[S-SS07] 地震波伝播:理論と応用

[SSS07-13] DASと地震計上下動記録によるSPAC法: DAS記録のみを用いたSPAC法における，Love波のRayleigh波位相速度推定へ与える影響

*福島 駿^1,2、篠原 雅尚²、西田 究²、竹尾 明子²、山田 知朗²、蓬田 清³ (1.東京大学大学院理学系研究科地球惑星専攻、2.東京大学地震研究所、3.北海道大学 理学院 自然史科学専攻 地球惑星ダイナミクス分野)

キーワード：Distributed acoustic sensing（DAS）、地震波干渉法、海底ケーブル、DASと地震計

近年，光ファイバをセンサとして，歪みを数m間隔で数十kmの長距離観測が行えるDistributed Acoustic Sensing(以下 DAS)が地球科学分野に応用されつつある(e.g., Zhan 2019)．DASデータに対してspatial autocorrelation (以下SPAC) 法を適用し，表面波の位相速度分散曲線から堆積層・最上部地殻のS波速度構造を高分解能に推定できる(e.g., Fukushima et al. 2022)．先行研究では，Rayleigh波のみが，DAS記録間のcross-spectrumに寄与する，という条件で，Rayleigh波の位相速度を推定している．しかし，Nakahara et al. (2021)により定式化されたDAS記録のcross-spectrumの解析解（以下，SPAC表現）によると，Rayleigh波に加えてLove波もcross-spectrumに寄与することが知られている．従って，Love波を考慮しない影響により，DASデータを用いたSPAC法のRayleigh波位相速度推定の精度が低下している可能性がある(添付図A, 式A-2)．
　本研究では，DAS記録にSPAC法を適用する従来の解析法について，Love波とRayleigh波が混在する効果を検討した．まず，DASと地震計上下動記録を組み合わせたSPAC(以下，DAS-vertical)表現の定式化を行うことにより，DAS-verticalからはRayleigh波だけを取り出せることを示し(添付図A, 式A-1)，Rayleigh波位相速度の高精度推定法を確立した．次に，三陸沖におけるDAS観測記録と同ケーブルシステム上の海底地震計(SOB3)の上下動記録によるDAS-Verticalと，DAS観測記録同士によるSPAC法(以下，DAS-DAS)について比較を行った．その結果，周波数 0.14-0.20Hz間では，DAS-DASとDAS-Verticalの位相速度は誤差の範囲内で一致した. その一方で，0.10-0.14 Hz間ではDAS-DASから推定した位相速度はDAS-Verticalから推定される位相速度よりも速く見積もられた.
　DAS-DAS解析におけるLove波のRayleigh波・位相速度推定への影響を調べるために，Synesthetic testを行った．Synthetic testでは，まず，Nakahara et al. (2021)により得られたSPAC表現を用いて，Rayleigh波とLove波の両方の寄与を考慮したcross-spectrum (添付図B-2, 緑線)を計算した．その次に，計算したcross-spectrumに対して，Rayleigh波だけを考慮したcross-spectrum(図B-2, 黒線)をフィッティングすることで，DAS-DAS解析におけるRayleigh波の位相速度を推定した．その結果，Synthetic testは観測結果をよく再現できた(添付図B-1)．DAS-DAS解析におけるLove波の影響は，Rayleigh波とLove波の振幅比・位相速度比，そしてアレイサイズに依存することが，Synthetic testにより明らかになった. とりわけ興味深いのは，Love波の位相速度がRayleigh波の位相速度よりも遅いにもかかわらず，DAS-DAS解析により推定される位相速度は，Rayleigh波の位相速度よりも早く見積もられることである．これは，Rayleigh波とLove波のSPAC表現が異なるベッセル関数から構成されており，今回の場合では，Love波の位相速度はRayleigh波の位相速度よりも遅いが，cross-spectrumにおける見かけの波長がLove波の方がRayleigh波よりも長いためである(添付図B-2)．
　以上の結果より，DAS-Verticalでは，ラブ波の影響を受けることなくレイリー波の位相速度が計測可能であるため，より精度の高いS波速度構造を推定可能であると考えられる．