研究内容

強震後の地盤浅部の速度変化

大地震が発生すると地盤が強い振動を受け、強度が低下することがあります。これまでに、地震動の最中に地盤の強度 (または剛性率)が低下する現象は、「地盤の非線形応答」としてよく知られてきました(例えばこちら)。 一方で、強震後の剛性率の回復過程についての研究はあまり成されてきませんでした。私たちは、KiK-net観測点の地表と地中のコーダ波記録を用い、そのスペクトル比の 時間変化を調べました。図1は、2000年に発生した鳥取県西部地震で強震動を記録したKiK-net日野(TTRH02)と伯太(SMNH01)観測点における、地表と地中の水平動成分のスペクトル比を 時系列順にプロットしたものです。スペクトル比のピーク周波数が強震動を受けた直後に低下し、その後数年かけて回復する様子が見て取れます。このことは、地盤の剛性率が強震直後に低下し、 その後長い時間をかけて回復したことを示しています。

ボアホール観測点間の相互相関関数

異なる2観測点で得られたコーダ波や雑微動記録の相互相関関数の平均を取ると、2点間のグリーン関数に関係する量が抽出されます(例えばSnieder, 2004)。この原理に基づき、震源を用いずに 2点間の平均速度や不均質性などを抽出するseismic interferometry法(passive interferometry methodなどさまざまな呼び名がある)が、さまざまな分野で用いられてきています。 私たちはこの手法をボアホール記録に適用できないかと考えました。 図3は、先述の伯太観測点において、地表と地中100mのコーダ波記録の相互相関関数を計算し、その時間変化をプロットしたものです。ラグが正の時間に現れる ピークが、上昇波の伝播を表します。これを見ると、約0.1秒のところに明瞭なピークが現れ、そのピークの時刻が本震直後に増加し、その後元に戻る様子が見られます。この観測点の検層記録によると、地表―地中間のS波走時(鉛直入射の場合)は 0.097sであり、ピークの時刻を読むことで大まかな平均速度の時間変化を抽出できることがわかります。

ボアホール観測点間のデコンボリュージョン

2点間の相互相関関数は、2点間の走時差、すなわち位相情報を表していると考えられます。一方で、地表と地中の2点間の記録のように、位相だけでなく振幅情報も大きく変化する場合、 両者を同時に解析するにはどうすればいいでしょうか? 私たちは地表と地中のコーダ波記録のコンボリュージョンを用いることで、両方の情報を同時に抽出することを試みました。 図4図5は、KiK-net伯太観測点におけるデコンボリュージョン記録の振幅スペクトルと位相スペクトルの時間変化です。ご覧のように、 デコンボリュージョンを用いることで、振幅と位相両方の時間変化を抽出することができます。

コーダ波デコンボリュージョン記録のモデリング

コーダ波は、あらゆる方向から等方ランダムに入射する波から構成されると考えることができます。わたしたちは、半無限層から等方ランダムに波が水平成層構造に入射する場合(図6)について、 地表と地中のデコンボリュージョン記録を理論的に計算しました。図7は、その理論記録を図4、5の南北成分の観測記録にフィッティングしたもので、灰色が理論記録です。 観測記録をよく再現できていることがわかります。図8はフィッティングにより推定されたKiK-net伯太観測点の1次元速度構造の時間変化です。 ここでは、速度の変化が表層11mで発生すると仮定しました。その結果、本震後のS波速度の低下率は30%、S波走時の増分は17msと推定されました。S波速度は本震からの経過時間の対数に比例して 回復していますが、この対数比例型の回復過程は、地震発生後の断層近傍での回復についても検出されています(例えばLi et al. 1998)。

高周波エンベロープ合成

強震動予測のためには、高周波地震波のエンベロープ形状を適切に予測する必要があります。高周波エンベロープの形状はおもに、震源からの高周波エネルギーの輻射過程と伝播経路中の散乱特性に よって決まります。私たちは後者を前方散乱近似に基づきモデル化し、震源輻射特性を反映させたエンベロープを合成することに成功しました.このエンベロープをグリーン関数として用いることにより, 2003年十勝沖地震の高周波地震は輻射過程を推定することに成功しました.