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1 23 広 帯 域 MT 固 定 連 続 観 測 システムを 用 いた 地 殻 比 抵 抗 モニタリング Monitoring of crustal resistivity variations using a stationary wideband MT measurement system 測 地 部 佐 藤 秀 幸 Geodetic Department Hideyuki SATOH 水 沢 測 地 観 測 所 湯 通 堂 亨 門 脇 俊 弘 石 原 操 Mizusawa Geodetic Observatory Tohru YUTSUDO, Toshihiro KADOWAKI, Misao ISHIHARA 国 土 交 通 省 河 川 局 防 災 課 藤 原 智 Ministry of Land, Infrastructure and Transport Satoshi FUJIWARA 要 旨 内 陸 地 震 発 生 に 対 し 強 く 関 与 している 地 殻 内 の 水 の 存 在 を 把 握 するため, 広 帯 域 MT(Magnetotelluric) 固 定 連 続 観 測 システムを 水 沢 測 地 観 測 所 と 江 刺 観 測 場 に 設 置 し, 1996 年 4 月 から 見 掛 け 比 抵 抗 の 連 続 観 測 を 開 始 した 本 報 告 では, 地 震 活 動 や 地 殻 変 動 と 関 連 した 比 抵 抗 変 化 を 検 出 する 方 法 のひとつとして, 測 定 システムの 安 定 性 を 議 論 した 上 で,MT 法 による 地 殻 比 抵 抗 モニタリングが 有 用 で あることを 示 す 1.はじめに 地 殻 の 物 理 的 性 質 をあらわす 物 理 量 のひとつに 電 気 伝 導 度 ( 以 下, 比 抵 抗 と 呼 ぶ) がある この 比 抵 抗 は, 地 殻 を 構 成 する 岩 石 の 種 類 によって8オーダーに もわたって 変 化 する( 図 -1) 一 般 に, 岩 石 の 比 抵 抗 は, 間 隙 水 の 比 抵 抗 に 比 例 し, 間 隙 率 の 乗 と, 飽 和 率 の 2 乗 に 反 比 例 することが 経 験 的 に 知 られてい る(Archie et al.,1942) このことから 地 殻 の 比 抵 抗 は 構 成 する 岩 石 の 種 類 だけでなく, 含 水 率 によって 大 きく 変 化 することがわかる 図 -1 主 な 地 殻 物 質 の 比 抵 抗 ( 電 気 伝 導 度 の 逆 数 ) 近 年 地 震 波 の 解 析 から, 地 殻 中 に 多 くの 地 震 波 散 乱 源 あるいはS 波 反 射 面 が 存 在 することが 指 摘 されてい る これらは 断 層 面 やその 近 傍 の 破 砕 帯,あるいは 地 殻 中 に 存 在 する 流 体 ( 地 下 水 あるいは 溶 融 体 )である と 推 定 されている( 例 えば, 浅 野 ほか,1999; Nakajima et al.,21 など) 断 層 面 近 傍 に 存 在 する 微 小 な 割 れ 目 や 破 砕 帯 は, 緻 密 な 岩 盤 の 中 でも 地 下 水 の 存 在 を 許 し, 水 を 通 したり, 貯 えたりすることを 可 能 にする 地 殻 深 部 においては 流 体 の 存 在 が 比 抵 抗 分 布 に 著 しい 不 均 質 性 を 起 こしうる 従 って, 地 殻 の 比 抵 抗 を 連 続 的 にモニタリングすれば, 地 殻 内 の 水 の 動 きが 把 握 で き, 地 震 活 動 に 伴 うシグナルの 検 出 ができるものと 期 待 できる そこで, 地 殻 の 比 抵 抗 をモニタリングするため, 広 帯 域 MT 固 定 連 続 観 測 システムを 水 沢 測 地 観 測 所 および 江 刺 観 測 場 に 設 置 し,1996 年 4 月 から 見 掛 け 比 抵 抗 の 連 続 観 測 を 開 始 した 本 報 告 では, 地 震 活 動 や 地 殻 変 動 と 関 連 し た 比 抵 抗 変 化 を 検 出 する 方 法 のひとつとして, 測 定 システ ムの 安 定 性 を 議 論 した 上 で,MT 法 による 地 殻 比 抵 抗 モニ タリングが 有 用 であることを 示 す 2.MT 法 地 殻 の 比 抵 抗 を 調 べるには, 地 下 に 人 工 的 な 電 流 ある いは 電 磁 波 信 号 を 送 信 し,その 応 答 を 地 表 で 測 れば 良 い ところが, 地 下 深 部 を 探 ろうとするほど,より 出 力 の 大 きな 信 号 源 が 必 要 となる 通 常, 深 度 1km 程 度 までであ れば, 人 工 的 な 電 流 双 極 子 や 磁 気 双 極 子 を 地 表 に 作 るこ とが 可 能 であるが,それより 深 くなると 困 難 になる そ こで, 自 然 の 電 磁 場 を 信 号 として 使 うことになる これ をMT( 地 磁 気 地 電 流 ) 法 と 呼 ぶ 自 然 の 変 動 電 磁 場 は,その 起 源, 性 質 によって 様 々な 種 類 に 分 けられる このうち 地 球 磁 気 圏 の 電 磁 流 体 波 に 起 因 する 地 磁 気 脈 動 と 呼 ばれる 現 象 は, 周 波 数 1Hz 以 下 の 領 域 で 比 較 的 振 幅 の 大 きな 変 動 を 示 す このうち 波 形 が 連 続 できれいな 変 動 を Pc 変 動 と 呼 んでいる また, 赤 道 地 帯 などの 雷 放 電 から 放 射 される 電 磁 波 は 電 離 層 と 地 表 面 との 間 を 伝 播 し, 特 に 3-6Hz の 帯 域 では 減 衰 が 小 さく 地 球 を 何 周 もするので 干 渉 現 象 が 起 こる これをシ ューマン 共 振 現 象 と 呼 んでいる MT 法 では 以 上 の 電 磁

2 24 変 動 現 象,すなわち 地 磁 気 脈 動 およびシューマン 共 振 に よる 電 磁 波 を 信 号 源 として 用 いる しかし,この 信 号 源 である 電 磁 波 は, 地 中 に 浸 透 する と 指 数 関 数 的 に 減 少 するという 性 質 を 持 っている さら に,その 減 衰 の 程 度 は 地 下 の 比 抵 抗 と 電 磁 波 の 周 波 数 に 依 存 することがわかっている Cagniard(1953)は 電 磁 波 の 振 幅 が 地 表 面 の 値 の 1/e( 約 37%)まで 減 衰 する 深 さを 表 皮 深 度 (skin depth)と 呼 び, 以 下 の 式 を 導 いている 53 Rho a / f (1) ここで,δは 表 皮 深 度 (m),rho a は 見 掛 け 比 抵 抗 (Ω m),f は 周 波 数 (Hz)である 例 えば, 大 地 の 比 抵 抗 が 均 質 で Ω mであるとすれば, 周 波 数.1Hz( 周 期 秒 )に 対 する 表 皮 深 度 は 約 5km である つまり,(1) 式 は 周 波 数 が 低 いほど,また 比 抵 抗 が 高 いほど 電 磁 場 は 地 下 深 く 浸 透 することを 意 味 している このとき 地 表 面 で 観 測 される 成 分 を 電 場 2 成 分 (Ex,Ey), 磁 場 2 成 分 (Hx,Hy)であるとすれば( 図 -2), 電 場, 磁 場 および 見 掛 け 比 抵 抗 の 関 係 は 以 下 の 式 で 結 び 付 けられ る(Cagniard,1953) 1 Ex Rhoxy (2) 5 f Hy 1 Ey Rhoyx (3) 5 f Hx ここで,Rhoxy,Rhoyx は 見 掛 け 比 抵 抗 (Ω m),f は 周 波 数 (Hz),Ex Ey は 誘 導 される 電 場 (mv/km),hx, Hy は 磁 場 変 化 の 大 きさ(nT)である この2つの 式 は 電 磁 場 の 観 測 から 比 抵 抗 が 推 定 できることを 意 味 して いる 加 えて,Rhoxy,Rhoyx は 周 波 数 に 対 して 依 存 す る 量 であることも 同 時 に 示 している このようにして, 自 然 の 電 磁 場 信 号 を 観 測 することに より, 地 殻 浅 部 から 深 部 までの 比 抵 抗 を 推 定 することが 可 能 である 図 -2 MT 観 測 におけるセンサーの 配 置 図 Hx, Hy, Hz は 磁 場 センサーを,Ex,Ey は 電 場 の センサーをそれぞれ 示 している 電 磁 波 の 周 波 数 によって 探 査 深 度 が 異 なる 観 測 3.1 観 測 場 所 測 定 機 器 は, 水 沢 測 地 観 測 所 構 内 ( 岩 手 県 水 沢 市 )およ び 江 刺 観 測 場 構 内 ( 岩 手 県 江 刺 市 )に 設 置 し( 以 下, 水 沢 および 江 刺 と,それぞれ 呼 ぶことにする),1996 年 4 月 よ りデータ 取 得 を 開 始 した( 図 -3) 観 測 点 は 人 工 的 なノ イズをできるだけ 避 ける 必 要 があるため, 人 里 離 れた 山 中 に 設 置 することが 望 ましい 幸 い 水 沢 測 地 観 測 所 および 江 刺 観 測 場 は, 従 来 から 全 磁 力 観 測 や 地 磁 気 3 成 分 観 測 を 実 施 している 場 所 なので,この 条 件 には 適 している 図 -3 観 測 点 配 置 図 図 中 のMizusawa は 水 沢 測 地 観 測 所 を,Esashi は 江 刺 観 測 場 の 位 置 をそれぞれ 示 している なお, 両 観 測 点 は 約 2km 離 れている 3.2 データ 取 得 システム 水 沢 および 江 刺 それぞれの 観 測 点 では, 磁 場 3 成 分 ( 水 平 2 成 分 と 鉛 直 成 分 ), 電 場 2 成 分 ( 水 平 2 成 分 ) の 合 計 5 成 分 データを,32Hz から.55Hz( 周 期 18 秒 )にわたる 帯 域 で, 毎 日 23 時 間 3 分 にわたり 連 続 的 に 計 測 をしている( 図 -2) なお 観 測 には,カ ナダフェニックス 社 製 V5 測 定 システムを 基 本 とした M T 固 定 連 続 観 測 装 置 を 採 用 し て い る ( Phoenix Geophysics,1997) 機 器 設 置 当 時 は, 世 界 で 初 めての 連 続 観 測 装 置 であった 磁 場 はインダクション 磁 力 計 で 測 定 し, 電 場 はおよそ m 離 れた 電 極 間 の 電 位 差 から 求 める( 写 真 1-1, 写 真 1-2) 表 -1には, 測 定 機 器 のシリアルナンバー, 電 極 間 隔 および 磁 北 からの 回 転 角 度 を 記 した 電 位 線 は 設 置 場 所 の 土 地 の 制 約 により, 必 ずしも 図 -2に 示 した ように 磁 北 方 向 と,それと 直 交 する 方 向 に 埋 設 できるわ けではない そこで, 水 沢 測 地 観 測 所 では 測 定 座 標 系 を 磁 北 から 西 へ 35 度 ずらした 方 向 と,それに 直 交 した 方 向 との2 測 線 において 電 位 差 観 測 を 行 っている この 角 度 を, 磁 北 からの 回 転 角 度 と 表 記 した そして 実 際 のデー タ 解 析 の 際 には, 座 標 変 換 により 磁 北 方 向 で 計 測 した 値 に 換 算 してデータ 処 理 を 進 めている 電 位 電 極 とインダクション 磁 力 計 によって 検 出 され た 信 号 は,ピット 内 に 埋 設 されたSPV5に 入 力 され, ここで 増 幅,バンドパスフィルターによってフィルタ リング 処 理 された 後, 埋 設 ケーブルを 通 して, 観 測 所 施 設 内 のV5データ 取 得 処 理 装 置 に 入 力 される( 写 真 -2-1, 写 真 -2-2) V5に 入 力 された 信 号 は,

3 25 写 真 -1-1 江 刺 観 測 場 構 内 の 磁 場 センサーコイル を 埋 設 しているピット 収 納 ピットは 無 筋 コンクリート 造 りで, 内 面 には 防 水 用 モルタルを 施 工 の 上 さらに 断 熱 用 発 砲 スチロールを 内 張 りしている 写 真 -2-1 江 刺 観 測 場 構 内 のSPV5の 設 置 状 況 写 真 -1-2 上 図 ( 写 真 -1-1)ピット 内 に 設 置 しているインダクション 磁 力 計 表 -1 観 測 機 器 のシリアルナンバーおよび 電 極 間 隔 江 刺 観 測 場 水 沢 測 地 観 測 所 V5 シリアルナンバー V5662 V5661 SPV5 シリアルナンバー B9656 B9655 Hx 磁 力 計 シリアルナンバー 磁 北 からの 回 転 角 度. deg deg. Hy 磁 力 計 シリアルナンバー Hz 磁 力 計 シリアルナンバー Ex 電 極 間 隔. m. m 磁 北 からの 回 転 角 度. deg deg. Ey 電 極 間. m. m 16 ビット AD で 数 値 返 還 され,GPS 同 期 の 時 刻 信 号 によって 時 系 列 処 理 される そのデータは,V5 内 部 メモリ/データ 取 得 用 のPCを 介 して, 外 付 けハードディスクに 記 録 さ れる( 写 真 -2-2) このようにして, 水 沢 測 地 観 測 所 および 江 刺 観 測 場 においてそれぞれデータの 取 得 を している 次 にデータ 取 得 システム 全 体 を 説 明 するため, 図 - 写 真 -2-2 江 刺 観 測 場 施 設 内 に 設 置 しているV5 本 体 ( 下 部 )と,データ 取 得 用 のパソ コンおよび 外 付 けハードディスク( 上 部 ) 4にシステム 構 成 図 を 示 す 江 刺 で 取 得 した 時 系 列 デ ータは,1 時 間 ごとに 水 沢 のデータ 処 理 用 メインPCに 自 動 的 に 電 話 回 線 を 介 して 転 送 される 同 時 に, 水 沢 のデータ 取 得 用 PCに 収 録 した 時 系 列 データもデータ 処 理 用 メインPCに 転 送 される 図 -4の es*****.hdr, es*****.tsh, es*****.tsl は 江 刺 の 時 系 列 データを, mi*****.hdr, mi*****.tsh, mi*****.tsl は 水 沢 の 時 系 列 データを 表 している 各 ファイルの*****には, 日 付 と 時 刻 が 記 録 される なお,それぞれの 観 測 点 における 1 日 分 のデータ 容 量 は, 約 6Mbyte である GPSによって 同 期 された 両 観 測 点 の 時 系 列 データは, ローカルノイズを 除 去 するため,リモートレファレンス 処 理 を 施 し,クロスパワーデータとしてファイルに 記 録 する (Goubau et al.,1984) ここで 作 成 されるファイルは 4 種 類 あり,es***24a.mt, es***24e.mt( 江 刺 の 一 次 処 理 結 果 ファイル),mi***24a.mt, mi***24e.mt( 水 沢 の 一 次 処 理 結 果 ファイル)である それぞれのファイル 末 尾 の a はシ ングルサイト 処 理 結 果,e は 結 果 を 示 している また, 各 ファイルの***には 日 付 が 記 録 される ファイルの 容 量 は,1 日 分 でそれぞれ 6Kbyte

4 26 図 -4 データ 取 得 システム 構 成 図 である つくば( 本 院 )では,データ 転 送 のための 回 線 が 細 いため, 一 次 処 理 結 果 ファイルからさらに 最 低 限 の 情 報 だけ 抜 き 出 したファイル(mtparm.dat, dcparm.dat)のみを 吸 い 上 げて, 毎 日 モニターしている なお,このファイルのデー タ 容 量 は,2つ 合 わせて1 日 分 で 1Mbyte である このように, 電 磁 場 データは 水 沢 測 地 観 測 所 施 設 内 のメイ ンPCで 一 括 して 収 録 できるようになっている 従 って 現 在, 測 定 機 器 のメンテナンスのみならず, 日 々のデータのバック アップ 作 業, 大 学 や 他 研 究 機 関 からのデータ 提 供 依 頼 の 対 応 は, 水 沢 測 地 観 測 所 が 行 っている 4.データ 処 理 および 結 果 4.1 探 査 曲 線 の 特 徴 とデータクオリティー 得 られた 自 然 の 電 磁 場 データは,ランダムな 時 系 列 デー タである これらを 周 波 数 解 析 することにより, 広 帯 域 に わたる 周 波 数 範 囲 での 電 磁 場 の 比 (インピーダンス)を 算 出 することができる すなわちインピーダンスとは,2 章 で 記 述 した(2) 式 および(3) 式 の 右 辺 に 対 応 し,それ ぞれ 周 波 数 の 関 数 として 求 めることができる また,ここ で 見 掛 け 比 抵 抗 と 同 時 に, 電 場 と 磁 場 との 位 相 ずれ, 位 相 差 も 計 算 できる 本 節 では,このようにして 計 算 された, 水 沢 と 江 刺 両 観 測 点 での 見 掛 け 比 抵 抗 および 位 相 差 曲 線 の 特 徴 とそのクオリティーについて 述 べる 図 -5-1には, によって 得 られた, 水 沢 における 見 掛 け 比 抵 抗 曲 線 と 位 相 差 曲 線 を, 図 -5-2には によって 得 られた, 同 所 の 見 掛 け 比 抵 抗 曲 線 と 位 相 差 曲 線 を 示 す 両 図 とも 比 較 的 エラーバーの 小 さな 日 を 選 んでプロットしている 見 掛 け 比 抵 抗 曲 線 に 着 目 すると, 水 沢 で 取 得 されるデータは, 普 段 は.1Hz-.1Hz( 周 期 1 秒 - 秒 )の 帯 域 ではこ れよりもさらにクオリィティーが 落 ちる また 定 常 的 に 高 周 波 帯,1Hz ぐらいまではエラーバーが 大 きい 全 体 的 には, 見 掛 け 比 抵 抗 の yx 成 分 はエラーバーが 小 さいが, xy 成 分 では 大 きいという 特 徴 がある ノイズの 原 因 は 特 定 できないが, 水 沢 測 地 観 測 所 は 東 北 新 幹 線 にかなり 近 い ところに 位 置 するため,これが 原 因 のひとつではないかと 考 えられる 図 -5-1に 示 した 時 系 列 データに 対 して, 観 測 点 近 傍 のローカルノイズを 除 去 し,データクオリィテ ィーを 高 めるため, 江 刺 の 磁 場 データを 使 用 し,リモート レファレンス 処 理 を 施 した 結 果 が 図 -5-2である (Goubau et al.,1984) とは, 2つの 観 測 点 における 磁 場 変 動 は 同 一 であるという 仮 定 のもとに, 互 いの 磁 場 データ 間 での 相 関 を 求 め,コヒーレ ントなデータのみシグナルと 見 なしてインピーダンスを 計 算 するという 手 法 である 図 -3に 示 したように, 両 観 測 点 は 約 2km と 比 較 的 近 い 距 離 に 位 置 しているため, 前 述 の 仮 定 は 成 り 立 つと 見 なすことができる 図 -5-1の 1Hz までの 高 周 波 のデータと 比 較 すると,エラーバーが かなり 小 さくなり, 探 査 曲 線 もスムーズにつながるように なっている しかしながら,.1Hz-.1Hz( 周 期 秒 - 秒 )の 帯 域 では,ほとんど 改 善 が 見 られない このことから, 江 刺 観 測 場 の 磁 場 データを 使 いリモートレ ファレンス 処 理 を 施 しても,もともとノイズレベルの 高 い 水 沢 のデータに 対 しては,これ 以 上 改 善 できないことを 意 味 している

5 27 (a) 見 掛 け 比 抵 抗 曲 線 (a) 見 掛 け 比 抵 抗 曲 線 (b) 位 相 差 曲 線 図 -5-1 によって 得 られた 水 沢 の (a) 見 掛 け 比 抵 抗 曲 線 および(b) 位 相 差 曲 線 (b) 位 相 差 曲 線 図 -6-1 によって 得 られた 江 刺 の (a) 見 掛 け 比 抵 抗 曲 線 および(b) 位 相 差 曲 線 (a) 見 掛 け 比 抵 抗 曲 線 (a) 見 掛 け 比 抵 抗 曲 線 (b) 位 相 差 曲 線 図 -5-2 によって 得 られた (a) 見 掛 け 比 抵 抗 曲 線 および(b) 位 相 差 曲 線 には, 江 刺 の 磁 場 を 用 いている 次 に 図 -6-1には, によって 得 ら れた, 江 刺 における 見 掛 け 比 抵 抗 曲 線 と 位 相 差 曲 線 を, 図 -6-2には によって 得 られ た, 同 場 の 見 掛 け 比 抵 抗 曲 線 と 位 相 差 曲 線 を 示 す これも 比 較 的 エラーバーの 小 さな 日 を 選 んでプロットしたもの である 江 刺 の 探 査 曲 線 は, 普 段 は 長 周 期 側 ( 周 期 1 秒 以 上 )では 図 -6-1よりもややクオリィティーが 落 ちる また 定 常 的 に, 高 周 波 2 周 波 と,1Hz から.1Hz( 周 期 1 秒 から 1 秒 )まではエラーバーが 少 し 大 きい 傾 向 にある しかし, 全 体 的 に 見 るときれいなデータが 得 られている (b) 位 相 差 曲 線 図 -6-2 によって 得 られた (a) 見 掛 け 比 抵 抗 曲 線 および(b) 位 相 差 曲 線 には, 水 沢 の 磁 場 を 用 いている 図 -6-1 に 示 した 時 系 列 データに 対 しても, 水 沢 の 磁 場 データを 使 用 し, を 施 した そ の 結 果 が 図 -6-2である 図 -6-1の 1Hz-.1Hz( 周 期 1 秒 から 1 秒 )の 帯 域 のデータと 比 較 すると,エラー バーがかなり 小 さくなっており,さらに 探 査 曲 線 もスムー ズにつながるようになっている このことから, 水 沢 の 磁 場 データはそれほど 高 いクオリィティーを 持 っているわ けではないが, には 有 効 である ことを 示 していることがわかる

6 見 掛 け 比 抵 抗 および 位 相 差 の 時 間 変 化 4.1 節 で 述 べたように, 水 沢 で 取 得 しているデータ は, 人 工 ノイズの 影 響 により,リモートレファレンス 処 理 を 適 用 しても,データのクオリィティーを 向 上 させる ことができないことがわかった そこで,ここでは 江 刺 におけるデータにのみ 着 目 することにする 図 -7および 図 -8に,3つの 周 波 数 (7.5Hz,.234Hz,.879Hz)に 対 する,1997 年 から 21 年 まで の5 年 間 分 の 見 掛 け 比 抵 抗 の 時 間 変 化 と, 位 相 差 の 時 間 変 化 についてプロットした 図 を 示 す 7.5Hz はシューマン 共 振 帯 域,.234Hz と.879Hz は Pc 変 動 帯 域 で,それ ぞれ 信 号 強 度 が 大 きい 周 波 数 であることから,まずはこ の3つの 周 波 数 を 選 んだ なお,データが 途 切 れている のは, 機 器 トラブルやその 他 の 理 由 により, 欠 測 してい るため 処 理 ができなかった 期 間 である 各 周 波 数 に 対 する 見 掛 け 比 抵 抗 および 位 相 差 に 共 通 し て, の 結 果 よりも,リモートレファ レンス 処 理 をした 結 果 の 方 が,データのばらつきは 明 ら かに 小 さい 図 -7に 着 目 すると,3つの 周 波 数 に 共 通 して yx 成 分 の 見 掛 け 比 抵 抗 が 1998 年 に 一 度 減 少 し,そ の 後 は 緩 やかに 増 加 していく 傾 向 が 見 られる 一 方,xy 成 分 の 見 掛 け 比 抵 抗 は1998 年 に 一 度 減 少 する 傾 向 は 同 様 であるが,その 後 はわずかではあるが 緩 やかに 減 少 して いるように 見 える しかしながら, 図 -8の 位 相 差 には それに 対 応 する 変 化 は 見 られない また,7.5Hz の 見 掛 け 比 抵 抗 の 時 間 変 化 ( 図 -7(a))を 見 ると, 欠 測 が 多 くは っきりしたことは 言 えないが, 前 述 した 長 周 期 変 動 の 上 に, 短 周 期 の 年 周 変 化 のようなものが 重 なっているよう に 見 える 図 示 していないが, 降 水 量 の 変 化 と 対 比 して みたが, 三 品 (1995)で 示 されているような, 両 者 の 間 にはっきりとした 相 関 が 認 められるわけではなかった 5. 考 察 5.1 見 掛 け 比 抵 抗 の 時 間 変 化 に 伴 う 変 動 前 章 4.2 節 で 述 べた2つの 特 徴 について,ここでは 考 察 を 試 みることにする (a)1998 年 からの 見 掛 け 比 抵 抗 (yx 成 分 )の 増 加 1998 年 から3つの 周 波 数 に 共 通 して, yx 成 分 の 見 掛 け 比 抵 抗 の 増 加 が 見 られる 特 に 周 期.234Hz では, 顕 著 である をしたとは 言 え, まだデータのばらつきは 大 きいが,この 増 加 傾 向 は 有 意 であると 考 えられる 解 釈 のひとつとして, 地 下 の 比 抵 抗 構 造 が 変 化 したという 見 方 ができる 大 地 を 一 様 均 質 Ω mと 仮 定 した 場 合,.234Hz の 探 査 深 度 はおよそ の 目 安 として 深 さ 3kmである 実 際 はもっと 浅 いと 考 えられるが,この 深 さはちょうど 下 部 地 殻 付 近 に 相 当 す る 東 北 日 本 弧 の 前 弧 側 下 部 地 殻 は 高 比 抵 抗 であるとい う 報 告 があることから,これが 太 平 洋 プレートの 沈 み 込 みに 伴 う 歪 みの 蓄 積 により,さらに 増 加 する 傾 向 を 示 し ているとも 考 えられる しかしながら 一 方, 位 相 には, この 増 加 傾 向 と 対 応 するような 変 化 が 見 られていない 位 相 は 変 化 せず, 見 掛 け 比 抵 抗 だけ 変 化 する,すなわち MT 法 固 有 の 問 題 である スタティックシフト の 時 間 変 化 を 見 ているだけに 過 ぎないかも 知 れない スタティ ックシフトとは, 浅 部 の 局 所 的 な 比 抵 抗 異 常 あるいは 急 峻 な 地 形 の 影 響 により,その 構 造 境 界 に 電 荷 が 蓄 積 し, この 電 荷 の 作 る 場 が 常 に 電 場 に 影 響 を 与 え, 見 掛 け 比 抵 抗 曲 線 が 対 数 軸 上 のグラフで 上 下 してしまう 現 象 である つまり, 図 -6-2(a)の 見 掛 け 比 抵 抗 曲 線 が, 曲 線 の 形 はそのままで,あるオフセット 値 を 持 ちグラフ 上 で 上 下 方 向 に 動 いてしまうことである 従 って, 浅 部 の 不 均 質 構 造 が 時 間 とともに 変 化 することで, 探 査 曲 線 全 体 が 上 下 方 向 に 変 化 し,この 変 動 を 見 ているだけかも 知 れない しかし,いずれにしても 現 段 階 では 根 拠 がないので,こ れ 以 上 の 議 論 はできない (b)7.5hz の 見 掛 け 比 抵 抗 の 短 周 期 変 動 7.5Hz の 見 掛 け 比 抵 抗 の 時 間 変 化 ( 図 -7(a))には, 短 周 期 の 年 周 変 化 成 分 のようなものが, 顕 著 に 見 られる 季 節 による 周 期 的 な 年 周 変 化 であるかどうかを 調 べるた めに,このデータを 1 年 ごとに 区 切 り,5 年 間 分 のデータ を 同 じ 時 間 軸 上 に 重 ねてプロットしてみた その 結 果, 一 見 周 期 的 な 季 節 変 動 をしているように 見 えたが, 実 は 年 に よって 変 動 の 仕 方 はまちまちであり, 不 規 則 なものであっ た 今 のところ 原 因 は 特 定 できていないが, 信 号 源 として いる 電 磁 波 の 強 度 の 変 化 に 対 応 しているのかも 知 れない 5.2 地 震 活 動 に 伴 う 見 掛 け 比 抵 抗 変 化 検 出 の 可 能 性 自 然 の 電 磁 波 を 使 ったMT 観 測 は, 近 年 測 定 機 器 の 精 度 が 向 上 したことに 加 え,データ 解 析 手 法 が 急 速 に 進 歩 した ことにより, 地 殻 構 造 を 推 定 する 有 力 な 方 法 になってきた MT 観 測 から 得 られる 比 抵 抗 は, 地 殻 内 の 流 体 すなわち 水 の 分 布 に 対 して, 極 めて 敏 感 な 物 理 量 である 従 って, 内 陸 地 震 発 生 に 強 く 関 与 している 地 殻 内 の 水 の 存 在 を 把 握 するため, 地 震 断 層 や 活 断 層 とその 周 辺 部 における 構 造 調 査 がいくつかの 地 域 でなされるようになってきた( 例 え ば,Ogawa et al.,21;mitsuhata et al.,21) その 結 果,2つの 研 究 例 に 共 通 して,(1) 地 殻 中 部 に 顕 著 な 低 比 抵 抗 異 常 が 存 在 すること,(2) 地 震 の 震 源 は, 低 比 抵 抗 / 高 比 抵 抗 の 境 界 の 特 に 高 比 抵 抗 側 に 多 く 分 布 している, という 特 徴 が 見 出 された 前 者 は, 地 震 波 の 低 速 度 域 や 散 乱 体 の 分 布 などとも 調 和 的 なことから, 水 の 存 在 と 考 える ことができる 後 者 は, 地 殻 内 の 歪 みにより 岩 石 の 空 隙 率 が 減 少 するため, 地 震 が 高 比 抵 抗 側 で 発 生 しているという 解 釈 もできる このように 地 殻 の 比 抵 抗 構 造 を 調 べること は, 水 の 分 布 を 知 ることができるだけでなく,さらに 歪 場 や 地 震 発 生 場 の 性 質 をつかむことができる しかしながら, 上 述 した 特 徴 は,ある 時 間 での 比 抵 抗 構 造 から 言 えることであり, 時 間 変 化 についての 情 報 は 含 まれていない 従 って, 地 震 活 動 に 対 応 した 比 抵 抗 変 化 を 検 出 するためには, 長 期 にわたる 連 続 観 測 が 必 要 である 例 えば, Yukutake et al.(199)は, 火 山 噴 火 のモニタリ ングのため, 直 流 電 気 探 査 法 による 比 抵 抗 の 繰 り 返 し 観 測

7 29 (a)7.5hz (b).234hz (c).879hz 図 -7 江 刺 観 測 場 における 見 掛 け 比 抵 抗 の 時 間 変 化 (1997 年 -21 年 ) 図 中 の 赤 丸 は xy 成 分 を, 青 丸 は yx 成 分 を 示 している

8 (a)7.5hz (b).234hz (c).879hz 図 -8 江 刺 観 測 場 における 位 相 差 の 時 間 変 化 (1997 年 -21 年 ) 図 中 の 赤 丸 は xy 成 分 を, 青 丸 は yx 成 分 を 示 している

9 31 を 行 っている 火 山 地 域 では, 現 象 が 地 下 浅 部 で 起 こって いること, 地 殻 の 比 抵 抗 とマグマの 比 抵 抗 とではコントラ ストが 非 常 に 大 きいことから, 地 表 で 観 測 できる 変 化 量 も 2%-3%と 比 較 的 大 きい 一 方, 地 震 活 動 のモニタリン グを 目 的 にした 場 合 は, 現 象 が 地 下 1km 前 後 と 深 い 場 所 で 起 こっているので, 地 表 で 観 測 できる 変 化 量 は 火 山 地 域 での 例 と 比 較 すると,さらに 低 くなることが 予 想 される Fujiwara et al.(1999)は, 江 刺 のMTデータを 使 った 解 析 結 果 から,1996 年 8 月 11 日 に 発 生 した M5.9 の 地 震 後 の 見 掛 け 比 抵 抗 が, 発 生 前 のそれと 比 較 して 3% 減 少 した という 事 例 を 報 告 した しかし,この 地 震 発 生 前 後 数 ヶ 月 間 にわたり 機 器 トラブルで 欠 測 を 生 じていること, 地 表 で 3%の 比 抵 抗 変 化 を 検 知 するには, 地 下 で 相 当 大 きな 比 抵 抗 構 造 変 化 がないと 説 明 ができないことから,この 変 化 に ついては 検 討 の 余 地 が 残 る ここで 図 -9に, 図 -7で 示 した 見 掛 け 比 抵 抗 の 時 間 変 化 を 観 測 開 始 時 点 の 値 を 基 準 として, 規 格 化 し 割 合 で 表 示 したグラフを 示 す なお, 図 は(a)7.5Hz を 除 きすべてリモ ートレファレンス 処 理 した 結 果 である データの 分 散 は,7.5Hz で 3%,.234Hz で 5%,.879Hz では 4% 持 つことがわかる この 原 因 のひとつには, 各 周 波 数 ともに 1 日 の 代 表 値 を 求 めるにあたり,24 時 間 分 の 時 系 列 データ を 使 って 計 算 していることが 考 えられる このばらつきを 低 くするためには, 夜 間 値 だけを 使 う, 周 波 数 領 域 での 平 滑 化 スタッキングなどの 処 理 が 必 要 である 定 量 的 な 議 論 はできないが, 少 なくても 現 状 の 3 分 の 1 程 度 にばらつ きを 抑 えることができれば, 地 震 活 動 のモニタリングに 有 用 であると 考 えている 6. 結 論 地 震 活 動 や 地 殻 変 動 と 関 連 した 比 抵 抗 変 化 を 検 出 する 目 的 として, 水 沢 測 地 観 測 所 および 江 刺 観 測 場 に 広 帯 域 M T 固 定 連 続 観 測 装 置 を 設 置 し,1996 年 4 月 から 見 掛 け 比 抵 抗 の 連 続 観 測 を 実 施 してきた 観 測 期 間 中 に 両 観 測 点 周 辺 において 地 震 活 動 や 大 きな 地 殻 変 動 がなかったので, 本 来 の 目 的 を 議 論 することはできなかった しかしながら, 長 期 にわたる 比 抵 抗 モニタリングにおけるデータの 安 定 性 を 議 論 するには, 十 分 なデータが 取 得 されているので, 本 報 告 ではこの 点 について 主 に 考 察 を 試 みた その 結 果, 以 下 の 知 見 が 得 られた (1) の 有 効 性 江 刺 観 測 場 で 取 得 された 時 系 列 データに 対 して, 水 沢 測 地 観 測 所 で 取 得 されている 磁 場 データを 使 ったリモート レファレンス 処 理 は 有 効 である しかしながら, 水 沢 測 地 観 測 所 の 時 系 列 データに 対 して, 江 刺 観 測 場 の 磁 場 データ を 使 っても,ほとんど 効 果 はない (2) 見 掛 け 比 抵 抗 値 の 時 間 変 化 江 刺 観 測 場 における 見 掛 け 比 抵 抗 のデータに 着 目 すると, 7.5Hz,.234Hz,.879Hz の3つの 周 波 数 に 共 通 して, yx 成 分 が1998 年 3 月 から 緩 やかに 増 加 する 傾 向 が 見 られた xy 成 分 については,7.5Hz および.234Hz ではわすかに Apparent resistivity (Ratio) Apparent resistivity (Ratio) Apparent resistivity (Ratio) Apparent resistivity (Ratio) (a)7.5hz (b).234hz (c).879hz 図 -9 江 刺 観 測 場 における 見 掛 け 比 抵 抗 の 時 間 変 化 率 (1997 年 -21 年 ) 図 中 の 赤 丸 は xy 成 分 を, 青 丸 は yx 成 分 を 示 している 減 少 する 傾 向 が 認 められるが,.879Hz ではほとんど 変 化 が 見 られなかった ただし, 位 相 には,これらに 対 応 するような 変 化 は 見 られなかった 7.5Hz では 長 期 的 な 変 動 の 上 に,さらに 短 周 期 変 動 が 重 なって 見 られた この 原 因 については 現 在 までのところまだわかっていない (3) 見 掛 け 比 抵 抗 の 安 定 性 1998 年 から 21 年 までの 4 年 間 のリモートレファレン ス 処 理 を 施 した 江 刺 観 測 場 のデータに 着 目 すると,7.5Hz では 3%,.234Hz では 5%,.879Hz では 4%の 分 散 を 示 すことがわかった この 原 因 のひとつには, 各 周 波 数 ともに 1 日 の 代 表 値 を 求 めるにあたり,24 時 間 分 の 時 系 列 データを 使 って 計 算 していることが 考 えられる 今 後,

10 32 夜 間 値 のみのデータを 使 った 結 果 で, 評 価 していく 必 要 が ある 平 成 14 年 度 中 に 現 行 のV5 測 定 システムからMTU5 測 定 システムへと 機 器 更 新 することに 伴 い,より 精 度 の 高 いデータ 取 得 が 可 能 になることが 期 待 される さらに 将 来 的 には, 人 工 ノイズの 影 響 が 大 きい 水 沢 測 地 観 測 所 から, 内 陸 地 震 発 生 領 域 への 機 器 の 移 設 が 予 定 されている これ により, 地 震 活 動 や 地 殻 変 動 と 関 連 した 比 抵 抗 変 化 を 検 出 する という 本 来 の 研 究 目 的 に 沿 った 観 測 の 実 現 が 可 能 になる 引 き 続 き,MT 法 による 地 殻 比 抵 抗 モニタリング を 行 い,データ 解 析 を 進 めていく 予 定 である 謝 辞 測 定 機 器 の 設 置 やメンテナンスに 際 し, 日 鉄 鉱 コンサル タント 株 式 会 社 横 井 浩 一 氏,カナダフェニックス 社 山 下 実 氏 および 同 社 技 術 者 の 方 々には, 多 大 な 御 協 力 を 頂 い た また, 神 戸 大 学 理 学 部 藤 田 清 士 博 士 および 東 京 都 総 務 局 笹 井 洋 一 博 士 にはデータ 処 理 結 果 について 御 議 論 を して 頂 いた 本 報 告 は 平 成 14 年 度 京 都 大 学 防 災 研 究 所 研 究 集 会 ( 一 般 )14K-8 地 震 発 生 域 及 びその 周 辺 の 電 気 伝 導 度 構 造 の 研 究 において, 発 表 した 内 容 をまとめたもの である このように 本 論 をまとめる 機 会 を 与 えていただい た, 研 究 代 表 者 の 神 戸 大 学 理 学 部 山 口 覚 博 士, 京 都 大 学 防 災 研 究 所 大 志 万 直 人 博 士 には, 心 より 謝 意 を 表 します 参 考 文 献 浅 野 陽 一 海 野 徳 仁 中 村 綾 子 岡 田 知 己 堀 修 一 郎 河 野 俊 夫 仁 田 交 市 佐 藤 俊 也 長 谷 川 昭 小 菅 正 長 谷 見 晶 子 (1999): DAT アレイ 地 震 観 測 による 奥 羽 脊 梁 山 地 およびその 周 辺 における 地 震 波 散 乱 体 分 布 の 推 定, 地 震 2,52, Archie, G.E.(1942): The electrical resistivity log as an aid in determining some reservoir characteristics, Trans. AIMe, 146, Cagniard, C.(1953): Basic theory the magnetotelluric method of geophysical prospecting, Geophysics,, Fujiwara, S., T.Kadowaki and H.Hamazaki(1999): Monitoring changes of the Earth s electrical resistivity for earthquake and crustarl activity research, Bull.Geograph.Surv.Inst.,, Goubau, W.M., P.M.Maxton, R.H.Koch and J.Clarke(1984): Noise correlation lengths in remote reference magnetotellurics, Geophysics, 49, 三 品 正 明 (1995):ネットワークMTデータに 含 まれる 電 車 漏 洩 電 流 ノイズの 振 幅 変 化 について,CA 研 究 会 1995 年 論 文 集, Mitsuhata, Y., Y.Ogawa, M.Mishina, T.Kono, T.Yokokura and T.Uchida(21): Electromagnetic heterogeneity of the seismic region of 1962 M6.5 Northern Miyagi Earthquake, northeastern Japan, Geophys.Res.Cett., 28, Nakajima, J., T.Matsuzawa, A.Hasegawa and D.Zhao(21): Seismic imaging of arc magma and fluids under the central part of northeastern Japan, 341, Ogawa, Y., M.Mishina, T.Goto, H.Satoh, N.Oshiman, T.Kasaya, Y.Takahashi, T.Nishitani, S.Sakanaka, M.Uyeshima, Y.Takahashi, Y.Honkura and M.Matsushima(21): Magnetotelluric imaging of fluid in intraplate earthquake zone, NE Japan back arc, Geophys.Res.Cett., 28, Phoenix Geophysics(1997): Stationary MT monitoring system for earthquake research installed for the Geographical Survey Institute, Phoenix Tech. Rept., Phoenix Geophysics, Tronto, 1, 1-4. Yukutake, T., T.Yoshino, H.Utada, H.Watanabe, Y.Hamano and T.Shimomura(199): Changes in the electrical resistivity of the central cone, Mihara-yama of Oshima volcano observed by a direct current method, J.Geomag.Geoelectr., 42,

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