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[SSS09-20] 熊本県地域の強震記録のS波自己相関関数を用いた堆積層－基盤岩速度境界面の検出
キーワード：自己相関関数、強震記録、S波速度構造モデル、熊本県
平成28年熊本地震では布田川断層帯と日奈久断層帯の一部が活動した．一方，布田川断層帯の宇土区間と宇土半島北岸区間，また日奈久断層帯の高野―白旗区間の一部や日奈久区間，八代海区間は活動していない．また，熊本県内及び周辺には他にも活断層が存在するため，熊本県地域の強震動予測の高度化を図ることは重要である．強震動予測には，適切な震源モデルに加え，対象地域の速度構造モデルが必要である．「平成28年熊本地震を踏まえた総合的な活断層調査」では熊本県地域の三次元速度構造モデルが作成された (浅野・他, 2019)．このモデルは反射法地震探査や微動アレイ探査等のデータを基にしているが，モデル化に利用可能な情報の多寡によりモデルの精度は空間的に異なっている．より精度の高いモデルを得るためには，地震観測記録に基づいて速度構造モデルを検証していくことが必要である．
地下構造境界での反射波を抽出する方法の一つとして地震観測記録から計算した自己相関関数が使われている (例えばPham and Tkalcic, 2017)．Chimoto and Yamanaka (2019, 2020) では強震記録のトランスバース成分の自己相関関数から関東平野の堆積層の基盤と地表間の反射波を抽出し，それを基に堆積層のS波速度構造モデルの修正を試みた．また，Fukutome et al. (2021) は，大阪平野内の強震・震度観測点で得られた強震記録に対して，トランスバース成分のS波自己相関関数を求め，入射角に基づくデータ選択条件を検討した上で堆積層―基盤岩境界での反射相の同定と既存の速度構造モデルの検証を行った．本研究では，これらの先行研究を踏まえ，熊本県地域の強震記録のS波自己相関関数を計算し，堆積層－基盤岩速度境界面 (以下では単に境界面と書く) からの反射波の検出を行った．
初めに，テストケースとしてK-NETのKMM016 (人吉) での観測点が移設された2005/3/22から2017/12/31のイベント記録を対象とした．KMM016は人吉盆地の西南部に位置する強震観測点である．まず，S波の到達時刻を目視で読み取り，S波の到達が明瞭でない記録は使用しなかった．最終的に使用した記録は114個であり，対応する地震の気象庁マグニチュードは2.8–6.4，震源の深さは2.2–89.1 km，震央距離は11.3–136.2 kmであった．S波到達時刻の1秒前から11秒間のタイムウィンドウを取り，バンドパスフィルターをかけ，トランスバース成分に回転し，スペクトルホワイトニングを適用した後，自己相関関数を計算した．全イベント記録の自己相関関数をPhase Weighted Stack (Schimmel and Paulssen, 1997) を用いてスタックを行った．バンドパスフィルターの周波数範囲は複数設定し，その中から境界面からの反射波に対応すると考えられる位相ピークが明瞭となるものを選んだ．ここでの最適なフィルターの周波数範囲は0.3–5 Hzで，境界面でのS波の1回反射波と推定される位相ピークはラグタイム1.18秒で検出された．また，浅野・他 (2019) の速度構造モデルから鉛直伝播を仮定して境界面と地表間のS波の2-way timeを計算すると1.05秒であった．基盤から堆積層に入射した角度が大きくとも境界面でのインピーダンスのコントラストが大きいことから堆積層内ではほぼ鉛直伝播と見なせると考えた．
対象とする観測点を熊本県全域の強震・震度観測点に拡げるにあたり課題となるのは，S波の到達時刻を目視で読み取る際の作業負荷が大きいことである．そこで，JMA2001速度構造モデル (上野・他，2002) を用いて計算したS波の理論到達時刻を手動で読み取った値と置き換えて，同じ手順で自己相関関数を計算し，スタックした．境界面でのS波1回反射応答を示す位相ピークはラグタイム1.20秒で検出された．
KMM016での観測記録のS波部分の自己相関関数解析から得られた境界面でのS波の1回反射波の応答は，浅野・他 (2019) の速度構造モデルから計算した境界面と地表の間のS波の2-way timeよりも遅かった．KMM016付近ではモデルよりも境界面が深いか，S波速度が遅いか，もしくはその両方の可能性が考えられる．また，JMA2001から計算したS波理論到達時刻は手動の読み取り時刻と比べるとほとんどのイベントで1–2秒早かった．解析に使用したタイムウィンドウは，S波到達時刻より1秒前から11秒間を設定していて，境界面でのS波の1回反射波を含むのに十分に大きいため，境界面でのS波の1回反射波の応答はほとんど同じラグタイムに得られたと考えられる．この結果からS波到達時刻としてJMA2001から計算した理論到達時刻を用いても十分であることを確認した．今後，熊本県内の他の強震観測点でも同様にS波の反射応答を検出し，既存の速度構造モデルと比較しモデルの妥当性を検証していく．
謝辞：気象庁一元化震源カタログ及び防災科学技術研究所K-NETの強震記録を使用しました．記して感謝いたします．
地下構造境界での反射波を抽出する方法の一つとして地震観測記録から計算した自己相関関数が使われている (例えばPham and Tkalcic, 2017)．Chimoto and Yamanaka (2019, 2020) では強震記録のトランスバース成分の自己相関関数から関東平野の堆積層の基盤と地表間の反射波を抽出し，それを基に堆積層のS波速度構造モデルの修正を試みた．また，Fukutome et al. (2021) は，大阪平野内の強震・震度観測点で得られた強震記録に対して，トランスバース成分のS波自己相関関数を求め，入射角に基づくデータ選択条件を検討した上で堆積層―基盤岩境界での反射相の同定と既存の速度構造モデルの検証を行った．本研究では，これらの先行研究を踏まえ，熊本県地域の強震記録のS波自己相関関数を計算し，堆積層－基盤岩速度境界面 (以下では単に境界面と書く) からの反射波の検出を行った．
初めに，テストケースとしてK-NETのKMM016 (人吉) での観測点が移設された2005/3/22から2017/12/31のイベント記録を対象とした．KMM016は人吉盆地の西南部に位置する強震観測点である．まず，S波の到達時刻を目視で読み取り，S波の到達が明瞭でない記録は使用しなかった．最終的に使用した記録は114個であり，対応する地震の気象庁マグニチュードは2.8–6.4，震源の深さは2.2–89.1 km，震央距離は11.3–136.2 kmであった．S波到達時刻の1秒前から11秒間のタイムウィンドウを取り，バンドパスフィルターをかけ，トランスバース成分に回転し，スペクトルホワイトニングを適用した後，自己相関関数を計算した．全イベント記録の自己相関関数をPhase Weighted Stack (Schimmel and Paulssen, 1997) を用いてスタックを行った．バンドパスフィルターの周波数範囲は複数設定し，その中から境界面からの反射波に対応すると考えられる位相ピークが明瞭となるものを選んだ．ここでの最適なフィルターの周波数範囲は0.3–5 Hzで，境界面でのS波の1回反射波と推定される位相ピークはラグタイム1.18秒で検出された．また，浅野・他 (2019) の速度構造モデルから鉛直伝播を仮定して境界面と地表間のS波の2-way timeを計算すると1.05秒であった．基盤から堆積層に入射した角度が大きくとも境界面でのインピーダンスのコントラストが大きいことから堆積層内ではほぼ鉛直伝播と見なせると考えた．
対象とする観測点を熊本県全域の強震・震度観測点に拡げるにあたり課題となるのは，S波の到達時刻を目視で読み取る際の作業負荷が大きいことである．そこで，JMA2001速度構造モデル (上野・他，2002) を用いて計算したS波の理論到達時刻を手動で読み取った値と置き換えて，同じ手順で自己相関関数を計算し，スタックした．境界面でのS波1回反射応答を示す位相ピークはラグタイム1.20秒で検出された．
KMM016での観測記録のS波部分の自己相関関数解析から得られた境界面でのS波の1回反射波の応答は，浅野・他 (2019) の速度構造モデルから計算した境界面と地表の間のS波の2-way timeよりも遅かった．KMM016付近ではモデルよりも境界面が深いか，S波速度が遅いか，もしくはその両方の可能性が考えられる．また，JMA2001から計算したS波理論到達時刻は手動の読み取り時刻と比べるとほとんどのイベントで1–2秒早かった．解析に使用したタイムウィンドウは，S波到達時刻より1秒前から11秒間を設定していて，境界面でのS波の1回反射波を含むのに十分に大きいため，境界面でのS波の1回反射波の応答はほとんど同じラグタイムに得られたと考えられる．この結果からS波到達時刻としてJMA2001から計算した理論到達時刻を用いても十分であることを確認した．今後，熊本県内の他の強震観測点でも同様にS波の反射応答を検出し，既存の速度構造モデルと比較しモデルの妥当性を検証していく．
謝辞：気象庁一元化震源カタログ及び防災科学技術研究所K-NETの強震記録を使用しました．記して感謝いたします．