[S-TT36] 光ファイバーセンシング技術の地球科学への応用

[STT36-P02] 孔内光ファイバひずみ計で計測されるひずみと地動の関係

*辻 修平¹、荒木 英一郎¹、松本 浩幸¹、町田 祐弥¹、横引 貴史¹ (1.国立研究開発法人 海洋研究開発機構)

キーワード：光センシング、光ファイバひずみ計、孔内計測、歪計測

孔内光ファイバひずみ計で観測されたひずみ記録と地動の関係を、センサー形状に基づく理論計算や、地震計や直線型光ファイバひずみ計で実測した地震動との比較により推定した。
孔内光ファイバひずみ計は、南海トラフの海底掘削孔内で長期観測を行い、沈み込みに伴う地震学・測地学的な現象を検出するために開発された。ひずみ計は、耐圧筐体内に格納された約200mの基準ファイバと、円筒の側面にコイル状に巻かれた同じ長さのセンシングファイバから成り、この2本のファイバがマイケルソン干渉計を構成している。このセンシングファイバの形状により、掘削孔内の限られた空間内により長い基線長を配置し、さまざまな方向に感度を得ることができる。この孔内光ファイバひずみ計は、まず試験のために、2023年3月に岐阜県の神岡鉱山内のテストサイトで深さ20mの掘削孔に設置され(Machida et al., 2023, JpGU Meeting)、改良の後に南海トラフの深さ 500m の掘削孔に設置された(Machida et al., 2023, AGU Meeting)。
本研究では、センサーの幾何形状に基づく計算と実測データの比較から孔内光ファイバひずみ計の感度を推定した。まず、センシングファイバの幾何学的形状に基づいて、ひずみテンソルの各成分に対する感度を推定した。次に、孔内光ファイバひずみ計、広帯域地震計、直線型光ファイバひずみ計によって観測された遠地地震や近地微小地震の波形を比較した。なお、ひずみ波形と速度波形の比較では、平面波近似が成立すると仮定した。この仮定の下では、ひずみは位相速度の逆数(スローネス)と地動速度の積として表現できる。
結果として、水平面内の直ひずみと面ひずみが、孔内光ファイバひずみ計の計測する歪の感度がある要素であった。幾何形状に基づく計算により、水平面内の直ひずみと面ひずみは剪断ひずみに対して約10倍の感度を示すことがわかった。垂直成分の直ひずみには感度が無かった。この傾向を確認するために、ほぼ直線的な地動が得られる、遠地地震の直達S相の速度波形を低周波成分に注目してひずみ記録とフィッティングした。その結果、エネルギーで残差20%以内に収まる範囲で良くフィットできた。ただし、速度とひずみの間の係数の大きさは、平面波近似の仮定から予想される値ではなかった。
この振幅の不一致は、掘削孔に設置した影響を示唆している可能性がある。センサーと周囲の媒体間の弾性率の差は、感度を向上・低下させる可能性があるため、この効果を理論計算に含めるように改良を行っている。