JP3763130B2

JP3763130B2 - 地震・噴火予知方法

Info

Publication number: JP3763130B2
Application number: JP2003051965A
Authority: JP
Inventors: 春視荒木; 俊治村井
Original assignee: 有限会社環境地質研究室; 俊治村井
Priority date: 2003-01-24
Filing date: 2003-01-24
Publication date: 2006-04-05
Anticipated expiration: 2023-01-24
Also published as: JP2004226388A

Description

【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は地震および火山噴火の予知の方法に関するものである。
【０００２】
地震および火山の噴火が多発する我が国では、事前に危険を予知することは国家的関心事である。特に地震は何時、何処で発生するかを正確に予知することは困難であった。火山については、何時噴火することを予知する有力な予知方法に欠けていた。
【０００３】
地震および火山噴火の予知は、学識経験者の判断により、国家が実施しており、その情報は必ずしも完全には公開されておらず、社会不安に十分答えるものではなかった。
【０００４】
【従来の技術】
従来地震および火山噴火の予知は、精密な測量による地表上の点の水平変位および垂直変位の変動を解析することでなされてきた。水平変位は、精密基準点測量により、国家基準点あるいは設置された基準点の水平方向の変動で算出される。精密基準点測量には時間がかかるため、広い地域に点在する多数点を全て同一日時あるいは短い期間内に観測することは不可能であった。このため、同時期における水平変位を求めることができないため、観測間隔が大きくなり、観測日の不一致による誤差が生じる欠点があった。
【０００５】
垂直変位は、精密水準測量により水準点の標高の変動値として算出されてきたが、水平変位の観測と同じ理由から、同時期の観測ができない欠点を有していた。このように、水平変位と垂直変位が観測される観測点および時期が異なることは従来の観測方法の短所である。
【０００６】
水平変位および垂直変位の観測年月日および観測点が異なるため、従来の方法では水平方向と垂直方向を同時性および同域性を以て三次元解析することが困難であった。このため、「何時、何処」で地震および噴火が起きる可能性を予知する精度が低かった。
【０００７】
近年人工衛星を利用した汎地球測位システム（例えば米国ＧＰＳおよびロシアのＧＬＯＮＡＳなど）が実利用できるようになり、汎地球測位システムを利用した観測点（以降衛星観測点と呼ぶ）において、連続的にその３次元座標が高精度で観測できるようになった。
【０００８】
図１は汎地球測位システムの概念を示したものである。図１において１は地球、２は人工衛星の一つ、３は該人工衛星２の軌道を示している。汎地球測位システムは、原子時計を搭載した複数の人工衛星（ＧＰＳの場合２４個）を宇宙空間に打ち上げ、その空間的位置（通常地球重心を原点とし、赤道面にＸＹ座標を設け、赤道面に直交する天頂方向をＺ軸とするいわゆる地心座標系を用いる）を衛星追跡技術により、正確に求めておいた上で、地上の任意の位置に設置されたアンテナに、最低三個以上の衛星の時計信号を受信し、アンテナと衛星の間の距離を求め、解析的に、アンテナ位置の正確な三次元座標を測定するシステムである。図２は、地心座標系の概念を示したものである。図２おいて４は赤道、５は該赤道４を含む平面である赤道面に直交する天頂方向の軸（Ｚ軸）、６，７は該赤道面上に設けられた直交する２つの軸（Ｘ軸およびＹ軸）である。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の原点は地球の重心（図示されていない）である。
【０００９】
衛星観測を地震および火山噴火予知に利用する試みがなされている。不動と推定される衛星観測点一点を不動点扱いして他の衛星観測点あるいは国家基準点等の相対的座標変動（不動点に対して東西変位、南北変位および楕円体高変位）を観測する方法が行われている。この方法は不動点の選択に依存するため、同じプレート上の変動は検知できないことが生じ、全国的で全般的な予知には適さない欠点があった。さらに地球楕円体の形状は、最新の観測結果により逐次更新されており、最新の値が採用されるたびに、東西、南北変位量および楕円体高が変わるといった非普遍的問題を懐胎している。
【００１０】
一般に海域には衛星観測点がないため、沿岸近くの海上の変位観測は従来不可能であった。
【００１１】
従来、衛星観測点における座標変動は、年ごとの変化値としてしか公表されなかった。従来は、月あるいは季節単位、さらに短期間における変位の観測は公表されなかった。しかし、衛星観測を連続的に実施している国土交通省国土地理院が管理している電子基準点の衛星観測データ（米国のＧＰＳを利用しているので、以降ＧＰＳ観測データと呼ぶ）が２００２年度から一般に一部開放されるようになり、２００３年度以降は誰でもＧＰＳ観測データを実時間で利用できる基盤整備が整いつつある。
【００１２】
ＧＰＳ観測による観測点間における距離の変動率の解析によってもある程度地震および火山噴火の予測は可能であることは、本発明者の先の発明に記載されている（特願２００１−３５６６６０地震予測方法、地震予測システム及び地震予測プログラム）。しかし、観測点間を結ぶ線分の変動率の測定では、震源域または被害地域を面的に言い当てるのは困難であった。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
この様に従来の方法では、時間分解能の高い災害時期の予知と、正確な被害地域の予知の精度は余り高いとは言えなかった。
【００１４】
本発明は従来の持つ課題を解決する極めて有効な地震・噴火予知の方法を提供するものである。
【００１５】
本発明の第一の目的は、高い精度で地震・噴火予知を行うことができる方法を提供することである。
【００１６】
本発明の第二の目的は、短期間における地震・噴火予知を迅速に行うことができる方法を提供することである。
【００１７】
本発明の第三の目的は、地震・噴火の発生地域を高い精度で特定する方法を提供することである。
【００１８】
本発明の第四の目的は、沿岸近くの地域における地震・噴火予知を可能にする方法を提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、予知の基本データとして衛星観測データを用い、従来の観測点の座標移動量による解析に替わって、地表上の任意の三点から構成される三角形群のそれぞれの三角形面積に着目して、予知を実施することである。これにより、危険な地域を三角形単位で位置を予知できる。
【００２０】
三角形群の三角形面積は、地盤変動が水平方向および垂直方向いずれにも生起する可能性を考慮して、ＸＹＺ座標系のうち二軸から構成されるＸＹ，ＸＺおよびＹＺ平面上に投影された観測点の投影点により構成される３つの三角形の面積をそれぞれ算出する。
【００２１】
図３は本発明を詳細に説明するための図である。図においてＡ点、Ｂ点、Ｃ点はそれぞれ、任意に選ばれた地表上の３つの観測点である。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸はそれぞれ地心座標系の三軸である。Ａ点のＸＹ投影面への投影点をＡｘｙ，同様にＢ点のＸＹ投影面への投影点をＢｘｙ，Ｃ点のＸＹ投影面への投影点をＣｘｙとする。同じようにＡ点のＸＺ投影面への投影点をＡｘｚ，同様にＢ点のＸＺ投影面への投影点をＢｘｚ，Ｃ点のＸＺ投影面への投影点をＣｘｚとする。さらにＡ点のＹＺ投影面への投影点をＡｙｚ，同様にＢ点のＹＺ投影面への投影点をＢｙｚ，Ｃ点のＹＺ投影面への投影点をＣｙｚとする。ここでＡｘｙ、Ｂｘｙ、Ｃｘｙの３点で構成される三角形の面積をＳｘｙと定義し、Ａｘｚ、Ｂｘｚ、Ｃｘｚの３点で構成される三角形の面積をＳｘｚと定義する。同様に、Ａｙｚ、Ｂｙｚ、Ｃｙｚの３点で構成される三角形の面積をＳｙｚと定義する。今、時刻ｔにおける面積ＳｘｙをＳｘｙ（ｔ）、時刻ｔよりΔｔ時間経過した時の面積ＳｘｙをＳｘｙ（ｔ＋Δｔ）とすれば、時刻ｔからｔ＋Δｔの間の三角形面積変動率Ｒｘｙは、着目する観測時の三角形面積Ｓｘｙ（ｔ＋Δｔ）から前回観測時の三角形面積Ｓｘｙ（ｔ）を差し引き、前回観測時の三角形面積Ｓｘｙ（ｔ）で割った値で算出される。即ちＲｘｙ＝（Ｓｘｙ（ｔ＋Δｔ）−Ｓｘｙ（ｔ））／Ｓｘｙ（ｔ）で算出される。同様な方法でＳｘｚ、Ｓｙｚに対して、Ｒｘｚ、Ｒｙｚが算出される。
【００２２】
従来の技術においては、平面は測地座標系、高さは標高を利用してきたが、本発明においては、衛星観測の直接出力である地心座標系を用いることで、座標変換に伴う誤差要因を排除した。
【００２３】
複数の衛星観測点における連続的あるいは定期的な観測を、同時期または略同時期、および同位置地点で実施し、上記の三角形面積の観測時間間隔における変動率Ｒｘｙ、Ｒｘｚ、Ｒｙｚを算出し、その変動を監視し、解析することで、地震・噴火の予知を行う。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の第一の実施の形態は、地表上の複数の観測点から任意の三点を選択し、該三点の位置に関する衛星観測データを、Ｘ、Ｙ、Ｚの三軸を有する地心座標系に基づく三次元座標系で表現し、該三次元座標系のそれぞれ二軸から構成されるＸＹ、ＸＺ、ＹＺ平面への該三角点の投影点により構成される三角形の面積に着目し、同一観測時または略同時観測時に算出した結果に基づいて、それぞれの面積を求め、経時変化を示した面積部分を利用して地震・噴火予知を行う地震・予知方法に関するものである。
【００２６】
本発明の第二の実施の形態は、対象地域を複数観測点よりなる三角形網で覆い、それぞれに対応する請求項１の三角形のそれぞれの面積の面積変動率に基づいて地震・噴火予知を行う地震・噴火予知方法に関するものである。
【００２７】
本発明の第三の実施の形態は、第二の実施の形態のそれぞれの面積の面積変動率に対して一定の閾値を指標として地震・噴火予知を行う地震・噴火予知方法に関するものである。
【００２８】
本発明の第四の実施の形態は、第二の実施の形態のそれぞれの面積の面積変動率に対して一定の閾値に基づくと共に、その値の正負の反転を指標として地震・噴火予知を行う地震・噴火予知方法に関するものである。
【００２９】
本発明の第六の実施の形態は、地表上の複数の観測点から任意の三点を選択する工程、該三点の位置に関する衛星観測データを、Ｘ、Ｙ、Ｚの三軸を有する地心座標系に基づく三次元座標系で表現する工程、該三次元座標系のそれぞれ二軸から構成されるＸＹ、ＸＺおよびＹＺ平面への該三点の投影点により構成される三角形の面積を、それぞれ計算する工程、同一観測時または略同一観測時について面積計算した結果について、異なる観測時について繰り返し行う工程、該計算された面積の対応するものをそれぞれ比較する工程を含むことを特徴とする地震・噴火予知プログラムに関するものである。
【００３０】
面積変動率Ｒの値は一般にきわめて小さな値となり、１００万分の一単位（ｐｐｍ）の無次元の値で表される。変動率の算出に使う前回観測の値を、固定しても良いし、その都度、観測期間の初めの値を使っても良い。
【００３１】
複数の観測の変動解析にあたっては、観測間隔が異なることがあるため、年または月など等間隔の観測期間に換算して表示すると、単位時間の変動すなわち速度を考慮した変動解析が可能になる。
【００３２】
一般に該面積変動率が大きな値を示す時は、地震又は噴火の規模が大きいことを推察できる。従ってそれぞれの面積の面積変動率にある閾値を設け、この値を指標として地震・噴火予知を行う。
【００３３】
該面積変動率が正の値の時は、地盤が引張の応力を受け、負の時は圧縮の応力を受けると解釈できる。従って、正負が反転する時は、地盤が、引張から圧縮へ、または圧縮から引張に転じた時を意味し、地震または噴火の危険が極めて大である可能性を有する。この面積変動率の正負の反転を指標として、地震・噴火の予知を行うことができる。
【００３４】
三角形群を構成するＧＰＳ観測点は、全国約１０００点を超える電子基準点から任意に選択ができるが、本発明においては、互いに十分な間隔を有すること、位置するプレート、地震や噴火の危険が予想される地域、等を考慮して数１０キロメートルまたは数１００キロメートルの間隔の日本列島三角網を構築する。また、必要に応じて観測点を増減できることは言うまでもない。
【００３５】
島部あるいは半島先端に設置された観測点を含む三角形は一部海上を含むため、本発明においては、陸上の点のみしか解析できなかった従来の予知方法に対して、該三角形に含まれる近海沿海の海域を含める予知が可能となる。
【００３６】
本発明においては、不動点を推定して選択する必要がなく、選定されたＧＰＳ観測点から構成される三角形群の面積変動率を等しい重みづけで監視できる長所を有する。すなわち全ての点を動点と仮定することができ、地域を特定することなく日本全体の予知ができる。
【００３７】
ＧＰＳ観測の精度は、数ミリメートル以下であることを考慮し、さらに地震時の地盤の変動が数センチメートル以上とすると、数１０キロメートルから数１００キロメートルの間隔の三角形面積の変動率は、１００万分の一単位（ｐｐｍ）である。発明者の観測例および解析研究によれば、震度６以上の地震又は避難を必要とされる規模の火山噴火を想定する時、年間の三角形面積変動率に換算した値が、１ｐｐｍ未満は問題なしと予測でき、４−９ｐｐｍの範囲を注意、１０ｐｐｍ以上のとき、前兆として警戒が必要であり、２０ｐｐｍ以上で、さらに該面積変動率の正負が反転すると、きわめて危険であることが予知できる。これらの閾値は、今後観測例が蓄積されるのに伴い、さらに適切な値に微調整できる可能性がある。
【００３８】
一般に地震は広範囲の地盤変動を伴い、火山噴火は狭い範囲の地盤変動を伴うことが知られている。従って、地震および火山噴火の前兆調査段階においては、観測点の密度は粗くてもよいが、地震および火山噴火の予知段階においては、衛星観測点を目的に応じて、選択する必要がある。地震および火山噴火の直前予知段階においては、監視地域が特定されている段階であり、観測点および観測間隔を密にする必要がある。
【００３９】
【実施例】
以下に詳述する実施例は、ＧＰＳにより同地点および同日時に観測された三次元座標から算出された三角形群の三角形面積変動率を解析して地震の予知を行ったものである。図４は、以下の実施例において使用した日本列島三角網である。なお、三角形面積変動率は、年間変動率に換算した値である。
【００４０】
本発明の第一の実施例は２０００年１０月６日に起きた鳥取県西部地震（Ｍ７．３）の予知に関するものである。ＧＰＳ観測点のうち、該地域周辺（中国・四国周辺）に位置する出雲、松山、広島、海南、徳島、高松、高知、大分、福岡の観測点を選択し、これらの観測点から形成される三角形群を次の９つの三角形で構成した。
１）出雲、海南、徳島２）出雲、高松、松山３）出雲、松山、広島
４）高松、広島、松山５）高松、松山、高知６）高松、高知、徳島
７）徳島、高知、松山８）広島、松山、大分９）広島、大分、福岡
【００４１】
ＧＰＳ観測は、１９９８年１１月、１９９９年１１月、２０００年４月および２０００年９月の地震発生直前の４時期に実施し、それぞれ３期間（期間１：１９９８年１１月−１９９９年１１月、期間２：１９９９年１１月−２０００年３月、期間３：２０００年４月−２０００年９月）のＸＹ，ＸＺおよびＹＺ投影面における三角形面積変動率を算出し、さらに年間変動率に換算した。
【００４２】
ＸＹ，ＸＺおよびＹＺ投影面の三角形面積の換算変動率のうちもっとも大きな値を示したのは、ＸＺ投影面であった。ＸＺ投影面における該三角形面積変動率（年換算率）は、上記９つの三角形および３つの期間に対して、下記の値（ｐｐｍの単位四捨五入）を示した。

【００４３】
上記の三角形番号３は、極めて危険な動きであり、鳥取県西部はこの三角形内に存在し、面積変動率の正負が反転した１ヶ月後（２０００年１０月）にマグニチュード７．３の地震が発生した。
【００４４】
本発明の第二の実施例は、２０００年６月に起きた三宅島火山噴火および神津島近海地震の予知に関するものである。
【００４５】
ＧＰＳ観測点のうち、該地域に位置する東京、成田、大島、三宅島の観測点を選択し、これらの観測点から形成される三角形群を次の４つの三角形で構成した。
１０）東京、成田、大島１１）東京、成田、三宅島
１２）東京、大島、三宅島１３）成田、大島、三宅島
【００４６】
観測期間および算出した値は、実施例１と同じである。三角形の面積変動率は下記の値を示した。

【００４７】
上記の三角形番号１２および１３に対応する地域は極めて危険であり、三宅島および神津島はこの三角形内に存在する。面積変動率の正負が反転した段階で、２０００年６月に三宅島が噴火し、同年７月に神津島近海地震（最大マグニチュード６．４）が発生した。
【００４８】
上記実施例の他、２０００年３月の有珠山噴火、２００１年３月の芸予地震、２００１年５月の浅間山噴煙（１２００メートルの高さ）の例においても、上記実施例と同じような予知が可能であったことが確認され、本発明の有効性が確認された。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によって以下の効果を得ることができる。
（１）高い精度で地震・噴火予知を行うことが可能となった。
（２）地震・噴火予知を迅速に行うことが可能になった。
（３）地震・噴火の発生地域を高い精度で特定することが可能となった。
（４）沿岸近くの地域における地震・噴火予知が可能となった。
（５）従来担当官庁のみしか予知できなかった地震・噴火の予知が、民間企業又は一般市民レベルでも可能になった。
（６）衛星観測網を構築すれば、日本以外の地震多発国の地震予知および火山国の噴火予知に貢献することが可能となった。
（７）地震や火山噴火による地盤の変動のみでなく、地滑りなど三次元的変位をする地形や他の人工構造物の変動解析が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】汎地球測位システムの概念を示す図。
【図２】地心座標系の概念を示す図。
【図３】本発明を詳細に説明するための図。
【図４】実施例で使用された日本列島ＧＰＳ観測三角網を示す図。
【符号の説明】
１地球
２人工衛星の一つ
３人工衛星の軌道の一つ
４赤道
５赤道を含む赤道面に直交する天頂方向の軸、Ｚ軸
６赤道面に設けられた直交する軸、Ｘ軸
７赤道面に設けられた直交する軸、Ｙ軸

Claims

地表上の複数の観測点から任意の三点を選択し、該三点の位置に関する衛星観測データを、Ｘ，Ｙ，Ｚの三軸を有する地心座標系に基づく三次元座標系で表現し、該三次元座標系のそれぞれ二軸から構成されるＸＹ，ＸＺおよびＹＺ平面への該三点の投影点により構成されるそれぞれの三角形について、同一観測時または略同一観測時に算出した結果に基づいてそれぞれの面積を求め、地震・噴火予知を行うことを特徴とする地震・噴火予知方法。
対象地域を複数観測点よりなる三角形網で覆い、それぞれに対応する請求項１のそれぞれの面積の面積変動率に基づいて地震・噴火予知を行うことを特徴とする地震・噴火予知方法。
請求項１において、それぞれの面積の面積変動率に対して一定の閾値を指標として地震・噴火予知を行うことを特徴とする地震・噴火予知方法。
請求項１において、それぞれの面積の面積変動率に対して一定の閾値に基づくと共に、その値の正負の反転を指標として地震・噴火予知を行うことを特徴とする地震・噴火予知方法。
地表上の複数の観測点から任意の三点を選択する工程、該三点の位置に関する衛星観測データを、Ｘ、Ｙ、Ｚの三軸を有する地心座標系に基づく三次元座標系で表現する工程、該三次元座標系のそれぞれ二軸から構成されるＸＹ、ＸＺおよびＹＺ平面への該三点の投影点により構成される三角形の面積をそれぞれ計算する工程、同一観測時または略同一観測時について面積計算した結果について、異なる観測時について繰り返し行う工程、該計算された面積の対応するものをそれぞれ比較する工程を含むことを特徴とする地震・噴火予知プログラム。