JP2015045616A

JP2015045616A - 地中地震動を利用した即時地震動予測方法

Info

Publication number: JP2015045616A
Application number: JP2013178187A
Authority: JP
Inventors: 靖士津野; Seiji Tsuno; 寛之宮腰; Hiroyuki Miyakoshi
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2013-08-29
Filing date: 2013-08-29
Publication date: 2015-03-12
Anticipated expiration: 2033-08-29
Also published as: JP6177628B2

Abstract

【課題】地震基盤で観測されたＰ波の振幅を利用することにより、地表でのＳ波の振幅を直接的に予測することができる地中地震動を利用した即時地震動予測方法を提供する。
【解決手段】地中地震動を利用した即時地震動予測方法において、地表地震計６と地中地震計５により観測されたデータを用いて、地中Ｐ波（Ｐ_BH）１１と地中Ｓ波（Ｓ_BH）１２の関係、前記地中Ｓ波（Ｓ_BH）１２と地表Ｓ波（Ｓ_SF）１４の関係を組み合わせ、前記地中Ｐ波（Ｐ_BH）１１から前記地表Ｓ波（Ｓ_SF）１４を直接的に予測する。
【選択図】図１

Description

本発明は、地中地震動を利用した即時地震動予測方法に関するものである。

鉄道における地震対策は、事前に鉄道施設の耐震性を向上させる耐震補強のようなハード対策に加え、地震発生時に迅速かつ適切に列車運行を制御するための早期地震警報や、地震発生後に鉄道施設の被害が予測される範囲の列車運転を規制する地震時運転規制のようなソフト対策が重要である。
鉄道分野の早期地震警報で用いられている方法は大きく二つに分けられる。一つは地震計の観測値から計算した任意の地震動指標が予め定めた値（規定値）を超過したタイミングで警報を出力する方法である。もう一つは地震計で検知したＰ波初動から震源位置と規模を推定し、影響範囲に対して警報を出力する方法である。Ｐ波初動による震源推定方法は、１９９２年にＵｒＥＤＡＳ（ユレダス）として初めて実用化された（下記非特許文献１参照）。ＵｒＥＤＡＳでは、Ｐ波初動部数秒間の卓越周波数から推定したマグニチュードと観測された振幅から震源距離を推定し、過去の鉄道被害例に基づいて影響範囲を判断して警報を出力する方法が取られている。その後、Ｐ波初動部の振幅のエンベロープ形状と震央距離の関係を用いて震央距離を推定するＢ−Δ法（下記非特許文献２，３参照）が新たな早期地震防災システムに組み込まれて、２００４年から現在に至るまで国内の一部の新幹線で使用されている。

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直下地震では、地震発生から主要動到達までの時間が短く、警報出力が間に合わないことが指摘されている。そこで、震源を推定せずにＰ波から直接的に主要動を予測して警報を出力する方法として、Ｐ波が卓越する上下動から求めた警報用震度（上記非特許文献４参照）により定めた規定値によって警報を出力する方法が国内の一部の新幹線で実用化されている。また、鉄道以外の分野でも、Ｐ波初動の加速度とＳ波主要動の速度の統計的な関係を用いて直接的に主要動を予測する生産施設向けのシステムが開発されている（上記非特許文献５参照）。近年では、リアルタイムで観測された波動場を実況値として境界積分方程式法を用いて時間発展的に波動場を予測する方法（上記非特許文献６参照）や、ある観測点にＰ波が到達したときに未だ強い揺れの到着していない地域のＳ波を予測する方法（上記非特許文献７参照）など、理論的にＰ波からＳ波を予測する方法の研究も行われている。首都直下地震の切迫性が指摘されているなか（上記非特許文献８参照）、早期地震警報の即時性と精度の向上への期待はさらに高まっており、より早く確実に警報を出力する方法の開発が急務となっている。

一方、鉄道の地震時運転規制方法は各鉄道事業者において若干の違いはあるものの、鉄道沿線に一定間隔で設置された地震計の観測値から計算された地震動指標値に基づいて行われることが多い。ある地震計の地震動指標値が運転規制の発令基準値を超過した場合、その地震計に関して予め定められた区間において速度規制や運転中止のような運転規制措置が取られる。運転中止の場合は運転規制対象区間の全てに対して徒歩等による警備を実施し、鉄道施設に異常がなければ運転再開となる。鉄道沿線の地震計の設置間隔は路線によって様々であるが、密に配置された路線でも５ｋｍ程度であり、ローカル線では４０ｋｍ程度である。そのため運転中止が発令されると、徒歩等による警備に時間を要するため、仮に鉄道施設が無被害であった場合でも、運転再開までに多大な時間を要する。近年、一部の鉄道事業者では、運転規制に用いる地震動指標値を被害との関連性が高いものに変更して、運転規制を合理的に行う試みがなされている（上記非特許文献９，１０参照）。また、地震計を増設して運転規制区間を細分化し、運転中止時の警備対象区間を短くすることも実施されている（上記非特許文献１１参照）。現在の方法では運転規制区間内での地震動のバラツキは評価されていないため、運転規制区間内での地震動分布を地震発生直後に高精度で予測することができれば、警備範囲の最適化を検討する上での重要な情報になり得る。

本発明は、上記状況に鑑みて、地震基盤で観測されたＰ波の振幅を利用することにより、地表でのＳ波の振幅を直接的に予測することができる地中地震動を利用した即時地震動予測方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕地中地震動を利用した即時地震動予測方法において、地表地震計と地中地震計で観測されたデータを用いて、地中Ｐ波と地中Ｓ波の関係、前記地中Ｓ波と地表Ｓ波の関係を組み合わせ、前記地中Ｐ波から前記地表Ｓ波を直接的に予測することを特徴とする。
〔２〕上記〔１〕記載の地中地震動を利用した即時地震動予測方法において、地表地震動を利用するよりも最大１秒程度早く警報を出力できることを特徴とする。

〔３〕上記〔１〕記載の地中地震動を利用した即時地震動予測方法において、地下構造の影響や震源の放射特性の影響を反映した最大振幅（加速度，速度）の関係を構築することを特徴とする。
〔４〕上記〔１〕記載の地中地震動を利用した即時地震動予測方法において、前記地中Ｓ波と地下速度構造を用い、地表Ｓ波を面的予測することを特徴とする。

本発明によれば、地震基盤で観測されたＰ波の振幅を利用することにより、地表でのＳ波の振幅を直接的に予測することができ、早期地震動予測を行うことができる。
また、地中Ｓ波と地下速度構造を用い、地表Ｓ波を面的予測することができる。
さらに、従来の地表地震記録を利用した規制値の設定では原則的に地下速度構造による地震動増幅効果を考慮することができなかったが、地中地震記録を利用することにより、その地震動増幅効果を考慮することができる。

本発明の地中地震動を利用した即時地震動予測を行う模式図である。関東平野のＫｉＫ−ｎｅｔ観測点の分布図である。使用した地震の震央分布を示す図である。使用した地震の地表最大加速度〔ｇａｌ〕のヒストグラムを示す図である。波形例として、２００５年７月２３日に千葉県北西部で発生したマグニチュード６．０、深さ７３．０ｋｍの地震におけるＣＨＢＨ０４の地中と地表の加速度波形と速度波形を示す図である。地中Ｐ波と地表Ｐ波の到達時間差を示す図である。地中Ｓ波と地表Ｓ波の最大加速度の関係を示す図である。地中Ｓ波と地表Ｓ波の最大速度の関係を示す図である。各観測点におけるパラメータａ₁の比較を示す図である。地中Ｐ波と地中Ｓ波の最大加速度の関係を示す図である。地中Ｐ波と地中Ｓ波の最大速度の関係を示す図である。各観測点におけるパラメータａ₂の比較を示す図である。地中Ｐ波と地表Ｓ波の最大加速度の関係を示す図である。地中Ｐ波と地表Ｓ波の最大速度の関係を示す図である。各観測点におけるパラメータａの比較を示す図である。最大振幅の相関係数を示す図である。ＣＨＢＨ０４における地表地振動の観測波形と計算波形の比較例を示す図である。各観測点における地中Ｓ波の観測値と地表Ｓ波の計算値の関係を示す図である。

本発明の地中地震動を利用した即時地震動予測方法は、地表地震計と地中地震計で観測されたデータを用いて、地中Ｐ波と地中Ｓ波の関係、前記地中Ｓ波と地表Ｓ波の関係を組み合わせ、前記地中Ｐ波から前記地表Ｓ波を直接的に予測する。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明の地中地震動を利用した即時地震動予測を行う模式図であり、図１（ａ）は地中Ｐ波を用いた地表Ｓ波の即時予測を示し、図１（ｂ）は地中Ｓ波を用いた地表Ｓ波の面的予測を示す図である。
これらの図において、１は地震基盤、２は堆積層、３は地表面、４は地表面３から地震基盤１に届く深いボアホール、５は地震基盤１に配置される地中地震計、６は地表面３に配置される地表地震計、７は震源、８は震源７から放射されたたＰ波、９は震源７から放射されたＳ波、１１は地中地震計５で観測されたＰ波（Ｐ_BH）、１２は地中地震計５で観測されたＳ波（Ｓ_BH）、１３は地表地震計６で観測されたＰ波（Ｐ_SF）、１４は地表地震計６で観測されたＳ波（Ｓ_SF）である。

この図に示すように、地震基盤１に設置された地中地震計５で観測されたＰ波（Ｐ_BH）１１の振幅を利用することにより、地表３での地表地震計６で観測されたＳ波（Ｓ_SF）１４の振幅を直接的に予測する方法を採用する。
この方法により、地震波が厚い堆積層２を伝播する時間だけ、現行のシステムに比べ余裕時間を増加させることが可能となる。

そこで、首都直下地震を対象として、首都圏および周辺地域におけるＫｉＫ−ｎｅｔ（防災科研の基盤強震観測網）（上記非特許文献１５参照）のデータを用いて、地震基盤１のＰ波（Ｐ_BH）１１と地震基盤１のＳ波（Ｓ_BH）１２、および地震基盤１のＳ波（Ｓ_BH）１２と地表Ｓ波（Ｓ_SF）１４の関係性を調べ、地震基盤Ｐ波（Ｐ_BH）１１の情報により地表Ｓ波（Ｓ_SF）１４を面的に予測する手法の開発を実施した。

上記したように、本発明では、首都直下地震を対象とした地表地震動の即時予測方法を実現するために、関東平野内の地中地震記録を利用する。
図１（ａ）のように、地中地震計で観測したＰ波（地中Ｐ波）から直接的に地表Ｓ波を予測することで、直下地震に対しては、現行の地表Ｐ波初動による推定方法よりも早く確実に警報を出力することができる。また、図１（ｂ）のように、地中地震計で観測したＳ波（地中Ｓ波）と堆積層の地下速度構造を組み合わせることで、地震発生直後に地表Ｓ波を面的に予測できる。緊急地震速報の迅速化や高度化に向けた検討（上記非特許文献１２参照）では、緊急地震速報の既存方法への適用性の確認と課題の抽出が行われている。また、地中と地表の地震動指標の関係式から地表地震動を予測する方法（上記非特許文献１３参照）も提案されているが、統計的関係を示すに留まっている。

本発明では、防災科学技術研究所のＫｉＫ−ｎｅｔ観測点データを使用して、地震動を構成する震源特性、伝播経路特性、サイト増幅特性が地中と地表地震記録の最大振幅におよぼす影響について考慮したうえで、地表地震動の即時予測方法を提案する。
（Ａ）観測点と使用したデータ
関東平野のＫｉＫ−ｎｅｔ観測点の分布を図２に示す。この図２の観測点のうち、本発明では、ボアホールが先新第三系に到達している１２観測点（上記非特許文献１４参照）の地中と地表地震記録を使用した。

本発明では、関東平野周辺を震源とする地震に限定するため、北緯３４．５〜３７．０°、東経１３８．５〜１４１．０°を震源とする地震を使用した。また、地震動が概ね関東平野全域に渡って観測される地震を対象とするため、気象庁マグニチュード４．５〜７．０の２４３地震を使用した。使用した地震の震源分布を図３に示す。ただし、震源距離が大きく地震が観測されない場合があることなどが原因で、実際には各観測点で使用した地震数に違いがある。

次に、今回使用した地震の地表最大加速度〔ｇａｌ〕のヒストグラムを図４に示す。この図４より、今回使用した地震は最大加速度は数１０ｇａｌ程度が大多数を占めているため、地盤の非線形性の影響を受けたデータは少ないと考えられる。
図３に示す地震で観測された加速度波形を用いてＰ波とＳ波の到達時間の検測を目視で行った。Ｐ波は鉛直成分、Ｓ波は水平２成分を用いて検測を行った。次に、加速度波形を積分して速度波形を求めた。加速度波形に対してカットオフ周波数０．１Ｈｚ、２０Ｈｚの３次のＢｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ型バンドパスフィルタ処理を施した。最後に、加速度波形と速度波形のそれぞれについてＰ波とＳ波の最大振幅を求めた。Ｐ波の最大振幅はＰ波到達からＳ波到達までの時間における鉛直成分の絶対値の最大値、Ｓ波の最大振幅はＳ波到着後の水平２成分ベクトル和の最大値をそれぞれ採用した。図５に波形例として、２００５年７月２３日に千葉県北西部で発生したマグニチュード６．０、深さ７３．０ｋｍの地震におけるＣＨＢＨ０４の地中と地表の加速度波形および速度波形を示す。
（Ｂ）地中地震記録利用時の余裕時間の増分
各観測点における地中Ｐ波と地表Ｐ波の到着時間差を図６に示す。今回使用した観測点では到達時間差は０．１〜１．２秒となっており、ボアホールが深い観測点ほど大きいことがわかる。したがって、地中地震記録を利用するよりも最大１秒程度早く警報を出力できる。

地中および地表の地震記録における最大振幅の関係
〔１〕地中Ｓ波と地表Ｓ波の最大振幅の関係
本発明ではボアホールが地震基盤に到達している観測点を使用しているため、地中Ｓ波と地表Ｓ波の関係は地震基盤と地表の伝達関数Ｇ（ω) を用いて式 (１) で表される。

ここで、ｕは地震波の振幅を表す。上添字ＳはＳ波を表し、下添字ｂとｓはそれぞれ地中と地表を表す。上記式 (１) の両辺の対数をとると、式 (２) が得られる。

ここで、

である。つまり、地中Ｓ波と地表Ｓ波は対数軸上で線形関係が成り立ち、地震基盤と地表の伝達関数、すなわち地震基盤から地表までの増幅率を表すパラメータａ₁を決めることができれば、地中Ｓ波から地表Ｓ波を予測することが可能となる。
各観測点における地中Ｓ波と地表Ｓ波の最大加速度および最大速度の観測値の関係をそれぞれ図７、図８に示す。図中の直線は式 (２) を全観測記録に対して誤差が最小になるようにフィッティングした結果である。各観測点におけるパラメータａ₁の比較を図９に示す。図９より、ａ₁は最大加速度で０．３９〜０．９０、最大速度で０．５８〜０．９６程度の値であり観測点によって異なることがわかる。これは観測点ごとにサイト増幅特性が異なるためである。地中Ｓ波と地表Ｓ波の最大振幅の相関係数は最大加速度で０．７６〜０．９８、最大速度で０．８３〜０．９９である。多くの観測点で相関係数が０．９を超えており、地中Ｓ波の最大振幅から地表Ｓ波の最大振幅を精度良く予測することが可能である。これは、観測点直下の地下速度構造を与えることで地中Ｓ波から地表Ｓ波を高精度に予測できる可能性を示している。

〔２〕地中Ｐ波と地中Ｓ波の最大振幅の関係
震源をダブルカップルと仮定すると、震源から十分離れたボアホール観測点におけるＰ波とＳ波の波動場はそれぞれ式 (４) と式 (５) で表される（上記非特許文献１６参照）。

ここで、ρは媒質の密度、Ｖは媒質内の弾性波速度、ｒは震源距離、ｆ (ｔ) は震源に働く力、Ｒ_θφはラディエーション係数である。式（４）と式（５）の振幅比をとると、式（６）が得られる。

式 (６) の両辺の対数をとると、式 (７) が得られる。

ここで、

である。つまり、地中Ｐ波と地中Ｓ波は対数軸上で線形関係が成り立ち、各地震のラディエーション係数および地震発生域のＳ波／Ｐ波速度比の影響を含んだパラメータａ₂を決めることができれば、地中Ｐ波から地中Ｓ波を予測することが可能となる。
各観測点における地中Ｐ波と地中Ｓ波の最大加速度および最大速度の観測値の関係をそれぞれ図１０、図１１に示す。図中の直線は式 (７) を全観測記録に対して誤差が最小になるようにフィッティングした結果である。各観測点におけるパラメータａ₂の比較を図１２に示す。図１２より、ａ₂は最大加速度で０．２５〜０．９２、最大速度で０．４５〜０．８４程度の値であり、観測点によって異なることがわかる。これは地震発生域のＳ波／Ｐ波速度比や、各地震のラディエーションパターンの違いによる影響が各観測点で異なるためである。地中Ｐ波と地中Ｓ波の最大振幅の相関係数は最大加速度で０．７５〜０．９２、最大速度で０．７３〜０．９２であり、観測点ごとに異なる。前項のケースと比較して全体的に相関性が小さくなるのは、各地震のラディエーションパターンのバラツキの影響によるものと考えられる。

〔３〕地中Ｐ波と地表Ｓ波の最大振幅の関係
地中Ｐ波と地表Ｓ波の関係は式 (２) と式 (７) から次式のように求められる。

ここで、

である。つまり、パラメータａには地下速度構造による地震動増幅、ラディエーション係数および地震発生域のＳ波／Ｐ波速度比の影響が含まれる。
各観測点における地中Ｐ波と地表Ｓ波の最大加速度および最大速度の観測値の関係をそれぞれ図１３、図１４に示す。図中の直線は式 (９) を全観測記録に対して誤差が最小になるようにフィッティングした結果である。各観測点におけるパラメータａの比較を図１５に示す。図１５より、その結果、パラメータａは式 (１０) のようにａ₁とａ₂の和となっていることが確認された。図１６は最大振幅の相関係数を示す図であり、この図から地中Ｐ波と地表Ｓ波の最大振幅の相関係数は最大加速度で０．６８〜０．８９、最大速度で０．７４〜０．９１である。

ボアホール地震記録と地下速度構造を利用した地表地震動の予測
上述の検討により、地中Ｓ波と地下速度構造を用いて地表地震動を高精度に予測できる可能性があることがわかった。つまり、地表に地震計が存在しない任意の地点においても、地下速度構造が推定されていれば近傍の地中地震記録を用いて地表地震動を推定できる可能性がある。そこで、地下速度構造が既往研究で推定されている観測点を対象として、地中Ｓ波を基盤からの入力地震動として、１次元重複反射理論により求めた伝達関数を用いて地表地震動を計算し、観測記録と比較を行う。ここで、Ｑ値は周波数依存型として式 (１１) で与えた。

ここで、Ｑ₀は減衰定数、ｆは振動数である。ＣＨＢＨ０４において事前計算を実施した結果に基づき、Ｑ₀はＳ波速度〔ｍ／ｓ〕の１／２５の値を与えている。
ＣＨＢＨ０４における地表地震動の観測波形と計算波形の比較例を図１７に示す。観測波形と計算波形の最大加速度は近い値が得られており、地下速度構造および減衰定数が概ね妥当であることを示している。次に、各観測点における地中Ｓ波の観測値と地表Ｓ波の計算値の関係を図１８に示す。図中の直線は図７で示した地中Ｓ波と地表Ｓ波の観測値の関係である。事前計算を実施したＣＨＢＨ０４においては観測値と計算値が平均的に一致している。一方、それ以外の観測点では計算値が観測値を過大評価している場合と過小評価している場合があることがわかる。これは、観測点によって堆積層内の減衰定数が異なることや、地下速度構造の精度に違いがあることが原因であると考えられる。したがって、地震計が存在しない地点の地表地震動を精度よく推定するためには、事前に地下速度構造や減衰構造を精度良く明らかにしておく必要がある。

本発明によれば、地中地震記録を利用した即時地震動予測方法はサイト増幅特性を考慮するため、観測点毎に異なる地震動規制値を与えることが可能であり、従来の方法よりもきめ細やかな規制が可能となる。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の地中地震動を利用した即時地震動予測方法は、地震基盤で観測されたＰ波の振幅を利用することにより、地表でのＳ波の振幅を直接的に予測することができる地中地震動を利用した即時地震動予測方法として利用可能である。

１地震基盤
２堆積層
３地表面
４深いボアホール
５地中地震計
６地表地震計
７震源
８震源から放射されたＰ波
９震源から放射されたＳ波
１１地中地震計で観測されたＰ波（Ｐ_BH）
１２地中地震計で観測されたＳ波（Ｓ_BH）
１３地表地震計で観測されたＰ波（Ｐ_SF）
１４地表地震計で観測されたＳ波（Ｓ_SF）

Claims

地表地震計と地中地震計で観測されたデータを用いて、地中Ｐ波と地中Ｓ波の関係、前記地中Ｓ波と地表Ｓ波の関係を組み合わせ、前記地中Ｐ波から前記地表Ｓ波を直接的に予測することを特徴とする地中地震動を利用した即時地震動予測方法。
請求項１記載の地中地震動を利用した即時地震動予測方法において、地表地震動を利用するよりも最大１秒程度早く警報を出力できることを特徴とする地中地震動を利用した即時地震動予測方法。
請求項１記載の地中地震動を利用した即時地震動予測方法において、地下構造の影響や震源の放射特性の影響を反映した最大振幅（加速度，速度）の関係を構築することを特徴とする地中地震動を利用した即時地震動予測方法。
請求項１記載の地中地震動を利用した即時地震動予測方法において、前記地中Ｓ波と地下速度構造を用い、地表Ｓ波を面的予測することを特徴とする地中地震動を利用した即時地震動予測方法。