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[SSS09-15] 長周期地震動の即時予測に向けた地震波干渉法によるグリーン関数の活用
キーワード：即時予測、地震波干渉法、長周期地震動
1. はじめに
震源域近傍の強震観測データを入力として、入力地点―予測地点間の伝達関数（グリーン関数）をコンボリューションして遠地の平野の長周期地震動（周期4-10秒）を予測するために、地震波干渉法によるグリーン関数の推定を試みた。これまでグリーン関数（伝達関数、応答関数）は、地震波形データ（Nagashima et al., 2008; 倉橋ほか、2014）あるいは地震波伝播シミュレーション（吉本・武村、2018）から求められてきた。地震波干渉法による導出は、近年Viens et al.（2017）やDenolle et al.（2018）らにより有効性が示されており、連続波形データの相互相関を数ヶ月以上にわたってスタックすることで、自然地震の利用よりも長周期側でのS/N比が向上することが期待される。さらに、定常的な地震活動が低く自然地震の観測データが少ない地域でもグリーン関数が得られることや、シミュレーションに用いる速度構造モデルの不確実性の影響を受けないこともメリットである。なお、地震波干渉法で求められるグリーン関数の振幅は、微動源の空間分布や相互相関の計算手法に依存して変動し、その絶対値は不定である。そこで、本研究ではViens and Denolle (2019) の手法に倣い、予測波形の振幅を観測波形の振幅と比較することで振幅を補正した。
2. データと手法
グリーン関数の導出と長周期地震動の予測実験には、防災科学技術研究所のHi-netおよびK-NET, KiK-netの波形データを用いた。日本海溝沿いで発生する大地震を想定し、震源域近傍の入力地点にはHi-net 北茨城2（KI2H）を、予測地点には関東平野と濃尾平野に位置するそれぞれ２つのHi-net観測点（市原：ICHH、富岡：YFTH、南知多：MCTH、四日市：YOKH）を選定した（Fig. 1）。地震波干渉法によるグリーン関数のシグナルは水平動よりも上下動成分が大きいため、本研究ではまず上下動成分のグリーン関数を推定した。Viens and Denolle (2019) の手順を参考とし、50%のオーバーラップの下で長さ30分に分割した連続波形データに対して、機器特性の除去、4 Hzへのダウンサンプリング、トレンド除去、コサインテーパー適用を行った上で、FFTを用いて各予測地点の波形記録から入力地点の波形記録をデコンボリューションした。これを2021年1月から12月まで1年分スタックして、入力地点―各予測地点間のグリーン関数を求めた。
次に、グリーン関数の振幅の絶対値を得るために、自然地震の観測記録を用いて振幅を補正した。入力地点に近い福島県浜通りを震源とする地震（2011年4月11日、M 7.0、深さ6 km）における、K-NET IBR019観測点（Hi-net KI2H観測点に隣接）の波形データを入力として、これに地震波干渉法から求めたグリーン関数をコンボリューションして4予測地点の予測波形を得た。続いて、Viens et al. (2014) に倣い、周期4-10秒のフーリエ振幅の和を予測波形と観測波形で比較し、地震波干渉法によるグリーン関数の振幅補正係数を得た。微動源の偏りによるグリーン関数の振幅への影響を考慮し、振幅補正係数は関東平野の２観測点（ICHH、YFTH）と濃尾平野の２観測点（MCTH、YOKH）でそれぞれ異なる値（10.1、4.73）を使用した。
3. 結果と課題
地震波干渉法により得られたグリーン関数において、伝播速度が6 km/sよりも速い部分はノイズと考え、0で置き換えた。各観測点のグリーン関数に周期4-10秒のバンドパスフィルタを適用したものをFig. 2に示す。
このグリーン関数を、入力地点（KiK-net IBRH06観測点；Hi-net KI2H観測点に隣接）における、2016年11月22日の福島県沖での地震（M 7.4、深さ25 km）の波形にコンボリューションし、各予測地点における地震波形を予測した。Fig. 3とFig. 4に、各予測地点における予測波形とその速度応答スペクトル（減衰定数5%）をそれぞれ示す。比較のため、実際の観測波形と速度応答スペクトルを赤線で重ねて示す。
予測波形と観測波形のエンベロープの相関係数はICHH、YFTH、MCTH、YOKHでそれぞれ0.49、0.63、0.65、0.64となり、特にICHHにおいては一致度が低く、大振幅の到達時刻に1分程度の遅れが生じる結果となった。ここで予測に用いたグリーン関数を見ると、濃尾平野の2観測点においては最大振幅が2.6 km/s 前後に相当する時刻に現れている一方、関東平野の2観測点においてはこれが1.3 km/s 前後に相当する時刻に現れており、地震波干渉法から得られたグリーン関数の再吟味が必要である。また応答スペクトルについては、周期4-10秒における予測／観測比がICHH、YFTH、MCTH、YOKHでそれぞれ0.40、0.40、0.47、0.64となった。予測は観測の半分程度の過小評価となり、さらに検討が必要である。
今後、長周期地震動の振幅がより大きく現れる水平成分のグリーン関数の評価と利用、および複数の観測点を入力地点とする予測を進める予定である。
震源域近傍の強震観測データを入力として、入力地点―予測地点間の伝達関数（グリーン関数）をコンボリューションして遠地の平野の長周期地震動（周期4-10秒）を予測するために、地震波干渉法によるグリーン関数の推定を試みた。これまでグリーン関数（伝達関数、応答関数）は、地震波形データ（Nagashima et al., 2008; 倉橋ほか、2014）あるいは地震波伝播シミュレーション（吉本・武村、2018）から求められてきた。地震波干渉法による導出は、近年Viens et al.（2017）やDenolle et al.（2018）らにより有効性が示されており、連続波形データの相互相関を数ヶ月以上にわたってスタックすることで、自然地震の利用よりも長周期側でのS/N比が向上することが期待される。さらに、定常的な地震活動が低く自然地震の観測データが少ない地域でもグリーン関数が得られることや、シミュレーションに用いる速度構造モデルの不確実性の影響を受けないこともメリットである。なお、地震波干渉法で求められるグリーン関数の振幅は、微動源の空間分布や相互相関の計算手法に依存して変動し、その絶対値は不定である。そこで、本研究ではViens and Denolle (2019) の手法に倣い、予測波形の振幅を観測波形の振幅と比較することで振幅を補正した。
2. データと手法
グリーン関数の導出と長周期地震動の予測実験には、防災科学技術研究所のHi-netおよびK-NET, KiK-netの波形データを用いた。日本海溝沿いで発生する大地震を想定し、震源域近傍の入力地点にはHi-net 北茨城2（KI2H）を、予測地点には関東平野と濃尾平野に位置するそれぞれ２つのHi-net観測点（市原：ICHH、富岡：YFTH、南知多：MCTH、四日市：YOKH）を選定した（Fig. 1）。地震波干渉法によるグリーン関数のシグナルは水平動よりも上下動成分が大きいため、本研究ではまず上下動成分のグリーン関数を推定した。Viens and Denolle (2019) の手順を参考とし、50%のオーバーラップの下で長さ30分に分割した連続波形データに対して、機器特性の除去、4 Hzへのダウンサンプリング、トレンド除去、コサインテーパー適用を行った上で、FFTを用いて各予測地点の波形記録から入力地点の波形記録をデコンボリューションした。これを2021年1月から12月まで1年分スタックして、入力地点―各予測地点間のグリーン関数を求めた。
次に、グリーン関数の振幅の絶対値を得るために、自然地震の観測記録を用いて振幅を補正した。入力地点に近い福島県浜通りを震源とする地震（2011年4月11日、M 7.0、深さ6 km）における、K-NET IBR019観測点（Hi-net KI2H観測点に隣接）の波形データを入力として、これに地震波干渉法から求めたグリーン関数をコンボリューションして4予測地点の予測波形を得た。続いて、Viens et al. (2014) に倣い、周期4-10秒のフーリエ振幅の和を予測波形と観測波形で比較し、地震波干渉法によるグリーン関数の振幅補正係数を得た。微動源の偏りによるグリーン関数の振幅への影響を考慮し、振幅補正係数は関東平野の２観測点（ICHH、YFTH）と濃尾平野の２観測点（MCTH、YOKH）でそれぞれ異なる値（10.1、4.73）を使用した。
3. 結果と課題
地震波干渉法により得られたグリーン関数において、伝播速度が6 km/sよりも速い部分はノイズと考え、0で置き換えた。各観測点のグリーン関数に周期4-10秒のバンドパスフィルタを適用したものをFig. 2に示す。
このグリーン関数を、入力地点（KiK-net IBRH06観測点；Hi-net KI2H観測点に隣接）における、2016年11月22日の福島県沖での地震（M 7.4、深さ25 km）の波形にコンボリューションし、各予測地点における地震波形を予測した。Fig. 3とFig. 4に、各予測地点における予測波形とその速度応答スペクトル（減衰定数5%）をそれぞれ示す。比較のため、実際の観測波形と速度応答スペクトルを赤線で重ねて示す。
予測波形と観測波形のエンベロープの相関係数はICHH、YFTH、MCTH、YOKHでそれぞれ0.49、0.63、0.65、0.64となり、特にICHHにおいては一致度が低く、大振幅の到達時刻に1分程度の遅れが生じる結果となった。ここで予測に用いたグリーン関数を見ると、濃尾平野の2観測点においては最大振幅が2.6 km/s 前後に相当する時刻に現れている一方、関東平野の2観測点においてはこれが1.3 km/s 前後に相当する時刻に現れており、地震波干渉法から得られたグリーン関数の再吟味が必要である。また応答スペクトルについては、周期4-10秒における予測／観測比がICHH、YFTH、MCTH、YOKHでそれぞれ0.40、0.40、0.47、0.64となった。予測は観測の半分程度の過小評価となり、さらに検討が必要である。
今後、長周期地震動の振幅がより大きく現れる水平成分のグリーン関数の評価と利用、および複数の観測点を入力地点とする予測を進める予定である。