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海洋情報部研究報告 第 42 号 平成 18 年 3 月 27 日
REPORT OF HYDROGRAPHIC AND OCEANOGRAPHIC RESEARCHES No.42 March, 2006

総説

GPS/音響測距結合方式による海底地殻変動観測†〜海上保安庁の取り組み（レビュー）〜
藤田雅之＊
GPS/Acoustic seafloor geodetic observation―Progress by the Japan Coast Guard (review) ―Masayuki FUJITA＊

Abstract
Progress in the GPS/Acoustic seafloor geodetic observation carried out by the Japan Coast Guard during the 5−
year period since 2000 is reviewed, especially focusing on the development of data analysis methods and their results. A precision better than several centimeters has been attained in the seafloor station positioning through tremendous efforts for improving accuracy of component techniques both in software and hardware. A couple of remarkable results have been presented : an intraplate crustal velocity off Miyagi Prefecture caused by the subduction of the Pacific plate and co−seismic displacements associated with large earthquakes having occurred along the
Nankai Trough in 2004 and off Miyagi in 2005. Further issues to be tackled in the future are summarized.

１

jita，２００３；Mochizuki et al.,２００３，２００５a ; Fujita

はじめにGPS 測位と音響測距を組み合わせることによet al., ２００６）．２０００年以前が機器開発への格闘期

る海底地殻変動観測のアイデアは，スクリップス

であったとすれば，実際に海底基準点を設置し，海洋研究所 Spiess 教授による論文（Spiess，１９８５）

観測データを取得しはじめた２
０００年以降は，観にさかのぼる．彼らのグループは，１
９９４年から，測運用とデータ解析手法の開発から初期成果導出

この技術を用いて Juan de Fuca 海嶺付近で観測に至る５年間であったと総括することができよ

を開始し，海底におけるプレート運動を検出した

う．

という結果を報告した（Spiess and Hildebrand，

音響測距技術を中心とした海底地殻変動観測の

１９９５；Spiess et al., １９９８）．これが，プレリミナ

歴史及び海上保安庁における GPS/音響測距技術

リーながらも，実際に海底で捉えられた変動が報の機器開発の経緯については，矢吹（２００２）に詳告された世界最初の事例であるといってよい．

しくレビューされている．本稿では，それとの重海上保安庁では，２０００年より GPS/音響測距結

複は最小限に留め，２
０００年以降の約５年間にお合方式による海底地殻変動観測を開始し，以来約ける海上保安庁の取り組みについて，データ解析

５年 が 経 過 し た（浅 田・矢 吹，２
０００，２００１；Fu-手法の開発及び観測成果に重点を置きつつ，最新†Received December１５，２００５；Accepted February２
１，２
０
０
６
＊航法側地室 Geodesy and Geophysics Office−1−

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Masayuki FUJITA

GPSアンテナ
動揺計測装置
測量船

音響トランスデューサー
XBT
CTD

釜石沖１，
２
宮城沖２

宮城沖１
福島沖

相模湾

海底基準局
（ミラートランスポンダー）

常磐沖

Fig．
２ Schematic picture of the GPS/Acoustic seafloor
geodetic observation system.

房総沖２
房総沖１
三宅島西方沖A,B,C

受けて設置したものである．三宅島の噴火後，マ

東海沖１
東海沖２

グマが海底下を神津島方向へ移動しているという

熊野灘

研究結果が出されたことから（酒井・他，２００１），

潮岬沖１
潮岬沖２

これを監視するための海底測地の重要性がクロー

室戸岬沖

ズアップされた．このような経緯の中，海上保安
Fig．
１ Distribution of seafloor reference points installedby the Japan Coast Guard.

庁では，三宅島と神津島の間の３箇所に海底基準の動向までをまとめる．なお，これらの取り組み

それ以外の海溝沿い陸側に配置されている基準

は，東京大学生産技術研究所との技術協力の下に点は，地震調査研究推進本部による「基盤的調査行ってきたことを付記する．

観測計画」に基づいて設置している（地震調査研点を設置することとなった．

究推進本部，２００１）．この計画の中で，海上保安
２

庁は，「海溝沿い陸側に１００km 間隔で海底基準

海底基準点の展開
海上保安庁では，科学技術庁（当時）の科学技点を整備」することが求められた．これは，海溝術振興調整費「南海トラフにおける海溝型巨大地沿いで発生するプレート間巨大地震の発生メカニ

震災害軽減のための地震発生機構のモデル化・観ズムを明らかにするためには，陸域のみならず，

測システムの高度化に関する総合研究（平成８年

震源域により近い海底での地殻変動データが不可

度〜１２年度）」によって，GPS/音響結合方式の欠であるという認識に基づいている．本計画に従測定装置の開発を行った（矢吹，２００２）．２０００年

い，まず日本海溝沿いから基準点の展開を開始

２月，この研究の結果として，南海トラフに近い

し，次に南海トラフ沿いにも拡げていった．

熊野灘の水深２０００m の海底に，４台一組の音響

ただし，平成１
６年（２００４年）度に設置された

トランスポンダーを設置し，これがその後運用さ「宮城沖２」海底基準点は，文部科学省の「宮城れている海上保安庁の海底基準点第１号となる

県沖地震に関するパイロット的な重点的調査観（浅田・矢吹，２０００）．

測」プロジェクトによるものであり（文部科学省

それ以降平成１６年（２００４年）度までに，主に研 究 開 発 局，２００５），地 震 調 査 研 究 推 進 本 部 に太平洋側の海溝沿い陸側に海底基準点を展開してよって近い将来の大地震の発生確率が高いと評価きた．Fig．
１に，海上保安庁が現在までに展開しされているこの海域において海溝軸直交方向の変た海底基準点を示す．

動分布を捉えるため，既設の「宮城沖１」の陸側

こ れ ら の う ち，
「三 宅 島 西 方 沖」海 底 基 準 点に配置された．

は，２０００年６月に始まった三宅島の火山活動を−2−

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GPS/Acoustic seafloor geodetic observation

３

観測システムの概要と観測方法
観測システムの概念図を Fig．
２に示す．このシステムは，海底に設置した３〜４台の音響送受波装置（ミラートランスポンダー）と測量船の船尾に取り付けた約８m の支柱及びその上下に取り

音
響
波
形
デ
ー
タ

海
底
局
ま
で
の
往
復
走
時

音響解析

局位置解析

海
底
局
位
置

付けた GPS アンテナと音響トランスデューサ，
支柱の方位と傾きを測定するための動揺計測装置からなる（畝見，２００４）．現在のシステムで使用している船舶は，約６００トンの中型測量船「明

Ｇ
Ｐ
Ｓ
デ
ー
タ

洋」及び「海洋」である．

Ｋ
Ｇ
Ｐ
Ｓ
解
析

海上の GPS 観測で取得するデータは，陸上の地 殻 変 動 監 視 の た め の 基 準 点（淵 之 上・他，

ア
ン
テ
ナ
位
置

動
揺
補
正

ト
ラ
ン
ス
デ
ュ
ー
サ
位
置

音
速
度
構
造

Fig．
３ Flow chart of data analysis.

２００５）で取得しているものと同様，２周波の搬送
波位相データである．ただし，キネマティック測め，１測線あたりの観測時間を２０分程度（流れ位が目的であるため，高周波でサンプリング（通によっては最長６０分程度まで）として，測線間常２Hz）を行う．

で測量船を移動させることにより，できるだけバ

海中の音響測距に用いる信号は，M 系列と呼ばれるコ ー ド 化 し た１
０kHz の パ ル ス 信 号 で あ

ランスのよい測線配置を実現するよう配慮している．

る．海底のミラートランスポンダーは，船上のトランスデューサから発信されたパルスを受信し，４

データ解析手法

一定時間（約１秒）保った後，これをそのままの

海 底 地 殻 変 動 観 測 の デ ー タ 解 析 は，大 き く

波 形 で 返 信 す る．こ れ を 再 び 船 上 の ト ラ ン ス（１）船 の 位 置 を 求 め る キ ネ マ テ ィ ッ ク GPS

デューサが受信し，発信波形と共に記録する．

（KGPS）解析，（２）船と海底局間の音波の往復

上記以外にも，海中の音速度構造を把握するた走時を求める音響解析，（３）これら二つの結果

め，CTD，XCTD による水温，塩分観測及び XBTを結合して海底局の位置を求める局位置解析の３による水温観測を適宜行う．

つの段階に分けられる．解析の流れを Fig．
３に示

なお，個々の観測機器については２
０００年以降す．以下に，それぞれの手法について概説する．

も改良が重ねられており，具体的な機器の詳細及び 変 遷 に つ い て は，畝 見（２００４），成 田・他（１）KGPS 解析
海底地殻変動観測における KGPS 解析では，（２００５）を参照されたい．
このシステムを用いた実海域における観測は，

多くの場合，近傍に位置の基準点を設けることが一つの海底基準点について数日間の観測を一まとできないため，長距離基線解析を高精度に行うこまり（エポック）とし，これを繰り返すキャンとが課題となる．そのため海上保安庁では，NASA

ペーン観測方式によっている．１回のキャンペー/GSFC の Colombo 博士が長距離基線解析用に開ンにつき，１日あたり５〜７時間の観測を，原則発 し た ソ フ ト ウ ェ ア IT（forとして３〜４日以上行っている．観測時には，測Translocation : Colombo and Evans，１９９８；Co-量船が走行する際のノイズが音響測距の障害とな

lombo et al., ２０００）を導入した．IT では，長距離るため，クラッチを切り離した状態で波と風まか

基線での測位精度劣化の原因となる，電離層や大せ の 漂 流 観 測 を 行 う（畝 見，２００４）．こ の よ う

気の空間不均質の影響による誤差を取り除くために，観測中に測線のコントロールができないたのさまざまな工夫がなされている．

−3−

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Masayuki FUJITA

Average Height (m)／０６０３０３６５

0.3は，例えば沿岸域では相対的に両モデルの精度がMay 3, 2004 at MYGI

0.2

劣化するし，後者の例としては，気圧の変化や黒0.10潮等海流によるダイナミックハイトの影響等が挙-0.1

げられる．しかし，これまでの運用では，少なく-0.2

とも Fig．
４に示した「宮城沖１」等の沖合の観測

-0.3

0

1

2

3
4
5
6
GPS Time (HOURS)

7

8

点においては，この評価図が測位解信頼性の優れた判断基準となっている．

Fig．
４ Example of comparison between the GPS−determined sea surface height（１−minute average, tidecorrected）and the geoid height for the purpose of
estimating errors included in the kinematic result（Fujita et al.,２
０
０
６）
.

これらの測位解評価の知見の蓄積は，実海域での観測計画にもフィードバックされる．例えば，
長基線 KGPS 解析精度は，短基線 KGPS 解析あるいはスタティック測位解析に比べて，観測衛星数の減少や DOP の劣化に対してかなり敏感であしかしながら観測開始当初は，IT を用いてもり，条件が悪くなると，測位評価すなわち測位精

なかなか良好な測位結果が得られない時期もあっ度が著しく悪化する．この観点から見ると，日本た．それが徐々に改善され，最近では安定した運周辺では条件が不十分である時間帯が予想外に多用が可能となっているが，ここに至る主な改善要

いことがわかってきた．そこで，視認衛星の条件

因として，（１）結果を丹念に評価することによに鑑みて，測位観測の時間帯を考慮することで，り多くの知見が蓄積し，これを観測計画や解析運よりよい解析条件を確保する努力を行っている．

用にフィードバックしていること，（２）観測にその結果，取得したデータの利用率は格段に上が用いる GPS アンテナの性能が，海陸共に向上し

り，安定した測位精度確保の実現につながっていたこと，（３）IT が多少改良されていること，なる．観測を行う上で，衛星の視認条件を考慮する

どが挙げられる．

ことは，原理的に当然のこととも言えるが，実際

藤 田・矢 吹（２００３）は，得 ら れ た KGPS 測 位
解の信頼性を検証し，結果の取捨選択の判断に役に観測計画に反映する上では，その根拠として，測位結果の定量的評価が必須である．

立てるため，測位解の簡単な評価手法を提案しさらに，IT を用いて以下のようなさまざまなた．この方法は，測量船が海面に拘束されている

測位評価を行うことにより，より安定した測位精ことを利用して，測位解として得られた高さの長度の確保に役立てると共に，将来に向けた知見も周期成分を海面の時間変化と比較することによ

蓄積している．

り，測位解の精度を判断するものである．具体的

河 合・他（２００５a）は，陸 上 GPS ア ン テ ナ のには，高さの１分平均値に潮汐補正を加えた結果

機種の違いによる測位評価結果の違いに着目し，とジオイド高との差を求め，その時間変化を監視

ア ン テ ナ 機 種 と し て Choke

している．

Zephyr を用いた場合，旧タイプの Trimble Micro

Ring や Trimble

現在この目的のため，海洋潮汐モデルとして

Centered を用いた場合に比べて明らかに評価結Nao９９．Jb（Matsumoto et al., ２０００）を，ジオイ

果がよいことを示した．ただし，この評価におけドモデルとして Fukuda（１９９０）を用いている．

る船上の観測には Zephyr アンテナを用いている

Fig．
４に，「宮城沖１」海底基準点における評価図

ため，この測位精度の違いがアンテナ特性の善しの一例を示す．

悪しによるものか，アンテナの組み合わせによる

この方法の問題点は，評価結果に，それぞれのものかが検討課題となっている．後者の場合，アモデル誤差に加え，潮汐・ジオイド以外の影響がンテナ位相中心の情報を考慮することにより，さ含まれることである．前者のモデル誤差について

らに測位精度が向上することが期待される．

−4−

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GPS/Acoustic seafloor geodetic observation

河合・他（２００６）は，基線長の異なる複数の陸上基準点データからの IT による測位解を比較した．そ の 結 果，基 線 長２００km〜１５００km で は，測位結果の善し悪しと基線長の間にほとんど相関がない，言い換えれば，基線長１５００km でも通常我々が利用している測位解に比べて遜色ない精度が得られることが示された．さらに，KGPS の１５００km 解を，後述する海底局位置解析にも適用
し，近傍の陸上基準点を用いた場合と同等の位置決定精度が得られることも確認した．これらのことから，将来例えば海溝軸を越えた海洋プレート
上など，かなり沖合に海底基準点を設置した場合

Fig．
５ Example of cross−correlogram for the transmitted acoustic signal（red）superimposed on the original waveform（green）（Toyama，２００３）．

でも，KGPS 解析に関しては，IT を用いることにより，現行精度の確保が十分可能であると期待する正弦波）の最大振幅を与える「山」の位置とされる．

して決定するという方法である．Fig．
５に，送信

また河合・他（２００５b）は，GPS 衛星の視界条

信号部分の相関解析例を示す．この方法の利点と件を改善するために，船上で最も視界条件のよい

して，多少のバックグランドノイズの中からでもマスト上に設置したアンテナにより取得したデー

立ち上がりを正確に同定できること，計算機で容タを用いた測位評価を行い，船尾支柱上のアンテ

易に読み取ることができること等が挙げられる．

ナを用いた場合に比べて，改善される場合が多い

この方法を用いると，相関波形の１波長が１００µことを報告した．さらに松本・他（２００６）は，マ秒相当であることから，数 µ 秒の時刻決定精度

ストアンテナで取得したデータによる測位解を，は，原理的には十分に達成可能である．
ところが，実際の解析においては，観測波形が海底局位置決定へ適用した場合について検討し，さまざまな要因により完全な M 系列波形とはな

予備的な結果を得ている．

らないため，相関波形の最大振幅を与える「山」（２）音響解析が相対的に不明瞭となり，原波形の立ち上がりと音響解析は，音響波形から音波の往復時間を決

整数波長分ずれた「山」を，音響解析ソフトウェ定するためのデータ解析であり，言い換えれば，

ア が 誤 っ て 同 定 し て し ま う 場 合 が あ る（冨送信波と受信波の立ち上がり時刻を正確に決定す山，２００３）．そこでこれまでは，ソフトウェアにるという作業である．海中での音波の速度が約よる立ち上がり同定の後に，解析者が一つ一つの

１．
５km/s であることを考えると，センチメート

波形データについて原波形との照合を行い，ソフ

ルレベルの測位精度を達成するために必要な読み

トウェアが誤った「山」を選択していないかを確

取り時刻の決定精度は，少なくとも数 µ 秒以下認する作業を行ってきた．しかし最近では，同定と考えなければならない．

すべき「山」の判断基準の検討に加え，音波の送音響波形の立ち上がりを高精度に決定するため波器である船上トランスデューサの更新（成田・には，相互相関法と呼ばれる手法が用いられる

他，２００５；Mochizuki et al., ２００５a）による送信（浅 田・矢 吹，２
００１；冨 山，２００３）．こ れ は，M

波形の改良等も相まって，ソフトウェアによる立系列信号の特性を利用して行うものであり，数値

ち上がり決定の誤謬率がかなり低下しており，計的に作成した参照波形と送受信波形の相互相関を算機のみによる自動運用も視野に入ってきたとこ

とり，波の立ち上がりを，相関波形（振幅が変動

ろである．

−5−

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Masayuki FUJITA

他方で，音響解析結果の精度に関連して，ハードウェアの構造からみた原理的問題も残ってい

初期値

（海底局）

（時間ウィンドウ）

局位置

音速度時間係数

る．我 々 の 観 測 目 的 に と っ て，音 響 ト ラ ン ス
デューサは「点音源」であることが理想である
が，実際には形状及び発信メカニズムに依存する
有限の波源特性をもっている．具体的には，測距
信号の出入射角度に応じて送受信レスポンス（位

収束？

解析終了

Fig．
６ Algorithm of parameter estimation applied to get
the seafloor station position using the round−triptravel time of acoustic waves.

相応答）に差違が生じ，それが測距誤差となりうる．
Mochizuki et al.（２００５b）は，このような観点から水槽実験を実施し，トランスデューサの位相特性および位相中心を把握すると共に，それらが局位置決定に与える影響を調べた．その結果，こうした位相特性の考慮の有無は，決定局位置，特Sound Velocity (m/s)／０６０３０３６５（地殻変動）の把握にはあまり影響しないことを示した．しかし，例えば船上トランスデューサあ
るいは海底局が更新された場合等に備え，観測の連続性を維持していく上で，これらの個体特性を把握しておくことは大変重要である．

SV0
SV1
SV2

1478.51478.00に高さにバイアスとしては現れるものの，同一のシステム構成で観測を行う限り，その時間変化

1479.012
345
HOURS OF DAY

6

7

Fig．
７ Representative plots of estimated average acoustic velocity, on April２
４，２
０
０
４ at MYGI（Fujita etal., ２００
６）. SV０（red）represents an initial value
given from the observed velocity profile, SV１（blue）is the curve after the daily session estimation as the first step and SV２（green）is the one estimated for each observation line as the second
step.

（３）局位置解析
前述の２つの解析結果を組み合わせて，最終的に海底局の位置を求める解析を，ここでは局位置

いて独立に行われるが，最終的にはその重心位置（平均位置）を基準点の局位置解とする．

解析と呼ぶ．基本的原理は，複数の観測基点の位

SGOBS では，この技術における主要な測位誤

置情報とそこからの距離をデータとして球面の交差要因である海中の音速度を推定パラメータとし点を求める，いわゆる幾何学的３次元コンパスのて，その誤差の影響を軽減する工夫を行ってい考え方である．

る．具体的には，海中の平均音速度の時間変化を

浅田・矢吹（２００１）は，この目的のため，フォワード法を用いた局位置解析ソフトウェアを開発

多項式近似し，その係数を推定パラメータとして，逐次的に解く手法を採用している．

し，熊野灘等のデータから初期成果を導出すると佐藤・藤田（２００４）は，局位置解析の結果は，共に，観測データ，推定パラメータ等について，

音速度構造の鉛直プロファイルの形状にはほとん

誤差の性質を詳細に吟味した．

ど依存せず，ほぼ平均音速度によって決まってい藤田・他（２００４）は，それらの知見を基に，線ることを示した．これは，鉛直方向の音速度変化

形最小自乗法に基づくインバージョンの手法（松が最大でも４〜５％ 程度，波線の入射角に換算し浦，１９９４）を導入した．このために開発されたソてせいぜい２〜３° であり，大局的には直進してフトウェアを「SGOBS」と呼ぶ．SGOBS で用いいると考えられることによると解釈される．ただられているアルゴリズムを Fig．
６に示す．局位置

し，夏場の海表面付近など，部分的に鉛直プロの推定は，海底に設置した３〜４局それぞれにつファイルの傾斜が大きくなることがあるので，そ−6−

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GPS/Acoustic seafloor geodetic observation

しながら，上記二段階方式は，最大公約数的な基の影響には注意する必要がある．
これらの知見を基に，SGOBS では，海中音速

本ストラテジーとして依然有効であり，個別の事

度 構 造 と し て２００m，４００m，８００m，１６００m に

例にどう対処していくか，さらにロバストなスト境界をもつ層を設定し，各層中深さ方向に線形のラテジーが考えられるかが，今後の課題である．

速度変化を与えている．ただし，音速度推定を行石川・藤田（２００５）は，海底局位置の鉛直成分

うタイムウィンドウの中では鉛直プロファイルの（高さ）を既知として拘束する手法により，水平形状は一定とする．すなわち解くべきパラメータ成分の決定精度が向上することを示した．この手は，平均音速度に関する時間係数のみである．こ法は，インバージョンのパラメータ推定においの層構造近似で，現行精度上は問題がないと考えて，高さが音速度パラメータと分離しにくいことられる．

から，これを固定することにより音速度推定精度

音速度構造の初期値としては，CTD，XBT，を向上させるという考え方に基づいている．このXCTD による水温，塩分の観測値から Del Grosso

手法の問題点として，比較期間の中で高さが大き（１９７４）の改正式を用いて計算 し た も の を 与 え

く変動していないという仮定が成立する場合に限る．現在採用している手法は，これを出発点に，られること，元々決定精度が悪い高さの固定値のまず１日（５〜７時間）の音速度変化を二次曲線

妥当性をどう確保するかということがある．これ近似により推定し（「１日補正」と呼ぶ），さらにまでのところ，観測エポック数が多く，固定する

その結果を初期値として，測線毎（２０〜６０分）

高さの値を妥当な範囲で決定できる「宮城沖１」の時間変化を推定している．Fig．
７に，推定され海底基準点の解析にこの手法を適用し，よい結果た平均音速度の時間変化の一例を示す．図から，を得ている．

前者で全体の系統誤差（バイアス）が，後者で１

ところで，本来は高さの変動も重要なデータで

日補正の二次曲線で近似されない細かい時間変化ある．海底の高さ変動を計測するための別の手法が補正されていることがわかる．このような二段として，海底圧力計を用いる方法が試みられてお階方式をとっている理由は，後者のみでは，観測り，良好な結果が得られた例も報告されている値に含まれている比較的大きなバイアス誤差を十（Fujimoto et al., ２００３；Baba et al., ２００５；Phillips

分に補正することができないことによる．

and Chadwell,２００５）．しかしながら，海底圧力計

これに関連して，社・他（２００５a, b）は，XBTには長期ドリフトという問題があり，まだ地殻変及び XCTD の観測値に含まれるバイアスに着目

動検出という目的で十分確立した技術とは言えなすることにより，音速度初期値の改善を試みた．

い．我々の GPS/音響測距技術においては，現時

ま ず 社・他（２００５a）で は，XBT デ ー タ に お い

点ではまだ高さの決定精度は不十分と言わざるをて，Kizu et al.
（２００５）が提案した新しい深度換算得ないが，条件さえ良ければ，数 cm レベルの再式を用いることにより，音速度初期値に含まれる現性を示す場合もあり，潜在的には高さの高精度バイアスを大きく軽減できることを示した．また決定も可能であると期待している．例えば藤田・社・他（２００５b）は，XCTD データに関する新し他（２００５）では，複数台の海底局間の相対位置を

い深度換算式の導出を試み，同様に初期値を改善

拘束する手法による高さの決定精度向上の可能性した．

を示しており，海底局間相対測位の技術開発と共これらの努力の結果，現在では上記の１日補正に将来の課題である．

を行う意味は，当初に比べてやや小さくはなって

最後に，キャンペーン観測により求められた最いる．また個別に見ると，時間変化のパターンに終的な局位置解（エポック解）の精度評価手法によっては，１日補正を行うことがかえって結果をついて補足しておく．既に述べたように，我々の悪化させる事例もあり，注意が必要である．しか観測では，１回のキャンペーン観測につき通常３

−7−

海上保安

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Masayuki FUJITA〜４日以上のデータを取得しており，最終的なエられることも示している．

ポック解は，これら全日のデータを一度にイン

一方，上記２００５年の集中観測データからは，バージョン解析することにより求めている．他

船尾観測支柱の動揺計測値に有意なバイアス誤差

方，１日分のデータ（サ ブ セ ッ ト デ ー タ）か らが含まれていることも明らかとなり，これに対処も，精度的には不十分ながらも，一つの局位置解することにより，局位置決定精度の安定性向上にが求められることから，日数分の独立なサブセッ寄与した．これについては，今後の検討結果も含ト解を求め，その再現性（サブセット再現性）をめ，別稿で詳しく報告される予定である．

評価することにより，最終的なエポック解の精度

本稿で概観した局位置解析インバージョンの方指標としている．実際，こうして求めたサブセッ

法論，解析条件及び評価手法については，Fujita

ト再現性は，海域や季節，観測された海中水温構

et al．（２００６）にも，その定式化と共に詳述され造の安定性とも相関があることが示されておりている．

（Fujita et al., ２００６），有効な評価手法として活用
５

されている．
セット再現性と海中水温構造との関係について考主な成果
次に，これまでに得られた主な観測成果についこれに 関 連 し て 石 川・他（２００６）で は，サ ブて概観する．

察を深めると同時に，２００５年に行った「宮城沖１」海底基準点での集中観測データを用いて，サ（１）観測精度の確認等

ブセット再現性が相対的に悪い場合でも，十分な

浅田・矢吹（２００１）は，２０００年に設置 し た 直

観測日数の確保によりエポック解の精度が改善さ後の「熊野灘」海底基準点における２度の観測結れ，条件の良い場合に匹敵する数 cm の精度が得

果から，２cm 程度の繰り返し再現性が得られる

(a)
0.2

East-West

(b)

0.1

n Trench

0
-0.1
-0.2

rms: 2.5cm

-0.3
0.3
0.2



MYGI

North-South

0.1

Axis of Japa

W <==> E (m)0.3

S <==> N (m)／０６０３０３６５ 
  0 

-0.1
-0.2

rms: 2.6cm

-0.3

2002

2003

2004

2005

Fig．
８ Result at the seafloor reference point MYGI：（a）Time series in the horizontal components during the period
２
０
０
２−２
０
０
５．The position reference is Shimosato, in central Japan．
（b）Crustal velocity vector at MYGI relative
to the Eurasian plate evaluated from the time series shown in（a）after correcting for the intraplate velocity at Shimosato.

−8−

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ことを示した．また，「三宅島西方沖」海底基準の精度評価の目的も兼ねて，重点的に多くのデー

点のデータからも，センチメートルレベルの再現タを取得してきた．

性 が 確 認 さ れ た（例 え ば，Mochizuki et al.,

２００４年には，本基準点において，それまでの２００３）．「三宅島西方沖」については，その後も顕約２年間の時系列から，ユーラシアプレートに対著な変動は認められていない．

する相対変動を検出することができた（Fujita et

藤田・佐藤（２００４）は，後述する「宮城沖１」

al.,２００４）．求められた変動の速度ベクトルは，西海底基準点のデータから，異なる観測エポック間

北西に約８cm/年というものであり，当庁の観測の位置決定再現性を吟味し，数 cm の精度が得らから有意な地殻変動が定量的に捉えられた初めてれることを示すと同時に，音速度構造の不安定にの例となった．これは同時に，国内でも初めてのよる精度劣化についても議論した．

ことである．
さらに Fujita et al.（２００６）は，上記の期間に２００５年４月 ま で の デ ー タ を 加 え て 再 解 析 し，

（２）「宮城沖１」で検出されたプレート内変動
宮城県沖海域は，地震調査委員会の長期評価にユーラシアプレートに対する速度ベクトルを，西より近い将来の大地震発生確率が極めて高いとさ

北西（方位角２９５度）に８．
５cm/年と求めた．回

れている場所である．この海域に，２００１年９月

帰直線の周りの測位解水平各成分の再現性は約２海底基準点「宮城沖１」を設置し，翌年から本格cm となり，それまでの目標精度を上回るもので的に観測を開始した．
「宮城沖１」においては，あった．

上記の背景から海上保安庁としても，本観測技術

さらに後述する宮城県沖の地震前までのデータ

Event
(a)
W <==> E (m)0.2

East-West
0.1

(b)

0
-0.1
-0.2

MYGW

0.2

S <==> N (m)／０６０３０３６５

Epicenter(M7.2)

North-South
0.1

OBS

model
model
MYGI

0
-0.1
-0.2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12Month of 2005
Fig．
９ Co−seismic displacement associated with the２００５Off Miyagi Prefecture Earthquake（Matsumoto et al.,２００６）：（a）Time series at MYGW in the horizontal components from four campaign observations during the period from June to October，２００５．
（b）Observed co−seismic displacement vector at MYGW and synthetic vectors
both at MYGW and MYGI calculated from the GSI’s rectangular fault model.

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Masayuki FUJITAを加えると共に，若干のソフトウェアの改善も城沖１」における地震前後の差は，解のばらつき

行って再解析した最新の結果を Fig．
８に示す（図の範囲内であった．Fig．
９に，「宮城沖２」の時系

中「宮 城 沖１」は MYGI と 表 記）
．Fig．
８（a）の

列と変位ベク ト ル を 示 す（図 中「宮 城 沖２」は時系列は，海上保安庁の SLR 観測点である和歌

MYGW と 表 記）
．ま た 同 図（b）に は，陸 域 の山県下里の位置を基準としたものであり，下里のGEONET 観測点で観測されたコサイスミック変ユーラシアプレートに対する速度（２９１度方向に動を説明する矩形断層モデル（国土地理院地理地

３．
２cm/年；Sengoku，１９９８）を考慮すること に

殻活動研究センター，２
００５）から計算される，両より，Fig．
８（b）の速度ベクトルを算出してい海底基準点における予測変動ベクトルを共に示しる．これによると，「宮城沖１」の速度ベクトルている．図から，両海底基準点における観測結果

は，２９５度方向に７．
６cm/年となる．

は，モデルから予測される変動と矛盾しないこと得られたベクトル値は，東北日本の陸域におけがわかる．

る GEONET 観測点のユーラシアプレートに対すこうした海底におけるコサイスミックな地殻変る速度ベクトル（金華山付近で３〜４cm/年：Mi-

動データは，海底震源断層の滑り分布をより詳細

ura et al., ２００４）と，日本海溝から陸側に沈み込に議論するための貴重な情報となる．

む太平洋プレートの運動（例えば NUVEL−１A
モデル（DeMets et al., １９９４）では，ユーラシア

６

他機関の動向プレートに対して２９３度方向に９．
２cm/年）から

ここで，国内外の海上保安庁以外の機関による

みて，方向は整合的であり，値も両者の中間的なGPS/音響測距方式の海底地殻変動観測への取りものとなっている．このことから，観測されたベ組みの現状について簡単に述べる．

クトルは，現実の変動を捉えていると判断するに

冒頭に紹介したスクリップス海洋研究所のグ十分な結果であり，この海域下の強いプレート間

ループは，初期成果導出以降も精力的に技術開発

カップリングを示唆するものと考えられる．

を進めている（Chadwell et al., ２００２；Chadwell，２００３）．最近，Gagnon et al.（２００５）は，ペルー沖海底での観測結果について示し，陸上の（３）地震に伴う変動の検出
２００４年９月，紀 伊 半 島 南 東 沖 で M６．
９と M

GPS 測位結果と併せて，この海域のプレート境

７．
４の地震が連続して発生した．震源から約６０

界の固着の上限が非常に浅くまで達していると報km 離れている「潮岬沖１」海底基準点における告した．この結果は，沈み込みプレート境界の浅

この地震前後の測位結果を比較したところ，地震い部分は固着していないとするこれまでの常識をに伴う（コサイスミック）と思われる変動が検出覆すものであり，論議を呼んでいる．
日本では，東北大学，名古屋大学のグループされた（海上保安庁海洋情報部，２００５）．
また２００５年８月には，宮城県沖で M７．
２の地が，それぞれ GPS/音響測距技術の研究開発を進震が発生した．この地震の震源域は，２００４年にめている．東北大学では，ブイ方式のシステム設置した基準点「宮城沖２」のごく近傍であり，を，名古屋大学では，当庁と同じく測量船を用い

上述の「宮城沖１」からは約６０km 離れている．

たシステムをそれぞれ開発している．両グループ

前項で触れたように，海上保安庁では２
００５年，共，最近になって観測精度が向上し，宮城県沖やこれら２つの基準点で集中観測を行っていたとこ

熊野灘において地殻変動を捉えたという報告が出ろであり，地震後にも再測を行い，前後の決定位始めている（舟越・他，２
００５；Kido et al.,２００５；

置を比較した結果，震源近傍の「宮城沖２」で，Tadokoro et al.,２００５）．２００５年は，日本の海底地

東向きに約１０cm の有意なコサイスミック変動

殻変動観測技術が新たな段階に入った年というこを検出した（Matsumoto et al., ２００６）．一方，「宮とができよう．

− 10 −

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GPS/Acoustic seafloor geodetic observation

７

ある．

今後の課題
海上保安庁の海底地殻変動観測は，細かい技術

謝的問題はなお残っているものの，当初の目標精度辞を達成するための要素技術はほぼ確立し，システ

本稿をまとめるにあたり，この期間，常に密接ムとして実用化されたといっても過言ではない．

な共同研究者として協力いただいてきた東京大学

しかしながら，陸上観測の測位精度やその安定性

生産技術研究所の望月将志氏並びに海洋情報部関には，当然ながらまだはるかに及ばず，これで満係諸氏に，内容確認とアドバイスをいただいた．

足するわけにはいかない．また，高さの高精度決記して感謝する．なお，下記参考文献中に明に名定も重要な課題である．

前が列記されていない方々の中にも、本稿の内容

さらに，運用面における課題は多い．将来的に観測点を増やし，社会的な期待に十分応えていくに関連して多大な貢献のある海上保安庁職員が多数おられることを申し添える．

ためには，現在のシステムによる運用には観測効
要率上限界があり，新しい技術を含めたインフラ整旨

海上保安庁の GPS/音響測距結合方式による海備がどうしても必要である．
具体的な整備事項として，例えば，海況への脆底地殻変動観測の取り組みについて，２０００年以

弱性を改善するための大型測量船の利用，音響ト

降約５年間の進捗状況を，特にデータ解析手法のランスデューサの船底装備，それも含めた観測機開発及び観測成果に重点を置きつつまとめた．ま材の常設化がまず挙げられる．さらに観測効率をず観測精度については，それぞれの要素技術のソ大幅に向上させるためには，現在の漂流観測では

フトウェア，ハードウェア両面における改良の努なく，走行しながらの測線観測を実現することも力により，現在までに数 cm の海底局位置決定精必 要 で あ る．ま た 現 在，自 律 型 海 中 ロ ボ ッ ト度が達成されている．また観測結果として，宮城（AUV ; Autonomous Underwater Vehicle）を利用

県沖における太平洋プレート沈み込みの影響によした自動観測（浅田・他，２００５）についても技術るプレート内変動や２００４年紀 伊 半 島 南 東 沖 地

開発が進められており，その実用化が待たれる．

震，２００５年宮城県沖の地震に伴う変位が捉えら

さらに将来的には，海底ケーブルや衛星通信をれるなど，注目すべき成果が報告されている．今用いたリアルタイム化が課題となってくるであろ

後もさらなる精度向上とインフラ整備を目指さねう．

ばならない．

８

参考文献

おわりに
本稿では，海上保安庁で推進している GPS/音浅田昭，矢吹哲一朗（２０００），海底音響基準ネッ
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響測距結合方式による海底地殻変動観測について，観測運用が開始された２０００年以降の約５年

浅田昭，矢吹哲一朗：熊野トラフにおける長期地

間の取り組みについてまとめた．現在徐々に，注殻変 動 観 測 技 術 の 高 度 化，地 学 雑 誌 ，１１０

目すべき具体的成果が出始めており，着実に前進（４），５２９‐５４３．

しているといえるが，その一方で，上にも述べた

浅田昭，浦環，望月将志，浅川賢一，藤田雅之

さまざまな課題もある．将来，次の５年あるいは（２００５），海底ステーションを基地とする海中

１０年を総括するとすれば，「インフラ整備」ある

観測ロボットによる自動海底地殻変動観測手

いは「新技術」がキーワードになるかもしれな法の開発，月刊地球 ，号外 No．
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い．逆に，これらの実現を目指しつつ，さらなるBaba, T., K. Hirata, T. Hori, and H. Sakaguchi

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GPS/Acoustic seafloor geodetic observation

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