位が可能とColombo, O. L., A. G. Evans, M. I. Vigo−Aguiar, J.

なり，今では「海底でも観測すれば成果が出せ

M. Ferrandiz and J. J. Benjamin（２０００）, Longる」と普通に言える時代になった．観測当初から−baseline（＞１０００km）, sub−decimeter kine-の目的であった，海底地殻変動観測の成果を陸上

matic positioning of buoys at sea, with poten-の GPS 観測結果と併せて，歪みの蓄積を示唆す

tial application to deep sea studies, Proc. ION

るバックスリップ分布の推定や地震時のすべりモ

GPS 2000, Salt Lake City, U.S.A.

デルの推定に利用できるようになりつつあること

DeMets, C., R. G. Gordon, D. F. Argus and S. Stein

は，我が国の地震調査研究にとって大きな前進と（１９９４）, Effect of recent revisions to the geo-

言えよう．しかしながら，陸上の GPS 観測と比

magnetic reversal time scale on estimates of較するとまだ，観測点数，観測頻度，観測精度のcurrent plate motions, Geophys. Res. Lett., 21,

いずれにおいても１桁以上及ばない．海底地殻変

２１９１‐２１９４.

動観測にとって，次の１０年は，陸上の GPS 観測

江藤周平・永井悟・田所敬一（２０１１），地震学的にどこまで迫れるかが最大の課題となるであろ手法を用いた海底地殻変動観測のための海中う．

音速構造の時空間変化の検出，日本地震学会

２０１１年度秋季大会講演予稿集 ，２５６．
Fujimoto, H.（２００６）, Ocean Bottom Crustal Move− 37 −Mariko SATO and Masayuki FUJITA

ment Observation Using GPS/Acoustic System by Universities in Japan, J. Geodetic Soc.

報 ，２５，１００‐１０６．
石川直史（２０１１），海底地殻変動観測における海底 音 響 基 準 局 の 更 新 ，海 洋 情 報 部 研 究 報Japan, 52,２６５‐２７２．

告 ，４７，４４‐５０．

藤本博己・木戸元之・長田幸仁・金田義行（２００８），
GPS/A 方式海底地殻変動連続観測に向けた

石川直史・佐藤まりこ（２０１２），海底地殻変動観

観測システムの開発，測地学会誌，５４，１８１‐

測における重心推定法の評価，海洋情報部研

１８７．

究報告，４８，７４‐８４．

藤田雅之・矢吹哲一朗（２００３），海底地殻変動観

海上保安庁（２０１２），東北地方太平洋沖地震前ま測における K−GPS 解析結果の評価手法につでの海底地殻変動観測結果（再解析），第１９４

いて，海洋情報部技報，２１，６２‐６６．

回地震予知連絡会資料 ．

藤田雅之・佐藤まりこ・矢吹哲一朗（２００４），海

川井仁一・浅倉宜矢・松本良浩（２００９），測量船

底地殻変動観測における局位置解析ソフト「明洋」への海底地殻変動観測用送受波器のウェアの開発， 海洋情報部技報，２２，５０‐５６．

船底装備について，海洋情報部技報，２７，５０

藤田雅之・石川直史・松本良浩・望月将志・佐藤‐５５．

まりこ・矢吹哲一朗・浅田昭（２００５），宮城

河合晃司・藤田雅之・石川直史・松本良浩・望月

県沖海底の地殻変動と重心推定法による時系

将志（２００６），長基線 KGPS の精度評価につ列の検証，日本測地学会第１０４回講演会要旨

いて，海洋情報部技報 ，２４，８０‐８８．

集 ，４７‐４８．

河 合 晃 司 ・ 石川 直 史 ・ 松本 良 浩 ・ 望月 将 志

藤田雅之（２００６），GPS／音響測距結合方式によ（２００７）， 海底 地 殻 変 動 観 測 に お け る KGPS

る海底地殻変動観測〜海上保安庁の取り組み

解析の現状について，海洋情報部技報 ，２５，

（レビュー）〜，海洋情報部研究報告，４２，
１‐

１０７‐１１１．
Kido, M., H. Fujimoto, S. Miura, Y. Osada, K.

１４．
Fujita, M., T. Ishikawa, M. Mochizuki, M. Sato, S.

Tsuka and T. Tabei（２００６）, Seafloor displace-Toyama, M. Katayama, K. Kawai, Y. Matsu-

ment at Kumano−nada caused by the２００４off

moto, T. Yabuki, A. Asada and O. L. Colombo

Kii Peninsula earthquakes, detected through（２００６a）, GPS/Acoustic seafloor geodetic ob-

repeated GPS/Acoustic surveys, Earth Planets

servation : method of data analysis and its ap-

Space, 58,９１１‐９１５．
Kido, M（２００７）, Detecting horizontal gradient ofplication, Earth Planets Space, 58,２６５‐２７５.

sound speed in ocean, Earth Planets Space, 59,

Fujita, M., Y. Matsumoto, T. Ishikawa, M. Mochi-

e３３‐e３６.

zuki, M. Sato, S. Toyama, K. Kawai, T. Yabuki,
A. Asada and O. L. Colombo（２００６b）, Com-

Kido, M., Y. Osada, H. Fujimoto, R. Hino and Y. Itobined GPS/Acoustic Seafloor Geodetic Obser-（２０１１）, Trench−normal variation in observed

vation System for Monitoring Off−shore Active

seafloor displacements associated with the

Seismic Regions near Japan, Proc. ION GNSS-

２０１１Tohoku−Oki earthquake, Geophys. Res.

2006, Fort Worth, Texas.

Lett.,

L２４３
０３,

doi：１０．
１０２９/２０１１GL

０５００５７.

石川直史・藤田雅之（２００５），海底地殻変動観測における局位置解析手法と精度の向上につい38,

国 土 地 理 院 （２０１１），平 成２３年（２０１１年）東 北て，海洋情報部研究報告 ，４１，２７‐３４．

地方太平洋沖地震海底地殻変動観測の解析結

石川直史・松本良浩（２００７），海底地殻変動観測

果を加えて推定したプレート境界面上の地震における海中音速度処理手法，海洋情報部技

時のすべり分布モデル，第１９０回地震予知連− 38 −

Progress in GPS/acoustic seafloor geodetic observation

２００７年大会予稿集 ，J１６５‐０１５．

絡会資料 ．
国土地理院地理地殻活動研究センター

Mochizuki, M., M. Sato, M. Fujita, Z. Yoshida, T.

（２００５），２０
０
５年８月１６日宮城県沖地震によYabuki and A. Asada（２００２）, Trials for better

る地殻変動と断層モデル，日本測地学会第precision of seafloor geodetic observation sys-

１０４回講演会要旨集 ，１２３‐１２４．

tem, EOS Trans. AGU, 83 （ 47 ）, Fall Meet.
Suppl., Abstract, G５２A−０９６６.

小 竹 美 子 ・ 加藤 照 之 ・ 宮崎 真 一 ・ 仙石 新
（１９９８），GPS 観測に基づくフィリピン海プ

望月将志・成田誉孝・石川直史・吉田善吾・河合

レートの相対運動と西南日本のテクトニク

晃司・松下優・川井仁一・淵之上紘和・松本ス，地震第２輯 ，５１，１７１‐１８０．

良浩・藤田雅之・浅田昭（２００７），海底地殻

Matsumoto, Y., M. Fujita, T. Ishikawa, M. Mochi-

変動観測用音響トランスデューサの音響位相

zuki, T. Yabuki and A. Asada（２００６）, Under-

特性と音響位相中心，海洋情報部研究報告，

sea co−seismic crustal movements associated

４３，２９‐３６．

with the ２
００５ Off Miyagi Prefecture Earth-

望月将志・浅田昭・浦環・藤田雅之（２００８），海quake detected by GPS/acoustic seafloor geo-

中ロボットを利用する次世代海底地殻変動観

detic observation, Earth Planets Space, 58,測システムの開発，測地学会誌 ，５４，１８９‐

１５７３‐１５７６.

１９７．

松本良浩・石川直史・藤田雅之（２００７），海底地

中川弘之・豊福隆史・小谷京湖・宮原伐折羅・岩殻変動観測における音響トランスデューサ位

下知真子・川元智司・畑中雄樹・宗包浩志・置のバイアス誤差の推定，海洋情報部研究報石本正芳・湯通堂亨・石倉信広・菅原安宏

告，４３，１７‐２８．

（２００９），GPS 連 続 観 測 シ ス テ ム

松本良浩・藤田雅之・石川直史（２００８），海底地（GEONET）の新しい解析戦略（第４版）に

殻変動観測における複数エポック一括局位置

よるルーチン解析システムの構築について，解析手法の導入，海洋情報部技報，２６，１６‐

国土地理院時報 ，１１８，１‐８．

２２．

成田誉孝・畝見潤一郎・望月将志（２００５），海底

Matsumoto, Y., T. Ishikawa, M. Fujita, M. Sato, H.

地殻変動観測における機器の現状とその運用

Saito, M. Mochizuki, T. Yabuki and A. Asadaについて，海洋情報部技報 ，２３，５３‐６０．

（２００８a）, Weak interplate coupling beneath

Ozawa, S., T. Nishimura, H. Suito, T. Kobayashi, M.

the subduction zone off Fukushima, NE Japan,

Tobita and T. Imakiire（２０１１）, Coseismic andinferred from GPS/acoustic seafloor geodetic

postseismic slip of the ２０１１ magnitude‐９ To-

observation, Earth Planets Space, 60, e９‐e１２.

hoku−Oki earthquake, Nature, 475, ３７３‐３７６,

Matsumoto, Y., M. Sato, M. Fujita, T. Ishikawa, H.

doi：１
０．
１０３８/nature１０２２７.

Saito, M. Mochizuki, T. Yabuki and A. Asada

齋藤宏彰・佐藤まりこ・松本良浩（２００８），海底（２００８b）, Undersea crustal movement off the

地殻変動観測で捉えられた「相模湾」海底基Tokai District, central Japan, detected by GPS

準点の移動速度，海洋情報部技報 ，２６，２３‐/Acoustic seafloor geodetic observation, Re-

２７．

port of Hydrographic and Oceanographic Re-

齋藤宏彰・佐藤まりこ（２００９），海底地殻変動観

searches, 44,１‐８.

測における海中音速測定頻度の局位置への影
響について，海洋情報部研究報告 ，４５，２３‐

水上知子・藤本博己・長田幸仁・木戸元之・三浦哲（２００７），GPS／音響結合観測による福島県沖の海底地殻変動，日本地球惑星科学連合

３３．
齋藤宏彰・関由貴子・梅原直人・浅倉宜矢・佐藤− 39 −

Mariko SATO and Masayuki FUJITA

まりこ（２０１０），海底地殻変動観測の KGPS

冨山新一（２００３），海底地殻変動観測における音解析における速報暦の有効性について，海洋

響解析，海洋情報部技報 ，２１，６７‐７２．

情報部研究報告 ，４６，３２‐３８．

氏原直人・成田誉孝（２０１２），測量船「拓洋」への海底地殻変動観測装置設置について（速佐藤まりこ・藤田雅之（２００４），海底地殻変動観報），海洋情報部研究報告 ，４８，８５‐９０．

測における海中音速誤差の局位置への影響について，海洋情報部技報 ，２２，４２‐４９．

畝見潤一郎（２００４），海底地殻変動観測の現状と諸問題について，海洋情報部技報 ，２２，３３‐

佐藤まりこ・浅倉宜矢・齋藤宏彰（２００９），船底
トランスデューサによる航走海底地殻変動観測の評価（速報），海洋情報部技報 ，２７，５６‐

４１．
矢吹哲一朗（２００２），海底地殻変動観測を目指した音響技術開発，水路部研究報告，３８，４７‐

６５．
佐藤まりこ（２０１０），海底基準局の識別信号の追５８．

加について，海洋情報部研究報告，４６，１０８‐
要

１１５．

旨

Sato, M., H. Saito, T. Ishikawa, Y. Matsumoto, M.

海上保安庁の海底地殻変動観測技術における約Fujita, M. Mochizuki and A. Asada（２０１１a）

１０年間の進展について総括した．
２０００年に観測シ

Restoration of interplate locking after the２００５

ステムの原型が完成し，「熊野灘」海底基準点でOff−Miyagi Prefecture earthquake, detected

観測を開始して以来，観測及び解析の両面におけby GPS/acoustic seafloor geodetic observa-

る弛まぬ努力により，観測精度は，今や安定的にtion, Geophys. Res. Lett., 38, L０１３１２, doi :繰り返し位置決定精度２〜３cm を確保できるま１０．
１０２９/２０１０GL０４５６８９.

でになった．この技術的進展とともに，日本海

Sato, M., T. Ishikawa, N. Ujihara, S. Yoshida, M.

溝，南海トラフ沿いに展開した海底基準点においFujita, M. Mochizuki and A. Asada（２０１１b）,て，海洋プレート沈み込みに伴う定常変動や地震

Displacement Above the Hypocenter of theに伴う変動等を次々に検出し，我が国の地震調査

２０１１ Tohoku−oki Earthquake, Science, 332,

研究に大きく貢献し始めている．特に，２
０１１年３

１３９５, doi :１０．
１１２６/science.１２０７４０１.

月に発生した東北地方太平洋沖地震（M ９．
０）にTadokoro, K., M. Ando, R. Ikuta, T. Okuda, G. M.

伴う大規模な海底変動を捉えたことは，陸上のBesana, S. Sugimoto and M. Kuno（２００６）, Ob-

GPS 観測だけではわからなかった海溝付近の大servation of coseismic seafloor crustal defor-

規模すべりの情報を与え，海底観測の重要性を示

mation due to M ７class offshore earthquake,

すこととなった．今後は，観測運用面，精度面にGeophys. Res. Lett., 33, doi：１０．
１０２９/２００６GL

おいて陸上観測にどこまで迫れるかが課題であ

０２６７４
２.

る．

田所敬一・杉本慎吾・武藤大介・渡部豪・生田領野・安藤雅 孝・奥 田 隆・木 元 章 典・佐 柳 敬
造・久野正博（２００８），駿河−南海トラフにおける海底地殻変動繰り返し観測，測地学会

誌 ，５４，１２７‐１３９．
田所敬一・生田領野・渡部豪・永井悟・奥田隆（２０１１），東南海地震の想定震源域における海底地殻変動モニタリング，日本地震学会２０１１

年度秋季大会講演予稿集 ，１５１．
− 40 −