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地盤の3次元的動きを捉える

地震は、地球を構成しているプレートが地下の深いところで互いに変動する過程で起きます。これを地殻変動といいます。地震が起きれば地殻も動きます。地震は浅い時で10~20km、深い時は100km以深にもなります。浅いところで起きる地震ほど被害が大きくなります。地震が起こる前に地殻の微小な変動が起こることがわかってきました。地殻変動は水平方向にも鉛直方向にも地層に沿って斜めにも動きます。つまり3次元的に動きます。大地震ほど3次元的に動くこともわかってきました。
今まで地震の現象を観測する方法として地震計が使われてきました。地震計は地震波の波動を観測するため、地球重心を基準にしたグローバルな三次元的な動きを正確にXYZとして捉えているわけではありません。

1993年以降、国土地理院は地殻変動を観測する目的でGNSS(global Navigation Satellite Systemの略)を用いた電子基準点を全国に配備することになりました。以前はアメリカのGPSのみでしたが現在はロシアのGLONASS及び日本の準天頂衛星の3つの衛星測位を用いてGNSSと改称されました。世界に類を見ない素晴らしい観測システムです。図1左のように、高さ5mの固定されたGNSS受信局(電子基準点と呼びます)が全国に約1300箇所設置されています(図1右参照)。一方、密度も個数も少ないですが世界中にIGS観測点網(IGS;International GNSS Service)があり、世界のプレート変動等を追跡しています。1週間単位のデータが無料で利用できます。図2は世界のIGS観測点網を示します。

図1左 電子基準点           図1右 電子基準点配置図  国土地理院ホームページより  
図1左 電子基準点           図1右 電子基準点配置図  国土地理院ホームページより  
図2 世界のIGS観測地点網          図3 地球中心座標系     IGSホームページより            国土地理院ホームページより
図2 世界のIGS観測地点網          図3 地球中心座標系     IGSホームページより            国土地理院ホームページより

これらのGNSS基準点では、地球の重心を原点とする地球中心座標系(図3参照)で表されたX、Y、Zの三次元の座標または緯度、経度、楕円体高を30秒間隔に観測しています。観測の精度はセンチオーダーと言われております。電子基準点の密度は高いので全国どこでもデータを利用できる強みがあります。
この電子基準点の座標の動きは地殻変動を表すものと期待できます。ただし電子基準点の座標データには様々な雑音が含まれます。例えば、GNSSのデータは大気を通じて地表のアンテナで受信されるため大気の水蒸気や電離層の影響なども受けます。地球は季節、時刻により温度などが異なりますから季節変動または時間変動が起きます。アンテナへの積雪、周囲樹木の繁殖、電子基準点のアンテナや受信機交換等で地殻変動とは異なる変動または誤差を生じることもあります。つまり電子基準点の座標の動き、イコール地殻変動ではありません。しかし、これらの雑音を可能な限り除去すると、地殻の3次元的変動を全国にわたって連続的に観測できます。日本ほど密に電子基準点を配置している国はほかにはありません。
そこでこの電子基準点のX、Y、Zの3次元の座標値の日々の変化量を用い、過去に起きたマグニチュード6以上の地震162個に対して、電子基準点3点を結ぶ三角形の面積変動を追跡し、地震の前に何らかの前兆現象(地震が起こる前の地殻の微小な変動)が起きていたか否かをチェックしました。すべての地震に前兆現象が見られました。数日前から2ヶ月前くらいの範囲で前兆現象(面積の異常変動)が認められました。しかし震源が著しく深い場合(およそ50km以深)は、GNSSの電子基準点の動きに前兆が現れないこともあります。またマグニチュードの値が大きくても大きな被害が生じるとは限らないなど地震予測に関してはまだまだ未知の分野であることを理解して頂きたいと思います。
前兆現象をよりよく捉えるためには電子基準点のどのデータを利用するかが問題になります。当社では様々な指標と地震発生の相関分析を試みた結果、楕円体高の変動が一番敏感に地震の予測に関係することを突き止めました。楕円体高を使用する際には主に二つの指標を使っています。一つ目は1週間以内の最大値と最小値の差を短期予測に使います。二つ目は2年前に比較してどれだけ隆起したかまたは沈降したかの中長期的な変動を使います。

そして更に楕円体高だけではなくXVZの3次元解析を行うことにより日本の今の地殻の状態が分かってきました。どの地域がどの方向にどんなスピードで動いているかが分かるとどこに歪みが溜まっているかが分かります。

これらの複数の予測方法によって地震を予測しています。

前兆現象が現れてから正確に何日後に地震が起きるとはまだ予測できません。数週間から数か月の開きがあります。
地震予測は100%確立していませんが、少しでも地震や津波の被害から人々の命や財産を守りたいという動機から、JESEAは国土地理院の電子基準点のデータの様々な誤差要因を除去した地殻変動に関する情報を用いて、過去の地震の発生日時、震源の位置や深さ、マグニチュード、震度、被害の程度などとの相関解析を行い、前兆現象が見られた電子基準点を地図に表し、地震予測に関する情報をサービスしています。

JESEAの地震予測は、震源の位置やマグニチュードを予測するものではなく、震度5以上の地震の発生場所を予測します。つまり一番揺れるところを予測するものです。


【画像出典】
※図1 国土地理院 電子基準点とは
http://terras.gsi.go.jp/gps/gps-based_control_station.html
※図2 NASA IGS Tracking Network
http://igscb.jpl.nasa.gov/network/complete.html
※図3 国土地理院 座標系
http://vldb.gsi.go.jp/sokuchi/datum/tokyodatum.html
【参考】
日本測量協会:「GPS精密解析情報提供サービス」のご案内
http://www.jsurvey.jp/gpass/crustal_movement.htm