地震発生時に海底水圧計が記録する水圧変動を解明
―重錘形圧力天びんが海底観測データを再現―

１. 概要

国立研究開発法人海洋研究開発機構（理事長 平 朝彦、以下「JAMSTEC」という。）地震津波海域観測研究開発センターの松本浩幸技術研究員らは、重錘形圧力天びん（※1）が地震発生時の水圧変動を再現することに着目し、沖合の海底水圧計が地震発生時に記録する水圧変動を解明しました。

2017年11月16日18時43分頃に八丈島東方沖でMw5.8の地震が発生し（図1）、JAMSTECがこれまで設置してきた長期孔内観測システム（※2、南海トラフ）や深海総合観測総合ステーション（相模湾初島沖）によって観測データが得られました。（図2）。また偶然にも、地震発生時にJAMSTEC横須賀本部では、海底水圧計や広帯域地震計等の評価試験（室内実験）を行っており、実験室環境において観測データを得ることができました（図3）。

そこで、海底現場（長期孔内観測システムの海底水圧計）で記録されたデータと、重錘形圧力天びんに接続された海底水圧計で記録されたデータを精査したところ、両データとも圧力変動と地動の特徴が一致しました（図2、4）。これは地震発生時に海底水圧計が記録する水圧変動は、海底水圧計の真上にある水塊に作用する加速度と一致することを意味します。また重錘形圧力天びんが再現した圧力変動の特徴は、室内実験での圧力条件に近い相模湾初島沖「深海底総合観測ステーション」の海底水圧計でも確認できました（図5）。さらに長年の不明点であった、地震発生時における海底水圧計内部の振動ノイズは記録されていないことを裏付けました。

現在、日本の周辺海域には海底水圧計が展開されており、津波警報の更新や津波観測情報の発表等に活用されています。今回得られた知見を、地震発生時に海底水圧計が記録する水圧擾乱（津波に比べて大振幅の水圧変動）を除去するデータ処理方法へ応用し、津波予測の高精度化に役立てていく予定です。本成果は、海底水圧計のデータ利用の高度化へ貢献するものです。

本研究は、JSPS科研費JP16K01323、JP16KK0155の助成を受けて実施されたものです。

本成果は、英科学誌「Scientific Reports」（オンライン版）に、11月6日付け（日本時間）で掲載されました。

掲載論文タイトル：
Experimental evidence characterizing pressure fluctuations at the seafloor-water interface induced by an earthquake
著者： Hiroyuki Matsumoto（松本浩幸）¹, Toshinori Kimura（木村俊則）¹, Shuhei Nishida（西田周平）¹, Yuya Machida（町田祐弥）¹, Eiichiro Araki（荒木英一郎）¹

1: 海洋研究開発機構

２．背景

海底水圧計の観測データは、津波警報の更新や津波情報の発表等に活用されています。しかしながら海底水圧計には、津波による水圧変動以外にも地震動による大振幅の水圧変動等が津波に重畳されることが知られています。また長期孔内観測システムの海底水圧計は、水晶振動式圧力センサー（※3）で、南海トラフの「地震・津波観測監視システム（DONET）」（※4）でも、同じタイプの海底水圧計が採用されています。水晶振動式圧力センサーには、地震発生時に海底水圧計本体が揺らされて、センサー内部の水晶振動子等が揺れる振動ノイズも記録されるかもしれないという不明な点もありました。現在は、地震発生時に記録されるノイズ等を除去するためにフィルタ処理を施して、海底水圧計の観測データを津波警報等に利用しています。

当研究グループでは、長期孔内観測システムや地殻変動観測のための海底水圧計の校正技術に関する研究と開発を推進しており、これら観測機器の海底設置前には長期安定性に関する評価試験を行っています。

2017年11月16日18時43分頃に八丈島東方沖でMw5.8の地震が発生しました。この地震による津波の観測はありませんでしたが、地震発生時に、JAMSTEC横須賀本部の実験室で海底水圧計や広帯域地震計等観測機器の評価試験（室内実験）を行っていたことから、海底現場と実験室の両観測データを取得することができました。

そこで本研究では、地震発生時に海底水圧計が記録する水圧変動の実体を解明するため、長期孔内観測システム、室内実験で取得した海底水圧計及び広帯域地震計のデータを解析しました。

３．成果

海底現場に設置されているセンサー群に近い組み合わせを実験室内で再現していたところ、地震発生時の観測データを初めて取得することができました。

海底現場と室内実験で取得したデータの解析から、以下の成果が得られました。

（1）

地震発生時に海底で記録される水圧変動は、0.1Hz付近の周波数帯域で地動の加速度とよく一致しますが、これを重錘形圧力天びん（室内実験）でも再現していることがわかりました。海底水圧計が記録する水圧変動は、海底水圧計の真上の水塊に作用する加速度を記録することを意味します。

（2）

地震発生時に、重錘形圧力天びんの断面積10mm²のピストンスト－ンシリンダモジュールに載った質量10kgのおもり（重錘）の振動が、水深1,000m分の水塊を動かすことと同等の効果を示しました。

（3）

重錘形圧力天びんに接続していない海底水圧計の記録は、地震発生時には海底水圧計内部の機械的振動を記録しないことを裏付けました。このことから、長期孔内観測システムに採用されているタイプの海底水圧計が記録する水圧変動は、海底現場の真の水圧変動であると言えます。

４．今後の展望

現在、日本の周辺海域には多数の海底水圧計が展開されており、津波警報の更新や津波観測情報の発信等へ利用されています。海底水圧計は津波観測の情報を沿岸到達前に取得できる手段として普及していることから、津波観測時には波高を正確に推定することが不可欠です。

本研究で得られた成果から、海底地震計を併用することで海底水圧計のデータから地震発生時の水圧変動等を除去でき、津波波高を高精度に推定できることが期待されます。当研究グループでは、海底圧力計のリアルタイムデータ利用の高度化に向けた研究と開発をさらに推進したいと考えています。