資料

計５９－（４）海域に関する調査観測の現状及び課題
海洋研究開発機構
地震津波・防災研究プロジェクト
金田 義行
平成25年5月31日（金）地震調査研究推進本部政策委員会
第59回調査観測計画部会

目次■東北地方太平洋沖地震■日本海東縁ひずみ集中帯■南海トラフ地震発生帯研究■海域リアルモニタリング
ー地震・津波観測監視システム（DONET）ー■今後の調査観測の方向性

2海底で起こった現象[地殻変動]
地震発生前

日本海溝

地震発生後

日本海溝

JAMSTEC 東北対応緊急調査による

3

震源域での海底で亀裂発見- しんかい6500による潜航調査 SIte1 2011/8/1

SIte1

SIte2 2011/8/10
SIte2

震源SIte3
しんかい６５００

SIte3 2011/8/3

2006/6/8
JAMSTEC 東北対応緊急調査による

1m
海底の大きな亀裂は2006年に同じ地点を観察した時には確認できなかったことから、3月11日の地震か、その後の余震による影響でできたと考えられる。

4

アウターライズ域での大規模構造調査-高分解能反射法探査システムによる海溝軸詳細構造調査アウターライズ構造調査
海底地震計

沈み込み帯

アウターライズ

海洋プレートが水を放出。
水の量は、地震活動・火山活動などに決定的な影響を与える。

海洋プレートが沈み込む直前に大きく折れ曲がる場所。
• 大津波を伴う地震が発生• 亀裂（断層）の発達・水の浸入

海洋プレート基盤からの相対深度（ｋｍ）

海底地震計を用いた大規模構造探査アウターライズ目的
アウターライズ地震発生場の解明。沈み込み帯に持ち込まれる水量と水分布の解明。

解析結果例

海洋地殻内のVp/Vs（流体分布）

アウターライズの発達に伴い海洋プレートに水が侵入する

海溝軸詳細構造調査
従来の海溝型
巨大地震発生モデル

沖合での観測調査が重要

海溝軸近傍は定常滑り領域。地震時滑りは起こさないと考えられてきた。

東北地方太平洋沖地震
海溝軸近傍まで滑りが達したことを示す様々な観測・解析結果。その原因となったプレート境界断層の最浅部を宮城沖で確認。

目的
日本海溝全域での海溝軸近傍における断層・変形構造の把握。2011年のようなSlip to Trench型地震の発生場の解明。

宮城沖海溝軸断面

可搬式MCSを用いた
稠密高分解能構造探査
可搬式ストリーマケーブル

5

海溝軸からアウターライズにおける地震観測
自然地震観測目的■応力場の時空間変化・巨大地震による応力変化の回復過程の解明■陸上観測網では捉えられない微小地震の検出による、地震活動の空間変化の把握

超深海型OBSの使用
海溝軸での観測アウターライズにおける詳細な震源分布・メカニズム解推定の例（Obana et al., 2012GRL)

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目次■東北地方太平洋沖地震■日本海東縁ひずみ集中帯■南海トラフ地震発生帯研究■海域リアルモニタリング
ー地震・津波観測監視システム（DONET）ー■今後の調査観測の方向性

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JAMSTECによる調査測線図（2009～2012年度）

日本海東縁
ひずみ集中帯2009年度 佐渡沖•MCS探査（8測線，測線長1299 km）•OBS探査（1測線［30台］，測線長250 km，東大震研との海陸統合測線）
2010年度 新潟沖～庄内沖•MCS探査（11測線，測線長2812 km）•
OBS探査（1測線［58台］，測線長296 km）
2011年度 庄内沖～秋田沖•
MCS探査（11測線，測線長1924 km）•OBS探査（1測線［55台］，測線長281 km）
2012年度 秋田沖～西津軽沖•
MCS探査（13測線，測線長1965 km）•OBS探査（1測線［46台］，測線長235 km）

ひずみ集中帯の分布：岡村(2010)
震源分布：気象庁（1923～2012）8目次■東北地方太平洋沖地震■日本海東縁ひずみ集中帯■南海トラフ地震発生帯研究■海域リアルモニタリング
ー地震・津波観測監視システム（DONET）ー■今後の調査観測の方向性

9南海トラフ沿いの地下構造
足摺沖から東海沖へスキャン

既往研究成果の活用

陸側

往復走時

フィリピン海プレート[海洋研究開発機構]
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南海トラフ沿いの地殻構造探査
シミュレーション研究と連携した構造モデル構築

日向灘～紀伊水道沖までの沈み込むプレート周辺の深部構造モデル構築に使用した構造① 2008〜2010年の調査② 日向灘〜紀伊水道沖の構造および自然地震トモグラフィから推定された構造③ 紀伊半島〜東海沖既存の結果

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シミュレーション研究と連携した構造モデル構築-南海トラフ

今後の課題：

三次元地下構造-

プレート形状含む構造モデルの信頼性の評価
琉球弧、房総沖への拡張
３次元的により均質な解像度の形状モデル・速度構造モデルの構築
変形や応力の計算のため、ポアソン比、ヤング率が必須→S波速度、密度への焼き直し

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深部低周波微動・地震発生域の構造
深部低周波微動・地震は巨大地震発生領域に隣接することから、巨大地震のトリガーとなる可能性があるだけでなく、巨大地震の連動性を解明する手がかりともなる[小原, 2009]。
シミュレーション研究から・・・
海溝型巨大地震が近づくと、深部低周波地震が活発化する、という試算もされている[Ariyoshi et al., 2012]。

高精度海陸統合調査は．．．
今後実施すべき重要な課題
NW

SE

淡路島付近の浅海域までの調査の実現による成果

陸上Hi-net観測点で取得したエアガンデータの使用による成果だが．．．決定精度は不十分

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今後実施すべき新たな課題
熊野灘で観測された浅部低周波地震は...

南海トラフ先端部での地震性
すべりの可能性

プレート境界で発生

プレート境界断層（海底下438m）

最高温度
←低 高→

[Sakaguchi et al. , 2011][小原 , 2009][Sugioka et al. , 2012]

付加堆積物
トラフ軸

大陸プレートフィリピン海プレート

広帯域海底地震計

海域での広域的なサンプリングに基づく地震発生履歴の調査およびトラフ軸周辺での浅部低周波地震を含む地震活動のモニタリ
ングが必要
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歴史津波の痕跡 （津波堆積物・龍神池）

龍神池

ひょっとん峠
公民館
なずなの塩

龍神池
植樹したクロマツ

間越海岸

岡村眞（高知大学）
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歴史津波の痕跡 （津波堆積物）

平野部での津波履歴調査が重要

岡村眞（高知大学）
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今後実施すべき新たな課題■海陸統合調査の実施 →巨大地震滑り域下限の構造の解明■海溝域浅部高精度探査の実施 →トラフ軸浅部すべりの評価■南海トラフ東西への調査の連続性 →東海沖～関東、琉球海溝■海底堆積物を用いた地震発生履歴調査の実施■平野部での津波堆積物評価■S波速度、密度などを取り入れた媒質モデルの構築や誤差の評価に取り組む■構造研究に基づくモデルをシミュレーション研究に適用する■最終モデルの広く一般への公表・活用
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目次■東北地方太平洋沖地震■日本海東縁ひずみ集中帯■南海トラフ地震発生帯研究■海域リアルモニタリング
ー地震・津波観測監視システム（DONET）ー■今後の調査観測の方向性

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19

DONETの構築のための観測技術開発
拡張性があり、とくに広域に展開する場合に適した高電圧システムの技術開発

高信頼性：

定常連続観測を実現可能なシステムデザイン

広域展開のためのシステム高度化

基幹ケーブルシステムには、高信頼設計を基本とする商用海底通信技術を用いるとともに、必要に応じて、高信頼性コンポーネントの新規開発を実施。
（給電岐路ケーブル、制御回路の高信頼性IC等）

冗長構成：

外的要因による障害、もしくは想定外の内因による部分的な障害の発生に対して耐力のあるシステムデザイン
DONET構築
最大水深3,500ｍ～4,300ｍ（C観測域）

基幹ケーブルの両端を陸揚げし、それぞれの端から直流定電流給電をかけ、時計回り、反時計回りの2経路の伝送路を確保することにより冗長構成を実現。

中電圧システム(DONET1)

さらに開発

高電圧システム(DONET2)

電圧システム： 3千V →ケーブル長： 300km →DONETタイプノード：
5式 →

1万V
1000km10式

置換機能：

障害を起こしたり老朽化したコンポーネントについて適宜、交換・整備・アップグレード等の置換が可能なシステムデザイン
ノードや観測装置はそのインターフェースに水中着脱式コネクタを搭載することで海中で着脱を可能にする。

海洋調査船「かいよう」

海底で設置作業を行うROVROVで地震計設置
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第二期（DONET2）計画 展開案
展開案■DONET２

・平成22年度以降、文部科学省の補助金事業として、当初は5年×2フェーズの計画 （第Ⅱ期）>第1フェーズ：H22～H26>第2フェーズ：H27～H31・平成24年度予算案において、前倒し予算が計上され、平成26年度までに一部データの取得、試験運用開始に向け整備を加速

紀伊半島
四国

DONET1■DONET１の運用・データ解析も合わせて実施■システム構想（カッコ内はDONET1）
・基幹ケーブル長：・分岐装置：・ノード：
・観測装置：

約420km （約250km）
7式
（5式）
7式
（5式）
29式
（20式）+2式

DONET2※展開案、設置機器内容については、ルート設計のための事前調査による変更もある。

○ 南海地震の備えとして、想定される震源域における展開を目指し、平成22年度より着手。
21

地震及び津波の即時検知能力の向上

赤色の領域で地震が発生した場合、陸域観測網よりも早くＰ波を検知する

赤色の領域で津波が発生した場合、沿岸の検潮所よりも早く津波を検知する
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沖合津波波形を用いた沿岸波高の推定
沿岸の検潮所より早く沖合津波波形を検知
沿岸での津波波高 ＝ 増幅率 ×DONETデータ

2011年 東北地震津波の例① 串本：約2.5倍

Pressure [hPa] or Wave height [cm]100

DONET/GPSブイ/検潮記録の津波比較② 浦神：約3.2倍④尾鷲

UragamiKushimoto

GPS Buoy
沖合データの初動と沿岸観測所の最大値との比較
６倍～１０倍の増幅
DONETC9DONETC9③熊野

GPS Buoy0②浦神①串本-100
Bandpass filtered between 100 – 10000 sec.

Bandpass filtered between 100 – 10000 sec.

③ 熊野：約2.75倍④ 尾鷲：約3.5倍

100

尾鷲
GPS Buoy

DONET C9Owase

KumanoGPS Buoy

GPS Buoy

津波予測の精度向上に貢献

0DONETC9DONETC9-100
Bandpass filtered between 100 – 10000 sec.

Bandpass filtered between 100 – 10000 sec.

03060

90

120 150 180

2100306090

120 150 180

210Time [min.]

津波増幅率は、津波の入射方向や震源距離、地域によって異なる

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微小地震の累計
ＤＯＮＥＴ1で観測された微小地震数の累計微小地震の観測によって、これまで把握できていなかった地震活動を確認

シミュレーション結果によれ
ば、巨大地震発生直前には、震源域の浅部周辺域で微小地震が活発になると予測されている。

グラフに対応する期間全体の震源分布図

HypoDDを用いて震源再決定したものに限る

神谷眞一郎（海洋研究開発機構）

DONET1、DONET2、長期孔内観測システムで、微小地震の活動を長期に観測し、地震活動の変化を捉えることで「地震の巣」の状態を判断でると期待される。
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期待される地殻変動観測データ
東南海地震発生後から南海地震発生に至るまで紀伊半島西沖では、東南海地震の余効すべり後の加速が観測できると期待される。

熊野灘では東南海地震の余効すべりが観測される。

①①①②②②③③③①②

南海地震

③南海地震
③①

②

地殻変動の鉛直変位

東南海地震

地殻変動の鉛直変位

地殻変動の鉛直変位

東南海地震②①南海地震 ③

東南海地震
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DONETデータを用いたデータ同化概念図
地震
すべり速度

発生間隔推定結果[day]

地震発生サイクル計算（東南海後余効すべり）←

真の発生時点
データと同化した日数

地殻変動鉛直成分[m]●：DONET2で観測が期待される余
効すべりによる地殻変動↓：真の発生時点

黒線：様々なシナリオ計算

東南海地震後の日数

各シナリオ計算結果のデータによる重み

固着

真の発生時点

東南海地震後5日時点

各シナリオでの発生間隔[day]26

再来する南海トラフの巨大地震の発生サイクルシミュレーション
このシミュレーションを高度化するためには海底観測データが不可欠

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堀・兵藤（JAMSTEC）

深部・浅部での低周波イベントの活動変化
形状：構造探査の結果を適用

数値モデル化

浅部：5.4 km
深部： 30 km

地震発生直前

固着期間

約100年後

深部

不活発

浅部

深部

浅部

活発①固着期間(左図)・・・海溝型巨大地震震源域傍で浅部の低周波イベントが不活発②地震発生直前(右図)・・・浅部でも活発化 → 深部との類似性が高まる★ 深部低周波イベントの理解 ⇒ 浅部低周波イベントへの応用が可能★ 浅部低周波イベントの観測 ⇒海溝型巨大地震に伴う前駆変化の検知ツール

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海底地震観測網によって解明が期待されること
浅部でのゆっくり地震の活動：

巨大地震震源域の固着の影響を受けやすい
固着が弱い or 震源域の縁⇒巨大地震後に活発化
固着が強い and 震源域の中央⇒巨大地震後に静穏化

Obara &Shiomi (2009)

DONET

巨大地震発生後のデータ検証：【東北地方太平洋沖地震】 固着が強いところで不活発⇒ 東北沖ケーブルの活用
巨大地震発生前のデータ検証：【東海・東南海・南海地震】
活動の活発化・伝播速度の変化⇒ DONET/気象庁による海底観測データの活用
今後，複雑な地震サイクル条件下での検証を進める
松澤・他 (本大会) に八木(web) の結果を重ねたもの

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孔内地震・地殻変動観測システムの接続
DONETと「ちきゅう」により掘削した長期孔内計測点の接続により、海底下でのリアルタイムモニタリングを実現する。
▲長期孔内計測点

DONETに接続

DONET
海底ケーブルでデータ収集
海底下深度
熊野海盆
堆積層
温度計アレイ
傾斜計
地震計
歪計

孔内計測点では、歪計や傾斜計によって、海底水圧計よりもさらに高感度で変動をとらえることが期待される

付加体

間隙水圧

約900-920m

980m

3030

2013年4月13日に淡路島付近で発生した地震の記録
DONET1ならびに長期孔内観測システムで、今回の地震による波を明瞭にとらえた。
各観測点では、地震発生から約30秒後にP波初動を観測。

長期孔内観測システム（C2）波形
2013/4/13
5:33:18

フィルターなし

P波初動
1分m/s2加速度計X
加速度計 Y
加速度計 X

nrad

傾斜計 X
傾斜計 Y
海底水圧Pa

間隙水圧1
間隙水圧2
間隙水圧3m/s

広帯域X
広帯域Y
広帯域Z31DONETのリアルタイム伝送構想例

データ受信・配信

古江陸上局 （ＤＯＮＥＴ１）（徳島県海陽町）

室戸ジオパーク陸上局 （ＤＯＮＥＴ２）

海陽町まぜのおか陸上局

衛星回線による冗長化

尾鷲市防災センター

DONETデータ
リアルタイム波形表示

Webによる計算結果の配信

専用線（GIGA STREAM）

震源メカニズム決定
津波の波動伝播計算

win32フォーマット 0.1秒パケット
局舎設計図

局舎建設地

中部電力

広帯域地震計 3 ch (200 Hz)
強震計 High/Low Gain 6 ch (200 Hz)
ハイドロフォン 1 ch (200 Hz)
微差圧計 1 ch (200 Hz)
水晶水圧計1 ch (10 Hz)
精密温度計 1 ch (1 Hz)
広帯域地震計3 ch (100 Hz)
強震計3 ch (100 Hz)
水圧計1 ch

防災科研/
気象庁の陸上観測点データ（南海トラフ沿い約200観測点）
地震計、水圧計EarthLAN

緊急地震速報
津波警報

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南西諸島での巨大地震
九州沖から南西諸島までの超巨大地震の津波想定図
九州沖から南西諸島までのM9.3超巨大地震を想定

鹿児島や沖縄だけでなく九州の西側の熊本や長崎にも津波が押し寄せる。
また、中国大陸と朝鮮半島に向けては、水深が浅いため（津波の速度は水深が深いと速く、浅いと遅くなる特性があるので）、津波が太平洋側よりゆっくりと進む。

（株）地震工学研究開発センターによる計算
33

海域観測網の整備

北海道釧路・十勝沖「海底地震総合観測システム」

防災科研が実施予定

初島沖深海底総合観測ス
テーション
地震・津波観測監視システム（DONET1）

今後整備を進めるべき海域

地震・津波観測監視システム（DONET２）敷設予定エリア
高知県室戸岬沖「海底地震総合観測システム」

海域における観測点は未だ少ない。
特に、地震発生が懸念されているのは南海トラフ。
2011年3月末現在、地震調査研究推進本部調べhttp://www.jishin.go.jp/main/kansoku/kansoku1103/index.htm

34

南海地震震源域のリアルタイムモニタリングシステムの整備

DONET3 試案例

DONET3 A案

DONET3 B案

DONET3 C案

35

津波検知能力の評価

36GPS/音響測位による海底地殻変動観測
即時展開性に優れたブイ形式の「津波警報システム」を展開
RTK GPS Positioning

GPS
陸上基地局

音響測位

海底基地局
リアルタイムデータ転送

PPP GPS Positioning
従来のGPS/音響測位システム

地上局

音響測位

①海底に設置した水圧計によりデータ検出

海底基地局②船や陸上インフラに左右されない衛星を通じて津波データをリアルタイム通信（津波の正確な到達時刻を計測可能）

津波ブイシステム
37

ブイを用いた新観測システム 単独搬送波位相測位
イリジウム

GPS

QZSS
みちびき

リアルタイム
PPP測位

きく８

データ伝送
精密軌道・クロック
情報を生成
地上局

地上アンテナ

水圧計と海底局を用いて地殻変動観測
1000m長の通信用ワイヤー
ワイヤー下のトランスデューサ
ポリプロピレン
ロープ
切り離し
装置

ナイロン
ロープ＋スラック係留方式の採用

衛星を用いたPPP観測

スラック比

II

(係留索長：水深比)

海底における地殻変動をリアルタイムで検出へ＝ 1.3～1.5程度即時展開性に優れたブイ形式の津波警報システムを展開

45ﾟ
海底局（水平変位検出）

アンカー
5～6t

水圧ﾃﾞｰﾀ・指向性±45°

海底ユニット（水圧計による上下変位検出）①

海底に設置した水圧計によりデータ検出②

陸上インフラに左右されない衛星を通じて津波・地殻変動データをリアルタイム通信

38泥火山（泥ダイアピルの噴出）
ＡＵＶによる精緻な海底地形調査

39

地下構造・地殻活動データベースの構築
データ取得

一般

行政

公開サーバ
Web+アプリケー
ション

研究

データの閲覧・検索
リアルタイム表示

大学・研究機関等
再解析
データ

地殻変動
地震活動

MCS・OBS
地形

DONET
データ

防災科研・
気象庁デー
タ

GIGAStream

EarthLAN

インターネット
統合データベース
さまざまなデータを集約し、データベース上での可視化、解釈、マッピング、モデリング、シミュレーション等の実行を可能にする。

再解析DB

地殻活動DB

構造探査DBDONET DB

リアルタイム解析処理装置

解析サーバー
群

データベース40

目次■東北地方太平洋沖地震■日本海東縁ひずみ集中帯■南海トラフ地震発生帯研究■海域リアルモニタリング
ー地震・津波観測監視システム（DONET）ー■今後の調査観測の方向性

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今後検討すべき震源域
今後検討すべき領域（海溝型地震）
••
•
•
••
•
•
•

十勝〜根室：17世紀前半タイプの再来
青森沖：1968で破壊済み？
宮城沖：アウターライズ？
房総はるか沖：1677タイプの再来
関東：元禄タイプの東側（房総半島下〜沖合）
南海：最大規模、多様性
日向：南海と連動or南への破壊の起点
琉球：少なくとも八重山は過去に大津波
伊豆小笠原：アウターライズを含めて1605年
慶長地震の波源の可能性も1600年代~1800年代の広域でのM8クラス地震

～1650
1677
1611?
1793

内陸地震。海域地震
・ 西南日本、関東の活動期評価
・ 海域の断層構造

1677
1703

観測データが重要••

相似地震や海底地殻変動
津波堆積物や隆起痕跡 etc.

1707

1662

その上で•••

各地域で数百年サイクルとより小規模との共存するモデル計算
すべり欠損分布からシナリオ地震計算
プレート境界すべりモニタリング

八重山
1771

modified from Koyama (2011)42

海底ＧＰＳ観測点の増設
海上保安庁
・プレート境界型巨大地震が起こる可能性が高い太平洋側に設置
・定常観測

既存の観測点
海上保安庁

東北大学

名古屋大学

国土地理院
(電子基準点）

H23以降の増設する観測点（予定含む）
海上保安庁

三陸南部
海溝寄り

東北大学
宮城県沖

東海地震
（想定）
東南海地震
南海地震

フィリピン海プレート
4～5cm/yr

太平洋
プレート
約10cm/yr

東北大学、名古屋大学
・大深度での観測や調査の効率的実施に関する技術開発
・宮城県沖および南海トラフにおける定常観測■東北地方太平洋沖地震を受け、・観測点（基準点）の増設→面的な観測へ
・宮城県沖における集中的観測の実施→余効変動の時間変化、固着状態の推定

佐藤まりこ（海上保安庁）、藤本博己（東北大学）を改訂

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