[S-TT42] 光ファイバーセンシング技術と分析による地球科学の発展

[STT42-03] 地震計のアレイ解析と海底および深部掘削孔内の歪計で観測された歪地震動の比較

*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：光ファイバ歪計、DONET、歪地震動、歪テンソル

近年、DASをはじめとした光ファイバセンシング技術の進歩により、歪の観測が広く行われるようになってきた。すでに多くの研究でDAS記録が稠密アレイによって記録された地動記録として利用されている。これらの歪記録を十分に活用するためには、近傍の既存観測点との比較を行うことが望ましい。しかし、そのためには地震計が観測する加速度や速度と光センシングで観測される歪の比較を行う必要がある。
比較のための方法の一つに、歪テンソルを3台以上の3成分地震計のアレイ解析から求める手法(Spudich et al. 1995)がある。この手法では速度波形を積分して得た各観測点の変位から歪テンソルを求める。そのため、歪計がアレイ内や近傍に設置されていれば、歪計で観測した歪記録と地震計記録から推定される歪場とを比較することができる。
この手法を用いた比較を、海底に設置されている3基の直線型光ファイバ歪計と海底下450mに設置されている孔内光ファイバ歪計に対して行った。これらの歪計はDONET2のNode-2F周辺に設置されている。海底設置の歪計は、200mの直線状に展張された光ファイバを歪センサとして用いている。そのため、地震計から推定した歪場との比較では、展張方向の直歪を歪テンソルから計算して観測値と比較した。展張方向は、3基中2基が同方向で、残りの一基はその方向から60度の方向である。孔内光ファイバ歪計はステンレス製マンドレルにコイル状に巻きつけられた光ファイバをセンサとして用いている。これは、掘削孔内の限られた空間に長基線の歪計を設置するための工夫である。推定された歪場との比較には、センサの歪を、辻・他 (2024,JpGU)の方法で歪場とファイバの形状から計算して用いた。ただし、センサ周辺に存在する構造部材が変形を阻害してしまうため、計測値は媒質中の0.58倍になることが報告されている(辻・他 2024 地震学会)。そのためこの影響も補正した後に比較を行った。
比較には遠地地震の地震動を利用した。歪計周辺の歪場はDONET2のNode-2Fの広帯域地震計4基を用いて推定した。信号雑音比から、2つの地震を選択した。一つは2024年4月3日に台湾で発生したM7.4の地震で、もう一つは2024年12月17日にバヌアツで発生したM7.3 の地震である。アレイとして利用する観測点間の最大距離が約20kmなので、20秒から50秒のバンドパスフィルタを適用した。
地震計から推定した歪場により、歪計で観測されるほぼすべての波群をほぼ等しい振幅で説明することができた。センサの特性やバントパスフィルタの周波数から、S波と表面波が比較した歪波形の主な波群であった。海底歪計では、推定した歪波形と観測された波形はほぼ同じ形状で、0.8以上の相関係数を示した。エネルギーの残差も30%未満であった。ボアホール型歪計では、台湾の地震の表面波を除き、ほとんどの波群がよく一致した。台湾の地震の表面波では、観測波形の一部の波群が、推定した歪場では見られなかったため、エネルギーの残差が60%あった。この原因として、測器の構造や観測点周辺の構造の影響が考えられる。歪計センサの構造部材は非対称な構造をしており、これは感度に方位依存性を引き起こすと考えられる。また、観測点が設置されている堆積層は東西方向に延びる付加体の溝状地形に存在するので、この構造も表面波の伝播に影響を与える可能性がある。
本研究では、地震計アレイによって推定された歪場と光ファイバセンシングにより観測された歪場を定量的に比較できた。近傍の媒質の影響は別途考慮しなければならないものの、本手法と同様の解析によって、光センシングで得られる歪記録の振幅を含めた定量的な比較・解析を行うことができると考えられる。