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気象研究所研究開発課題評価報告

東海地震予知技術と南海トラフ沿いの地殻活動監視技術の高度化に関する研究

中間評価

評価年月日：平成２４年２月９日

副課題１：監視・解析技術の高度化
副課題２：地震発生シミュレーション技術の高度化

研究代表者

勝間田明男（地震火山研究部　第二研究室長）

研究期間

平成21年度～25年度

中間評価の総合所見

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研究の動機・背景

発生が懸念されている東海地震の発生領域周辺では、近年スロースリップ・深部低周波微動など様々な現象が見出されている。これまで５カ年における研究において、東海地震発生直前の前兆すべりを捉える目的で、東海地域に精密制御震源を設置し観測を開始すると共に、レーザー式変位計を新たに開発し観測を開始した。また、東海地震・東南海地震の想定震源域の海域においては、新たなケーブル式海底地震計が整備される等新たな観測手段の導入がなされている。これらの充実した観測データを活用して現在起きている現象を確実に捉え、更にそれらの現象の東海地震に対する影響を評価する技術を開発することが気象庁監視業務のために求められている。

研究の成果の到達目標

（副課題１）緊急地震速報のための余震・群発活動・連発地震に対応した処理手法の開発

（副課題１）監視・解析技術の高度化

1.1精密制御震源を用いた監視技術に関する研究

信号の時間変化の効率的な監視手法の開発

1.2地殻変動データを用いた監視技術に関する研究

レーザー式変位計による観測と長期的スロースリップ等の異常地殻変動検知技術開発
歪計等データによるスロースリップ等の異常地殻変動検出手法の改良
数10年以上にわたる長期的地殻変動の特徴把握

1.3地震活動評価の高度化

地震活動の特徴抽出による地震活動度および地震発生確率の評価

（副課題２）地震発生シミュレーション技術の高度化

東海地震発生に先行する地殻変動等の予測
東南海・南海地震発生に先行する地殻変動等の予測

研究の現状

（１）進捗状況

（副課題１）監視・解析技術の高度化

1.1精密制御震源を用いた監視技術に関する研究

Hi-net等の高感度地震観測網のデータを用い、精密制御震源装置からの信号（アクロス信号）の伝達関数を計算する処理を自動化した。また、伝達関数の走時・振幅変化と地震動・降雨等の相関について調査を進めている。

1.2地殻変動データを用いた監視技術に関する研究

レーザー式変位計に関して、基線長200ｍと400ｍ時の特性評価を行っている。
水準測量データ及び潮位データに基づく長期的地殻変動に関する調査を進めている。
歪計等データの降雨補正法について改良法の検討を進めている

1.3地震活動評価の高度化

Gutenberg-Richter (G-R)則に基づく地震発生予測モデルについて検証試験を行っている。
小繰り返し地震に関する統計的予測モデルの構築し、予測実験を実施するとともに、モデルの改良に着手した。
応力変化等の物理モデルを取り入れた地震発生予測に関して検討を進めている。

（副課題２）地震発生シミュレーション技術の高度化

東海・東南海・南海地震の範囲に関する地震発生シミュレーションモデルの構築を行った。
スロースリップの発生に関するモデル化を進めている。

（２）これまで得られた成果の概要

監視・解析技術に関しては、これまで開発してきた技術の高度化や自動化を進めるとともに、補正技術の高度化により異常検知の能力の向上が図られた。

地震発生シミュレーションに関しては、長期的スロースリップイベントを地震発生モデルに取り入れ、モデルの説明能力を向上させた。

（副課題１）監視・解析技術の高度化

1.1精密制御震源を用いた監視技術に関する研究

信号とノイズレベルの関係を調査し、地震波速度の時間変化を調査する上での最適なスタッキング時間を求めた。
精密制御震源装置からの信号について、臨時観測結果を解析し、最新のプレート形状を取り入れた理論走時解析と比較し、プレート境界面からの反射波を判定した。
愛知県東部の定常観測点近傍において臨時アレイ観測を行い、定常観測点において認められる波群について地下深部からのものと地下浅部からのものを識別した。
精密制御震源装置とHi-net森観測点間伝達関数の走時の時間変化について、気圧・気温・降水量など気象要素との相関を調べ、変動要因分析を行った。その結果、降水量の　影響が最も効いていることがわかった。また、４段のタンクモデルでほぼ変動の説明つくことを明らかにし、大域的探索法（SCE-UA法）を用い、各タンクの最適パラメータを求めた。
弾性波伝搬媒質のリアルタイム能動的監視に向けて、自動的に伝達関数の走時変化とエネルギー比を計算し、図示するプログラムを開発した。

1.2地殻変動データを用いた監視技術に関する研究

レーザー式変位計の応答に関して調査を行い、地震波応答と潮汐応答の理論値に対する比がともに約0.5であることを明らかにした。
レーザー式変位計の基線長200ｍの場合と400ｍの場合の潮汐・気圧応答の違いについて解析し、潮汐応答の時間変化・気圧応答の大きさなどに差があることを明らかにした。
敦賀・今津の多成分歪計について水位・降水応答を補正し、東海の長期的スロースリップと同時期に歪変化が見られることを指摘した。
体積歪計の観測開始からの長期的な時系列データを用い、1980年代の東海の長期的スロースリップとの関連を調査した。その結果、1988年～1990年は、６つの観測点で長期的スロースリップイベントがあったとしても矛盾しない変化があった。但し、2000年～2005年は変化を確認できなかった。
一部の体積歪計の観測点において、気圧補正係数や潮汐補正係数の振幅の変化など、経年的に感度が変わっていることを明らかにした。
歪計の監視において、基準を下げた上で複数観測点での同期現象を監視することによって、短期的スロースリップイベント程度のイベントについて、精度良く検知が可能であることを明らかにした。また、より小さな地下深部の現象を捉えるためには、２４時間階差以外に７２時間階差などの長期間の階差が有効であることを明らかにした。
歪計の短期的な監視を行う上では、現在降水補正に用いているＡＲ法よりも、タンクモデルを用いた補正の方が有効であることを明らかにした。
GPSデータの詳細な解析により、小規模な長期的スロースリップが2005年に四国西部で、2005～2010年頃に四国中部で発生していたことを見出した。
豊後水道における長期的スロースリップ現象について解析を進め、GPSが観測する以前にもほぼ一定間隔で同規模の地殻変動が発生していることを明らかにした。
水準測量と潮位の解析により、四国中部で1977～1980年頃に長期的スロースリップの可能性がある地殻変動が発生していたことを明らかにした。

1.3地震活動評価の高度化

地震の規模別頻度分布をGutenberg-Richter(G-R)式および改良G-R式で近似する手法を基に，日本の深さ30 km以浅でM5.0以上の地震が発生する確率を算出するモデルを試作し、地震発生予測検証実験（日本版CSEP）に参加した。
静岡県西部で発生した群発地震活動について、潮汐による応力変化と地震活動度変化の関連性について明らかにした。
相似地震について基本的統計モデルを開発し、事前予測と観測データによる検証を行い、一様ランダムなモデルより有意に優れていることを確認した。過去の成績を考慮し、地域性を加味したモデルを試作した。2009年予測の成績は悪く、尤度検定などで棄却されたが、2010年予測は棄却されず、検定に合格した。
相似地震と同様に繰り返し地震である活断層帯で発生する大地震について、地震発生履歴情報に不確実性がある場合にも、繰り返し間隔のばらつきの統計モデルを用いて、地震発生頻度・確率等のポテンシャルを推定できる手法を開発した。
3次元地震波速度と過去に発生したM6.0以上の地震との関連を調査した。その結果，深さ30 kmにおける地震波速度が平均よりも遅い地域でM6.0以上の地震が比較的多く発生し，両者の関係を対数正規分布で近似できることがわかった。発生個数で重み付けした頻度分布に基づき，各グリッドの速度構造から地震発生率に変換し，既存の地震発生予測モデル（地震の規模別頻度分布をGutenberg-Richter (G-R)則またはマグニチュードに上限値を設定する改良G-R則で近似し，地域毎に適切な方を採用して地震発生率を推定するMGRモデル）に組み込むことで，全体的な予測精度が若干向上した。
静岡県西部において観測された群発的な地震活動を、間隙水圧の変動による有効法線応力の変化と、地球潮汐による応力変化により定量的に説明するモデルを作成した。
国内の大地震（１９８８～２０１０、Ｍ６．７以上、深さ１２０ｋｍ以浅）の前に地震活動の静穏化現象が伴ったかどうかを明田川・伊藤の手法（2008)により検証した結果、太平洋プレート沈み込み帯付近のプレート境界型地震には高い割合（約７０％）で出現することが確認され、この場合、静穏化領域と静穏化継続期間の地震規模（Ｍ）に対する定量的関係も認められた。
応力場を正断層型、逆断層型、横ずれ型のいずれの地震を発生させやすい場であるかによって大別した３つの応力場ごとにHirose and Maeda (2010､ SSJ)と同じように速度構造と地震活動との関連を調べた。その結果、応力場が正断層型の地域では、速度構造と地震活動とに関連はみられなかった。一方、逆断層型の地域では、モホ面付近の下部地殻における地震波速度が低い地域においてM6.0以上の地震が比較的多く発生していることがわかった。また、横ずれ型の地域でもその傾向はみられる。これらの情報を、地震発生予測モデルMGR［Hirose and Maeda (2011､ EPS)］に組み込んだところ、総合的なパフォーマンスはやや向上した。
Maeda（1996,BSSA）の手法を基に、その後マグニチュードが改定された気象庁震源カタログを用い、効率的な本震発生予測のための統計的な前震活動の識別法とその手法による予測結果について調査した。その結果、北日本の太平洋海域で1980年から1993年までの期間に発生した地震について、M>=6の本震に対し、前震規模Mf>=5.0、グリッドサイズD=0.5°、前震候補選出の地震個数Nf=3個、予測期間Ta=3日とした場合が最も予測効率が高く、予知率=13％（7/55）、適中率=19％（9/47）、ポアッソン分布による予測とのAICの差dAIC=74、確率利得=589倍という結果が得られた。また、本識別法による前震活動には明白な地域性があり、茨城県沖、宮城県沖、岩手県沖の3領域のみに前震活動がみられた。これら3領域について、同じパラメータを用い1994年から2011年3月までの期間について本震を予測した場合、予知率=20％（2/10）、適中率= 22％（2/9）、dAIC=19、確率利得=492倍という予測成績であることが分かった。
気象庁地震火山部と協力して伊豆東部の地震活動について、地殻変動に基づく予測手法を開発した。

（副課題２）地震発生シミュレーション技術の高度化

東海地震、東南海地震、南海地震の想定震源域を含んだ計算領域である南海トラフ沿いの広域のシミュレーションモデルのメッシュサイズをこれまでの10kmから7kmに高精度化するとともに、東海地域の計算領域でのスロースリップの再現に成功したモデルを組み入れることにより、広域の応力場の影響を考慮した東海地域のスロースリップのモデル化を行った。その結果、南海トラフ沿いの巨大地震の発生と東海地域のスロースリップの発生を同時にシミュレーションすることが可能となった。
数値シミュレーションを用いて、南海トラフ沿いで繰り返し発生する巨大地震、東海地域および豊後水道で繰り返し発生している長期的スロースリップイベント（LSSE）の再現を試みた。その結果、以下のモデルを作成することができた。

① 紀伊半島沖を破壊開始点とする東南海地震・南海地震が約110年のサイクルで発生し、2回に1回は東海地域まで破壊が進展する（2回に1回は東海地域が割れ残る）モデルが得られた。これは安政および昭和の巨大地震の発生様式を概ね再現している。

② 地震サイクル中に、東海地域で約15-18年、豊後水道で約6-10年の周期を持つLSSEが発生した。LSSEの周期は時間とともに短くなり、規模は大きくなる傾向を示した。東海地域のLSSEの規模は，東海地域が割れ残った後のサイクルにおいて大きくなった。豊後水道のLSSEは，東海地域の割れ残りの影響は見られなかった。

上記のシミュレーションモデルでは東南海地震と南海地震は毎回同時に破壊し、安政や昭和の地震ように時間差のあるパターンが現れない。そこで、フィリピン海プレート生成時の湧き出し口である紀南海山列の沈み込みに着目し、海山列がバリアとしての効果を持つようその領域に特徴的すべり量を大きく与えた。その結果、紀伊半島沖を震源とする東南海地震が約100 年のサイクルで発生し、その数年後に南海地震が発生し、そして2 回に1 回は東海地域まで破壊が進展するモデルが得られた。したがって、紀南海山列の沈み込み延長領域にバリアを置くことは、東南海地震と南海地震に時間差を生じさせるために有効であることが分かった。

（３）当初計画からの変更点（研究手法の変更点等）

研究手法について、変更点はない。

（４）成果の他の研究への波及状況

2011年（平成23年）東北地方太平洋沖地震が発生したことに際し、これまでに開発してきたGPSデータの検討手法や、地震活動評価手法などをこの震源域及びその周辺に適用した。長期のGPSデータについて解析した結果、2003年ころから福島県沖付近に非定常すべりが発生していた可能性があること、本震発生以後に関東地方南部でわずかな隆起があることなどを明らかにした。また、本震の震源域付近は、b値が異常に低い領域にあたっていることを明らかにした。
当課題における地殻変動解析手法は、火山地域での地殻変動の解析にも寄与した。

２．今後の研究の進め方

それぞれの観測・解析手法はこれまでその有効性が示され、今後ともそれぞれの手法の特徴を監視業務に生かせるように開発を進めてゆく方針である。
地震発生シミュレーションについては、地震サイクルの特徴の再現や、前兆的な現象の可能性の検討について研究を進める方針である。

３．自己点検

（１）到達目標に対する達成度

機器の故障等によりレーザー式変位計の記録や精密制御震源からの信号の解析に欠測期間が生じ、研究の妨げとはなったが、手法開発はほぼ想定通り進展している。

（２）研究手法の妥当性

様々な観測手法を取り入れた技術開発を行ってきており、それぞれの手法において研究の進展が得られ、妥当な研究の進め方とみなせる。

（３）成果の施策への活用・学術的意義

（副課題１）監視・解析技術の高度化

1.1精密制御震源を用いた監視技術に関する研究

臨時観測結果の解析から、プレート境界面からの反射波が判定できたことは、この分野の研究において、大きな進歩となっている。
地震予知連絡会(平成22年11月19日)において精密制御震源装置を用いた監視手法について報告した。
歪データの重ね合わせによる検知能力向上手法は、気象庁地震火山部において東海地震監視への適用の準備が進められている。

1.2地殻変動データを用いた監視技術に関する研究

レーザー式変位計のデータは、地震防災対策強化地域判定会に報告している。
水準および潮位の過去データを用いて、豊後水道における長期的スロースリップ現象の繰り返しを確認できたことは、その発見自体が重要であるとともに、再解析を通じて今後とも過去のイベントの発見に通じる可能性を示している。

1.3地震活動評価の高度化

地震予知連絡会（平成22年8月22日）において、地震発生予測モデルについて報告した。
地震調査委員会「伊豆東部の地震活動の予測手法」の検討に寄与した。

（副課題２）地震発生シミュレーション技術の高度化

地震防災対策強化地域判定会において、平成20年8月の駿河湾の地震が東海地震の発生時期に与える影響評価にシミュレーションモデルが活用された。
広域化させたモデルにおいても、東海スロースリップ現象を表現できたことは、このモデルの信頼性を向上するものとなっている。
地震予知連絡会（平成22年5月21日）および東海地震の予知手法等に関する勉強会（主催者：気象庁、平成22年7月12日）において、地震発生シミュレーションモデルによる長期的スロースリップイベント再現について報告した。

（４）総合評価

観測・解析手法は、これまでの研究において進展が図られているが、まだ、監視業務に用いるレベルに達していないものもある。それらの研究の進展を今後も図っていく必要がある。

地震発生シミュレーションについては、過去の多様な発生パターンなどの再現に取り組んでいく必要がある。