[SSS12-P04] 人工震源装置を用いて減衰の時間変化を推定する手法の性能評価
キーワード：人工震源装置、減衰、アクロス、時間変化
人工地震源ACROSSによって生成された信号を用いて振幅の時間変化を検出する2手法の検出能力を比較した。
走時の時間変化は世界各地で多くの研究例により報告されているが、減衰の時間変化はいまだ十分に研究されていない。この原因の一つには、変化を検出するための有用な方法がないことが挙げられる。走時変化に注目して行われた研究で提案された走時変化のメカニズムのいくつかは減衰の変化を伴うことを示唆している。そのため、適切な減衰の時間変化の検出手法の開発は、このような現象を取り扱う関連分野の研究の発展に貢献することが期待される。
我々は、人工地震源ACROSSを用い、減衰の時間変化の検出を試みた。媒質の減衰の時間的変化を議論するには、震源の不安定性に起因した偽の変化を避けるために安定した震源を用いる必要がある。これに関しては、ACROSSは、位相を正確に制御しながら偏心質量を回転させることで地震波を生成するため、まったく同じ信号を連続的に励起できる。また、ノイズレベルの一時的な変化も考慮する必要がある。これは、振幅の偽の変化を引き起こすためである。ACROSSによって生成された信号は送信周波数がわかっているため、使用していない周波数を用いてノイズレベルを求め、減衰変化の推定の際に利用することができる。
我々はACROSSを使用して、減衰の時間変化を推定する手法を2つ開発した。「同時推定法」（Tsuji et al、2019、JpGU）と、信号のエネルギーに基づく方法(エネルギー比較法)である。同時推定法は、伝達関数を複素平面上でモデルフィッティングすることにより、走時と振幅の変化を同時に推定する手法である。基準とする伝達関数からの振幅と走時の変化をパラメーターとしてモデルを作成し、最尤法を用いて複素平面上の距離の二乗が最小になるよう解いた。エネルギー比較法は、各伝達関数のエネルギーからACROSSの信号特性から割り出されたノイズのエネルギーを引き、それを基準とする伝達関数のエネルギーと比較することで振幅変化を求める。
これらの2手法をまず、さまざまな振幅のガウスノイズをある信号に追加し作成したテスト用データへ適用し性能評価を行った。性能はテスト用に生成したデータの振幅と、2手法で推定した振幅を比較することで評価した。結果として、同時推定法は、ノイズレベルが一定であれば、エネルギー比較法よりも振幅の小さな変動を推定することができた。ただし、同時推定法ではノイズに起因するバイアスが見られた。ここから、同時推定法の結果には、ノイズレベルの変化による偽の変化が含まれている可能性があることが分かった。
次に実地データに2手法を適用し、推定結果を比較した。このテストには淡路島で、2000年1月から2001年4月にかけて行われた実験（Ikuta et al., 2002 ; Ikuta and Yamaoka, 2004)のデータを用いた。先行研究では直達のPおよびS波について地震に伴う走時の急激な遅れが報告されている。結果として、両手法で地震時に振幅の低下がみられたが、その様子はわずかに異なっていた。1700mセンサー(図中の青点)に注目すると、同時推定法で求められた変化の分散は、エネルギー比較法による変化の分散よりも小さかった(図も参照のこと)。この原因としては800mセンサーと1700mセンサーのノイズレベルの違いが考えられる。テストデータの結果に基づくと、バイアスは現れるものの、同時推定はノイズの多い条件で安定して機能したからである。
これらの結果から、ノイズによるバイアスが推定できれば、同時推定法の方がより良い推定手法であると考えられる。現在、バイアスを推定する方法を開発し、同時推定法を改良している。当日はその結果も加えてこれらの結果をポスターで発表する。
図の説明：
本研究で比較した同時推定法(左列)とエネルギー比較法(右列)により求められた振幅変化。 2000年鳥取県西部地震の発生日(赤縦線)の前後7日間を示した。 左右図の各行は、地震計のUD（上）、NS（中央）、およびEW（下）成分を示す。
走時の時間変化は世界各地で多くの研究例により報告されているが、減衰の時間変化はいまだ十分に研究されていない。この原因の一つには、変化を検出するための有用な方法がないことが挙げられる。走時変化に注目して行われた研究で提案された走時変化のメカニズムのいくつかは減衰の変化を伴うことを示唆している。そのため、適切な減衰の時間変化の検出手法の開発は、このような現象を取り扱う関連分野の研究の発展に貢献することが期待される。
我々は、人工地震源ACROSSを用い、減衰の時間変化の検出を試みた。媒質の減衰の時間的変化を議論するには、震源の不安定性に起因した偽の変化を避けるために安定した震源を用いる必要がある。これに関しては、ACROSSは、位相を正確に制御しながら偏心質量を回転させることで地震波を生成するため、まったく同じ信号を連続的に励起できる。また、ノイズレベルの一時的な変化も考慮する必要がある。これは、振幅の偽の変化を引き起こすためである。ACROSSによって生成された信号は送信周波数がわかっているため、使用していない周波数を用いてノイズレベルを求め、減衰変化の推定の際に利用することができる。
我々はACROSSを使用して、減衰の時間変化を推定する手法を2つ開発した。「同時推定法」（Tsuji et al、2019、JpGU）と、信号のエネルギーに基づく方法(エネルギー比較法)である。同時推定法は、伝達関数を複素平面上でモデルフィッティングすることにより、走時と振幅の変化を同時に推定する手法である。基準とする伝達関数からの振幅と走時の変化をパラメーターとしてモデルを作成し、最尤法を用いて複素平面上の距離の二乗が最小になるよう解いた。エネルギー比較法は、各伝達関数のエネルギーからACROSSの信号特性から割り出されたノイズのエネルギーを引き、それを基準とする伝達関数のエネルギーと比較することで振幅変化を求める。
これらの2手法をまず、さまざまな振幅のガウスノイズをある信号に追加し作成したテスト用データへ適用し性能評価を行った。性能はテスト用に生成したデータの振幅と、2手法で推定した振幅を比較することで評価した。結果として、同時推定法は、ノイズレベルが一定であれば、エネルギー比較法よりも振幅の小さな変動を推定することができた。ただし、同時推定法ではノイズに起因するバイアスが見られた。ここから、同時推定法の結果には、ノイズレベルの変化による偽の変化が含まれている可能性があることが分かった。
次に実地データに2手法を適用し、推定結果を比較した。このテストには淡路島で、2000年1月から2001年4月にかけて行われた実験（Ikuta et al., 2002 ; Ikuta and Yamaoka, 2004)のデータを用いた。先行研究では直達のPおよびS波について地震に伴う走時の急激な遅れが報告されている。結果として、両手法で地震時に振幅の低下がみられたが、その様子はわずかに異なっていた。1700mセンサー(図中の青点)に注目すると、同時推定法で求められた変化の分散は、エネルギー比較法による変化の分散よりも小さかった(図も参照のこと)。この原因としては800mセンサーと1700mセンサーのノイズレベルの違いが考えられる。テストデータの結果に基づくと、バイアスは現れるものの、同時推定はノイズの多い条件で安定して機能したからである。
これらの結果から、ノイズによるバイアスが推定できれば、同時推定法の方がより良い推定手法であると考えられる。現在、バイアスを推定する方法を開発し、同時推定法を改良している。当日はその結果も加えてこれらの結果をポスターで発表する。
図の説明：
本研究で比較した同時推定法(左列)とエネルギー比較法(右列)により求められた振幅変化。 2000年鳥取県西部地震の発生日(赤縦線)の前後7日間を示した。 左右図の各行は、地震計のUD（上）、NS（中央）、およびEW（下）成分を示す。