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[SVC35-P06] 位相シフト光干渉法を用いた火山環境に適した地震観測システムと実例
キーワード：地震観測、光干渉法、火山観測、噴火、雷
火山における地震観測は火口近傍の地表や山麓のボアホールにセンサを設置して行われる．火山活動を把握するためには長期間において安定して観測装置が稼働すること求められる．火山においては落雷や高温環境により装置が故障することがある．また，センサから電線を地面に這わせて延長して収録装置に接続した場合には，地震記録に雷サージの影響が顕著に表れる．電線を使う限りは避けて通ることが出来ない影響であるが，電線を地面に這わす必要のない観測装置を使って地震観測をすれば，落雷故障や雷サージノイズの混入などはないはずである．電線を使わない地震観測手段として光ファイバーの活用が最近行われている．その一つとして，光ファイバー自身で地震動を観測するDistributed Acoustic Sensing (DAS)と呼ばれる方法がある．一方，光ファイバーを信号通信路として使い，ファイバーファイバーに接続されたセンサで振動を観測する方法として，位相シフト光干渉法によるセンサを用いた振動観測システム（光センサシステム）が開発された（Yoshida et al., 2016; 大江・他，2018）．DASが光ケーブル方向の伸縮振動を計測する一方，光センサシステムでは並進加速度の３成分振動を計測する．光センサシステムでは地震波による地面の動きをとらえた振り子の振幅の変化をレーザー光の位相差としてセンサで検出し，位相差を光信号として光ファイバーを通じて伝達して信号処理装置にて加速度に変換する．
2016年度から始まった次世代火山研究・人材育成総合プロジェクトの次世代火山研究推進事業において火山観測に必要な新たな観測技術の開発として課題B2-2「位相シフト光干渉法による多チャンネル火山観測方式の検討と開発」が設定され，我々は火山環境に適した地震観測システムとして光センサシステム開発をしてきた．初期の光センサシステムにおいて地表設置型３成分センサを用いて2016年に桜島にて，2017年に浅間山にて地震観測を行い火山性地震および人工地震の観測性能の評価と波形解析を行った（Tsutsui et al., 2019）．次に，より小型軽量化され固有周波数を低周波化された３成分センサを開発して，2019年6月から桜島にて半年間の地震観測を行った（Nakamichi et al., 2022）．センサを３箇所に三角形状に設置してアレイ観測として行った．観測期間中に267の噴火に伴う地震を観測し，アレイ解析から得られたスローネスから地震波は南岳火口の直下海抜下1.6 km付近から到来していることが明らかになった（Nakamichi et al., 2022）．また，微動計（白山工業JU210）を併設して比較観測を行ったところ，雷が発生していた時間では微動計記録には雷サージによるノイズが混入しているが，光センサシステムではノイズがないことが確認できた（Nakamichi et al., 2022）．このようにして，光センサシステムは火山環境における地震観測に適した性能を有することが示された．
また，我々はボアホール筐体収納型の３成分センサの開発を進めてきた．そして，火山環境として想定される高温環境下での光センサシステムの観測性能評価を行うために，新潟工科大学の敷地内にある原子力安全基盤機構（当時）が2012年に設置した深部地震動観測井（3000 m深）に2022年2月にボアホールタイプセンサを1980m深に設置して現在も観測を継続している．なお，2022年8月9日から8月24日は観測を一時停止したが，この期間以外は連続運用してきた．観測の詳細については平山・他（今大会セッションS-TT41）を参照されたい．2022年2月21日から同年9月29日までの期間について，連続波形から地震自動検出を行い，3成分波形の振動軌跡を用いて観測点１点による震源決定を行ったところ．観測点を中心に30 km×30 km×30 kmの領域において47個の地震決定された．同期間の同領域における気象庁一元化震源は14個であるため，ボアホール１箇所の観測であるが一元化よりも多数の地震が検知されたことが分かった．このことは，安定した観測をしていることを示している．
新潟工科大学には，観測井および観測小屋を使用させていただくなど，多大な協力をいただきました．本研究は文部科学省「次世代火山研究・人材総合プロジェクト」の資金等の提供を受けたものです．ここに記して感謝いたします．
引用文献：
Yoshida et al., “Real-time displacement measurement system using phase-shifted optical pulse interferometry: Application to a seismic observation system,” Jpn. J. Appl. Phys., Vol.55, No.2, Article No.022701, 2016
大江・他, "光干渉法を利用した振動センサの原理検証と応用可能性", 計測自動制御学会論文集, Vol.54, No.1, pp. 111-117, 2018.
Tsutsui et al., “Feasibility study ona multi-channeled seismometer system with phase-shifted optical interferometry for volcanological observations,” J. Disaster Res., Vol.14, No.4, pp. 592-603, 2019.
Nakamichi et al., "A half-year long observation at Sakurajima volcano, Japan using a Multi-Channeled Seismometer System with Phase-Shifted Optical Interferometry" J. Disaster Res., Vol.17, No.5, pp. 670-682, 2022.
2016年度から始まった次世代火山研究・人材育成総合プロジェクトの次世代火山研究推進事業において火山観測に必要な新たな観測技術の開発として課題B2-2「位相シフト光干渉法による多チャンネル火山観測方式の検討と開発」が設定され，我々は火山環境に適した地震観測システムとして光センサシステム開発をしてきた．初期の光センサシステムにおいて地表設置型３成分センサを用いて2016年に桜島にて，2017年に浅間山にて地震観測を行い火山性地震および人工地震の観測性能の評価と波形解析を行った（Tsutsui et al., 2019）．次に，より小型軽量化され固有周波数を低周波化された３成分センサを開発して，2019年6月から桜島にて半年間の地震観測を行った（Nakamichi et al., 2022）．センサを３箇所に三角形状に設置してアレイ観測として行った．観測期間中に267の噴火に伴う地震を観測し，アレイ解析から得られたスローネスから地震波は南岳火口の直下海抜下1.6 km付近から到来していることが明らかになった（Nakamichi et al., 2022）．また，微動計（白山工業JU210）を併設して比較観測を行ったところ，雷が発生していた時間では微動計記録には雷サージによるノイズが混入しているが，光センサシステムではノイズがないことが確認できた（Nakamichi et al., 2022）．このようにして，光センサシステムは火山環境における地震観測に適した性能を有することが示された．
また，我々はボアホール筐体収納型の３成分センサの開発を進めてきた．そして，火山環境として想定される高温環境下での光センサシステムの観測性能評価を行うために，新潟工科大学の敷地内にある原子力安全基盤機構（当時）が2012年に設置した深部地震動観測井（3000 m深）に2022年2月にボアホールタイプセンサを1980m深に設置して現在も観測を継続している．なお，2022年8月9日から8月24日は観測を一時停止したが，この期間以外は連続運用してきた．観測の詳細については平山・他（今大会セッションS-TT41）を参照されたい．2022年2月21日から同年9月29日までの期間について，連続波形から地震自動検出を行い，3成分波形の振動軌跡を用いて観測点１点による震源決定を行ったところ．観測点を中心に30 km×30 km×30 kmの領域において47個の地震決定された．同期間の同領域における気象庁一元化震源は14個であるため，ボアホール１箇所の観測であるが一元化よりも多数の地震が検知されたことが分かった．このことは，安定した観測をしていることを示している．
新潟工科大学には，観測井および観測小屋を使用させていただくなど，多大な協力をいただきました．本研究は文部科学省「次世代火山研究・人材総合プロジェクト」の資金等の提供を受けたものです．ここに記して感謝いたします．
引用文献：
Yoshida et al., “Real-time displacement measurement system using phase-shifted optical pulse interferometry: Application to a seismic observation system,” Jpn. J. Appl. Phys., Vol.55, No.2, Article No.022701, 2016
大江・他, "光干渉法を利用した振動センサの原理検証と応用可能性", 計測自動制御学会論文集, Vol.54, No.1, pp. 111-117, 2018.
Tsutsui et al., “Feasibility study ona multi-channeled seismometer system with phase-shifted optical interferometry for volcanological observations,” J. Disaster Res., Vol.14, No.4, pp. 592-603, 2019.
Nakamichi et al., "A half-year long observation at Sakurajima volcano, Japan using a Multi-Channeled Seismometer System with Phase-Shifted Optical Interferometry" J. Disaster Res., Vol.17, No.5, pp. 670-682, 2022.