[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-P10] 波動伝播シミュレーションを活用した加速度波形とひずみ速度波形の比較

*川嶋 祥之助¹、江本 賢太郎² (1.九州大学大学院理学府地球惑星科学専攻、2.九州大学大学院理学研究院)

キーワード：分散音響計測、数値シミュレーション、波動伝播、ひずみ速度、不均質構造

DAS（Distributed Acoustic Sensing）は，光ファイバーケーブルをセンサーとして使用する物理観測技術である．ケーブルの一端から光パルスを送信し，その後方レイリー散乱光の位相変化を測定することで，ファイバーに沿ったひずみを検出することができる． DASは，数十kmにわたって数十m間隔でひずみやひずみ速度を測定できるため，従来の地震計では困難だった広範囲・高密度な観測を低コストで実現できる．また，既存の光ファイバー通信インフラを利用できることも大きな利点である．
しかし，DASを地震観測に応用するにはいくつかの課題もある．第一に，DASで観測されるひずみは，従来の地震計で測定される変位，速度，加速度の空間微分に相当するため，DASは地形や媒質の局所的な変化に敏感である．もう一つの課題は，DAS はファイバーの軸方向のひずみを測定するが，軸に垂直なひずみは測定できないことである．これは，地震波がケーブルに対してどの方角から到達するかによって，DASの感度が大きく異なることを意味する．
数値シミュレーションは，上記の特性が実際の観測結果にどのように影響するかを検証するのに有用である．例えば、Capdeville et al.（2024）は，スペクトル要素法を用いて，波動場の最小波長よりもはるかに小さいスケールの不均質がひずみ波形に与える影響を数値的に検証した．彼らの結果は，DASがこのような小さなスケールの不均質性に対して高い感度を示す可能性を示唆した．
本研究では，平面P波が低速度領域を通過する際の加速度波形とひずみ速度波形の違いを数値シミュレーションにより調べた．シミュレーションの対象とした2次元弾性領域は 20×40km² の長方形の高速度領域（V_P = 4.4 km/s, V_S = 2.7 km/s, ρ = 2700 kg/m³）の内部に8×8km²の正方形の低速度領域（V_P = 2.4 km/s, V_S = 1.5 km/s, ρ = 1500 kg/m³ ）が埋め込まれた形状とした．平面波は中心周波数1Hzのリッカーウェーブレットとして励起し，有限差分法（Virieux, 1984）によって2次元の弾性体における運動方程式と構成則を解くことで駆動した．DASを模して、低速度領域を横断する直線上の加速度とひずみ速度のデータを収集した．
その結果，低速度領域では加速度が境界から離れた場所で著しく増幅されるのに対し，ひずみ速度は境界上および境界近傍で著しく増幅されることがわかった．この差は，波が境界で反射したときに加速度かひずみ速度のどちらかの位相が反転することによって生じることが明らかになった．また，回折波による加速度波形とひずみ速度波形の不一致も見られた．波動場が単一の平面波から構成されている場合には，加速度波形とひずみ速度波形は単純な比例関係にあるが，低速度領域の存在により，この条件が成り立たなくなっている．