4:00 PM - 5:30 PM
[S01P-01] Anomaly detection of seismic velocity and scattering property changes at volcanoes using seismic interferometry and local outlier probability
はじめに
近年，地震波干渉法に基づき，雑微動の相互相関関数（CCF）の位相変化や波形変化から大地震や火山活動に伴う地下の地震波速度変化や地震波散乱特性変化を検出する研究が多く行われている。いくつかの火山では，噴火や活動の活発化に10日から数日先行する地震波速度変化や散乱特性変化が検出されており[例えば，Obermann et al., 2013a; Olivier et al., 2018; Machacca-Puma et al., 2019]，地震波干渉法が火山モニタリングにおいて有効な手法であることを示す事例が蓄積されつつある。地震波干渉法による解析結果を火山噴火の切迫度評価に活用するにあたっては，地下構造の変化自体を検出することに加え，検出された変化がどの程度異常な値であるかを評価することが必要である。そこで本研究では，地震波干渉法に基づき推定した地震波速度変化と散乱特性変化の異常度を定量的に評価する方法を提案する。
データ・解析方法
地震波干渉法を阿蘇山，霧島山において適用する。まず，気象庁および防災科研の短周期地震計で記録された雑微動の上下動成分に0.2-8 Hzでスペクトルホワイトニングを適用したうえでone-bit normalizationを行う。次に，10分ごとに雑微動のCCFを計算し，それらを1日分スタックすることでDaily CCFを得る。そして，Daily CCFとReference CCF（Daily CCFを数ヶ月〜1年間スタックしたもの）に0.5-1 Hzの周波数帯でバンドパスフィルターをかけ，速度変化率とデコリレーション（1-相関係数）をストレッチング法[Lobkis and Weaver, 2003]により測定する。雑微動のCCFにおいてレイリー波が卓越しているとすると，得られる速度変化とデコリレーションは，概ね深さ1 km以浅での構造変化を反映している。最後に，Krieger et al. [2009]により提案された局所外れ値確率（Local Outlier Probability, LoOP）を用い，1日ごとの地震波速度変化率とデコリレーションの測定値に対して，それらが異常データである確率を計算する。
結果
1. 阿蘇山におけるLoOPの時間変化
2015年から2016年の2年間にわたり，速度変化率とデコリレーションを測定し，LoOPを計算した。まず，2016年4月に発生した熊本地震に伴う数%の速度低下と顕著なデコリレーションを反映したLoOPの増加を検出した。地震発生後のLoOPはほとんどの観測点で90%を超えており，地震の影響で阿蘇山直下の地下構造が大きく変化したことを示唆している。また，2016年10月8日に発生した爆発的噴火に伴う0.5%程度の速度低下と顕著なデコリレーションを反映したLoOPの増加を検出した。すべての観測点において，噴火の2-3日前にLoOPが70%を超えるまで急激に増加していることから，噴火に先行して地下構造が大きく変化していた可能性がある。
2. 霧島山におけるLoOPの時間変化
2017年から2019年の3年間にわたり，速度変化率とデコリレーションのLoOPを計算した。解析期間中の2017年10月11日には，新燃岳において6年ぶりの噴火が発生した。また，2018年3月6日には2011年以来の爆発的噴火が発生した。これら2つの噴火に伴い，最大2%程度の速度低下と顕著なデコリレーションが検出された。この変化を反映し，噴火に先行するLoOPの急激な増加が検出されたが，2つの噴火でLoOPが増加するタイミングが異なった。2017年噴火ではLoOPが70%を超えたのは噴火の1日前であったが，2018年噴火では4-5日前にLoOPが70%を超えていた。2018年爆発的噴火の場合，噴火の5日ほど前から，小規模な噴火の発生や火山ガス放出量の急増が観測されており[気象庁, 2018]，爆発的噴火に先行するLoOPの急増も噴火前の活動の活発化と関連している可能性がある。
まとめ
本研究では，地震波干渉法に基づき測定した速度変化率とデコリレーションの局所外れ値確率（LoOP）を計算し，阿蘇山と霧島山において，地震や噴火に伴うLoOPの増加を検出した。LoOPは常に0-100%の範囲の値をとるため異常の程度を把握しやすく，噴火の切迫度評価において使いやすい指標であると考えられる。今後は，草津白根山や御嶽山といった近年噴火が発生した火山を中心に他の火山でも同様の解析を行い，事例の蓄積を進めていく予定である。
謝辞：本研究では気象庁短周期地震計のデータを使用させていただきました。記して感謝いたします。
近年，地震波干渉法に基づき，雑微動の相互相関関数（CCF）の位相変化や波形変化から大地震や火山活動に伴う地下の地震波速度変化や地震波散乱特性変化を検出する研究が多く行われている。いくつかの火山では，噴火や活動の活発化に10日から数日先行する地震波速度変化や散乱特性変化が検出されており[例えば，Obermann et al., 2013a; Olivier et al., 2018; Machacca-Puma et al., 2019]，地震波干渉法が火山モニタリングにおいて有効な手法であることを示す事例が蓄積されつつある。地震波干渉法による解析結果を火山噴火の切迫度評価に活用するにあたっては，地下構造の変化自体を検出することに加え，検出された変化がどの程度異常な値であるかを評価することが必要である。そこで本研究では，地震波干渉法に基づき推定した地震波速度変化と散乱特性変化の異常度を定量的に評価する方法を提案する。
データ・解析方法
地震波干渉法を阿蘇山，霧島山において適用する。まず，気象庁および防災科研の短周期地震計で記録された雑微動の上下動成分に0.2-8 Hzでスペクトルホワイトニングを適用したうえでone-bit normalizationを行う。次に，10分ごとに雑微動のCCFを計算し，それらを1日分スタックすることでDaily CCFを得る。そして，Daily CCFとReference CCF（Daily CCFを数ヶ月〜1年間スタックしたもの）に0.5-1 Hzの周波数帯でバンドパスフィルターをかけ，速度変化率とデコリレーション（1-相関係数）をストレッチング法[Lobkis and Weaver, 2003]により測定する。雑微動のCCFにおいてレイリー波が卓越しているとすると，得られる速度変化とデコリレーションは，概ね深さ1 km以浅での構造変化を反映している。最後に，Krieger et al. [2009]により提案された局所外れ値確率（Local Outlier Probability, LoOP）を用い，1日ごとの地震波速度変化率とデコリレーションの測定値に対して，それらが異常データである確率を計算する。
結果
1. 阿蘇山におけるLoOPの時間変化
2015年から2016年の2年間にわたり，速度変化率とデコリレーションを測定し，LoOPを計算した。まず，2016年4月に発生した熊本地震に伴う数%の速度低下と顕著なデコリレーションを反映したLoOPの増加を検出した。地震発生後のLoOPはほとんどの観測点で90%を超えており，地震の影響で阿蘇山直下の地下構造が大きく変化したことを示唆している。また，2016年10月8日に発生した爆発的噴火に伴う0.5%程度の速度低下と顕著なデコリレーションを反映したLoOPの増加を検出した。すべての観測点において，噴火の2-3日前にLoOPが70%を超えるまで急激に増加していることから，噴火に先行して地下構造が大きく変化していた可能性がある。
2. 霧島山におけるLoOPの時間変化
2017年から2019年の3年間にわたり，速度変化率とデコリレーションのLoOPを計算した。解析期間中の2017年10月11日には，新燃岳において6年ぶりの噴火が発生した。また，2018年3月6日には2011年以来の爆発的噴火が発生した。これら2つの噴火に伴い，最大2%程度の速度低下と顕著なデコリレーションが検出された。この変化を反映し，噴火に先行するLoOPの急激な増加が検出されたが，2つの噴火でLoOPが増加するタイミングが異なった。2017年噴火ではLoOPが70%を超えたのは噴火の1日前であったが，2018年噴火では4-5日前にLoOPが70%を超えていた。2018年爆発的噴火の場合，噴火の5日ほど前から，小規模な噴火の発生や火山ガス放出量の急増が観測されており[気象庁, 2018]，爆発的噴火に先行するLoOPの急増も噴火前の活動の活発化と関連している可能性がある。
まとめ
本研究では，地震波干渉法に基づき測定した速度変化率とデコリレーションの局所外れ値確率（LoOP）を計算し，阿蘇山と霧島山において，地震や噴火に伴うLoOPの増加を検出した。LoOPは常に0-100%の範囲の値をとるため異常の程度を把握しやすく，噴火の切迫度評価において使いやすい指標であると考えられる。今後は，草津白根山や御嶽山といった近年噴火が発生した火山を中心に他の火山でも同様の解析を行い，事例の蓄積を進めていく予定である。
謝辞：本研究では気象庁短周期地震計のデータを使用させていただきました。記して感謝いたします。