海底地震・地殻変動観　　測網の整備と海陸地震火山観測に基づく地震発生及び火山噴火予測研究の推進 Prediction research on earthquakes and volcanic eruptions with on- and off-shore observations using seafloor and borehole systems 提案者：　東京大学地震研究所長　小屋口剛博 説明者：　連携会員　平田直 2013/4/6

１. 計画の概要 新しい予測科学の創出 地震・火山噴火現象の解明 海底での地震・地殻変動観測網整備を軸とした観測体制の飛躍的な強化 １.　計画の概要 地震・火山噴火現象の解明 海底での地震・地殻変動観測網整備を軸とした観測体制の飛躍的な強化 新しい予測科学の創出 予測システムの構築 持続可能な地球の科学 フィリピン・ピナツボ火山の噴火 スマトラ地震（インド洋大津波） 持続可能な社会構築への貢献 2013/4/6

The Hagiwara Symposium (JSS1) in IUGG ２．計画立案の背景 The Hagiwara Symposium (JSS1) in IUGG 災害　→　体制（観測網）の整備　→　科学の進展　→　減災方策の改善 年間地震数（気象庁） 2002年　深部低周波微動の発見（Obara 2002) 150,000 5 (Harada, 2004) 2000年　Hi-net 120,000 4 1999年　新地震予知研究 1995年　阪神淡路大震災 Number / year 90,000 3 Mode of magnitude 60,000 2 1973年　二重深発面の発見（津村1973，海野・長谷川1975） 30,000 1 1930 年　和達清夫｢深発地震について｣を発表 1973年　二重深発面の発見（津村，1973，海野・長谷川1975） 1965年　地震予知計画の開始 1965 1975 1995 2000 1930 年　深発地震の発見(和達） July 1, 2003

直上で観測することで、 格段の精度向上 海底観測の有効性の例 2008年5月に茨城県で発生したM7の地震とその余震 例：震源直上に観測点がないと、正確な震源位置が求められない（特に深さ） 直上にある海底観測点から決めた震源 陸上観測網だけから決めた震源

陸上からの観測 東北沖地震の直前 ゆっくりすべりの伝播⇒巨大地震 【２０１１年東北地方太平洋沖地震前のおよそ1ヶ月間に発生した地震活動を詳細に解析】 本震の破壊開始点へ向かうゆっくりすべりの伝播が、ほぼ同じ領域で２度にわたって起きていた。 これらのゆっくりすべりの伝播が引き起こす力の集中により、本震発生が促進された可能性が考えられる。 2013/4/6

３．学術的な意義 直接的な意義 【自然災害の予測科学】 巨大地震や大噴火の予測手法の確立により、地震火山災害の軽減化：　災害誘因(ハザード）の予測 【沈み込み帯の地球科学】 地震及び火山噴火現象の本質を知ることと地震発生・火山噴火に至る物理・化学過程の実証的な理解 【固体地球の予測科学】 地震学、火山学、測地学、物質科学、地球化学、計算地球科学を統合した新たな「固体地球の予測科学」の創成 【持続可能な地球の科学】 アジアを中心として進められるFuture　Earth の概念に沿った持続可能性向上のための統合的な研究・教育・環境情報のネットワークを構築、研究者と社会のステークホールダーと組んだ、地域から地球レベルの持続可能な環境形成 間接（波及）的な意義 2013/4/6

４．国内外の研究動向と当該計画の 学術的位置付け アスペリティモデルの提唱 （第1次新地震予知研究計画） 沈み込み帯の地球科学研究は日本の研究グループが世界をリード（Hi-net, GEONET, GPS/A) 海底地震・地殻変動観測研究で世界をリード 松澤(2001) Obara (2002, Science) 低周波微動・ゆっくり滑りの発見 高感度地震計 　Hi-net：710 強震計 　KiK-net：680 広帯域地震計 　F-net：73 2013/4/6

4-1. スロー地震・滑り ・微動 定常状態 Near Nankai Trough Boso Nankai M8-class asperity (100y interval) Shallow VLF After slip Long-term SSE (~10y interval) Tremor triggered by long-term SSE Stable sliding zone Short-term SSE with active tremor and VLF ( ~0.5y interval) Continuous tremor activity Tremor Gap Possible SSE M-8 class asperity (6y interval) Regular earthquake Boso Nankai M7-class asperities Tokai/Kii/Shikoku Bungo channel Hyuuga-nada Shorter interval Migration Subducting oceanic plate 10km 20km 40km 40-50km 30-40km Trigger K.Obara, Characteristics and interactions between non-volcanic tremor and related slow earthquakes in the Nankai subduction zone, southwest Japan, J. Geodynamics, 52, 229-248, 2011. Obara (J. Geodynamics,2011) 2013/4/6

4-2 東北太平洋沖地震時の海底地殻変動 地震時の変動 地震前後の海底の地殻変動を観測した。 Sato et al. (2011) Kido et al. (2011) 太平洋プレート上のGJT1では、顕著な変位(<1m)は認められない 約15m 約5.3m 約23m 15m 3.9m GJT1 海上保安庁・国土地理院 約15m 31m 約24m GPS/A survey just one month after the earthquake detected quite large coseismic displacements. Taken together the results by Tohoku Univ. and Japan Coast Guard, spatial variation is distinct: strong trench-normal variation and the largest slip region is confined off Miyagi. In addition, locally disproportional slip between subducting and over-riding plates are found from the fact of no coseismic slip at GJT1. 約5m 陸上では、最大5.3mであったが、震源域での水平地殻変動は最大31mであった。 より正確な地震時滑りを推定 9

５．社会的意義 社会に「実装」された成果の例 東海地震予知体制の整備（1978年6月大規模地震対策特別措置法；2003年７月新情報体系） 全国地震動予測地図（2005年7月から毎年） 緊急地震速報（2007年10月） 火山噴火警戒レベルの導入（2007年12月） 噴火警報及び噴火予報 地震調査研究推進本部の「新総合・基本施策（2009年）」では， 「地震及び火山噴火予知のための観測研究計画の推進について（建議）」に基づく基礎研究の成果を取り入れて推進 伊豆東部における地震活動予測（2010年9月） 2013/4/6

ケーブル式観測システム（1996）による津波の観測 海底津波計TM1 海底津波計TM2 津波防災への貢献 14：49津波警報の発表 14：50岩手3m,宮城6m,福島3m（大津波警報） 全長120km 15:14津波警報の更新　岩手6m,宮城10m以上,福島6m（大津波警報） 15:30 津波警報の更新 15:31 岩手～千葉九十九里･外房10m以上（大津波警報） 14：49津波警報の発表 14：50岩手3m,宮城6m,福島3m（大津波警報） 15:30 14:46 地震発生 15:14 GPS津波計で6.8mを観測

６．これまでの準備状況 地震予知研究は1965年から約45年間，火山噴火予知研究は1974年から約35年間，全国の大学･研究機関が気象庁や地方自治体等の防災関係機関と協力し，組織的に研究を推進 5年に一度のレビューと，計画作成による「地震予知研究・火山噴火予知研究」の実施：現計画は，2009－2014年度：科学技術学術審議会・測地学分科会が建議(ボトムアップでの計画立案） 2010年から地震火山科学の共同利用・共同研究拠点である東京大学地震研究所が地震火山科学の共同利用・共同研究拠点となり，全国の14大学・16部局及び研究機関の研究者と連携して，地震予知・火山噴火予知研究を実施． Collaboratory for the Study of Earthquake　Predictability  (CSEP)（地震発生予測可能性国際共同実験）の一翼を担う国際的活動(2009-) 2013/4/6

次世代ケーブル式観測システム ・データ伝送にICTを導入 低コスト・信頼性の確保 ・最新半導体技術（大規模FPGAなど）により， 　大幅な小型化と低消費電力化 プロトタイプ 平成22年8月に敷設 平成25年4月現在正常稼働中 データは研究拠点へ転送 給電装置 基準時計 データ収録 陸上局 海底観測ノード　20点 ノード間隔　　 　 20km 陸揚　　　　　　 　2地点 水深20mよりも深い部分は、ケーブル、地震計共に海底下約1mに埋設 観測点のエレクトロニクス部 観測点 大規模展開への技術的問題点はほぼ解決済み 2013/4/6 13

東北沖における海底地震観測網(計画） 日本周辺のケーブル式海底地震観測システム （計画中も含む） NIED ERI: 東京大学地震研究所 JMA: 気象庁 NIED: （独）防災科学技術研究所 JAMSTEC: （独） 海洋研究開発機構 日本周辺のケーブル式海底地震観測システム （計画中も含む） 2013/4/6

９．国際協力・国際共同 海外の主要なケーブル式観測システム計画 現象の包括的理解と物理･化学モデルの普遍化 海底ケーブル観測網の全地球規模におけるネットワーク化 研究交流と人材育成を戦略的に組み合わせ、国際共同を一層組織化　：　既存組織の連携強化 本計画 （日本） Neptune計画 （アメリカ・カナダ） Esonet計画 （EU） Macho計画 （台湾） カナダ側のケーブルが設置され、観測機器の接続を行っている。アメリカ側未設置。 イタリアが１点のみで観測中。他は計画中。 2011年にケーブル設置 海外で初受注した海洋総合観測システムが完成～台湾東方沖観測向けに台湾中央気象局へ納入～ 2011年11月14日 日本電気株式会社 NECは、海外で初めて受注した海洋総合観測システムの敷設据付工事を完了しました。本システムは、地震観測強化および周辺の環境観測を目的としており、台湾東方沖地震の想定震源域の観測のため、台湾中央気象局から、NECが2009年9月に受注しました。 海洋総合観測システムは、深さ約300メートルの海洋観測点に地震計や津波計などの海底観測機器等を配置し、それぞれの機器からのデジタル情報を海底ケーブル内の光ファイバーによって24時間リアルタイムで地上に送るものです。今回は、台湾東方に位置する頭城（トウチェン）から全長45kmの海底ケーブルを敷設し、ケーブルの先端にはノード（拡張型分岐装置）1台を装備し、ノードには広帯域地震計、強振計、水晶水圧計、塩分濃度計、ハイドロフォン（水中マイク）各1台が接続しています。ノードを用いることにより、地震・津波だけではなく、海底の環境など、総合的な海洋観測が可能です。また、ノードとの接続に水中で着脱可能なコネクタを採用したことにより、必要に応じた新たな観測装置の追加、および観測装置が故障した場合の交換が容易となっています。 なお、本システムは、海洋研究開発機構（JAMSTEC）が文部科学省からの委託研究「地震・津波観測監視システム構築」により実施した「海底ネットワークシステムの開発」での技術開発の成果を基本にしています。 NECは、1979年に日本で初めて東海沖のケーブル式常時海底地震観測システムの供給に始まり、日本周辺海域９ヵ所に敷設されているケーブル式海底地震・津波観測システムの全てを設計から敷設工事まで一括して行っています。また、納入したシステムは現在まで無事故で、この度の東日本大震災の際にも、貴重なデータを地上の観測センターに送り続けていました。NECは今回の実績を活かし、今後もこのシステムを展開することで、世界の地震観測に貢献してまいります。 海外の主要なケーブル式観測システム計画 2013/4/6

海底地震・地殻変動観測網の整備と海陸地震火山観測に基づく地震発生及び火山噴火予測研究の推進 2013/4/6

１１．必要経費 海底地震津波観測システム 長さ750kmX20ケーブルシステム，観測点総数850点, 計1,000億円（システム600億円，設置費150億円） 掘削孔観測システム100観測点、　260億円 太平洋海底地震・電磁気アレイ観測装置100億円 次世代型稠密地震・火山観測システム(満点(万点)システム)80億円 高エネルギー素粒子を用いた地下透視技術60億円 運営費：年間20億円 海底ケーブルシステム運営費 海陸にまたがる長測線構造探査、ボーリング調査，用船費等 50億円/1セット 1000/850=1.2 億円 2013/4/6

１０．年次計画 H26 H27 H28 H29 H30 H31 H32 H33 H34 H35 システム設計と製作 海底敷設・設置 海底観測システム 地震発生火山噴火予測研究 H26 H27 H28 H29 H30 H31 H32 H33 H34 H35 システム設計と製作 次期予知観測研究計画 プレート沈み込みモデルの高度化と地震発生予測のためのデータ同化手法の開発 海底敷設・設置 島弧プロファイリング 次・次期予知観測研究計画 データ同化手法を取り入れた地震発生予測 観測システム運用 2013/4/6

７．主な研究実施機関及び組織 東京大学地震研究所（全国共同利用･共同研究拠点）に設置された地震･火山噴火予知研究協議会を中心に 全国の14の国立大学法人、2つの私立大学 防災科学技術研究所、海洋研究開発機構、産業技術総合研究所、情報通信研究機構 国土地理院、気象庁、海上保安庁 東京大学地震研究所（共同利用・共同研究拠点）が中核となり，国立大学法人（北海道大学大学院理学研 究院，弘前大学大学院理工学研究科，秋田大学大学院資源工学研究科，東北大学大学院理学研究科， 東京大学大学院理学系研究科，名古屋大学大学院環境学研究科，京都大学大学院理学研究科，京都大 学防災研究所，高知大学理学部，鳥取大学大学院工学研究科，九州大学大学院理学研究院，鹿児島大 学大学院理工学研究科，千葉大学大学院理学研究科），私立大学（東海大学海洋研究所，立命館大学総 合理工学研究機構），海洋研究開発機構（海底ケーブル・海底孔），高エネルギー加速器研究機構（高エネ ルギー素粒子透視技術）が実施する。 2013/4/6

１１．科学者コミュニティの合意状況 本提案計画はこれまで実施されてきた「地震及び火山噴火予知のための観測研究」の延長にあり、全国の研究者が組織的に研究計画を立案し、研究を推進する体制が整備され、コミュニティの合意が形成されている。 平成25年3月6-8日に において「地震及び火山噴火予知のための観測研究」平成24年度成果報告シンポジウムが開催され、次期計画と本提案計画についても議論 2013/4/6

沈み込む海洋プレートと陸側プレートの境界面の模式図 プレート境界型巨大地震発生予測研究 アスペリティモデルの提唱（第1次新地震予知研究計画） プレート内の間隙水圧イメージング 沈み込む海洋プレートと陸側プレートの境界面の模式図 プレート上面のイメージング 松澤(2001) Obara (2002, Science) 低周波微動・ゆっくり滑りの発見 Sato et al. (2005,Science) プレート境界近傍の不均質性と滑り・固着の多様性の解明 Kato et al.(2010,GRL) 2013/4/6

１２．他の学術研究分野への波及：例 効果沈み込み帯の科学への波及 A numerical simulation of the water transportation 「水」の輸送 Iwamori (2007, Chem. Geol). Seismic Evidence for Deep-Water Transportation 3-D seismic Tomography 研究の科学的意義・波及性 沈み込み帯の科学への貢献 2重深発地震発見 トモグラフィーによるマントルウエッジ内の「水」 長期的(5年）・短期的（10日）ゆっくり滑り・深部低周波微動の発見とモニタリング：北米大陸西岸，中米，南米南部などでも見つけられ，国際的関心は極めて高い アスペリティーモデルの提唱と実体の解明 マグマ発生場から噴火現象に至るまでのマグマ移動メカニズムの理解と，火口近傍の火道でのマグマの挙動の理解は，固体地球表面から深部までを含む「火山科学」の発展への貢献 予測科学への貢献 大規模数値モデルによるプレート境界の滑り・固着の再現と，将来の活動予測 ＧＰＳ等のデータ同化手法の開発と予測の高度化 複雑に相互作用するアスペリティーの破壊の予測 地震活動の定量的予測・検証実験の開始 地震学，火山学，測地学，物質科学，地球化学，計算地球科学を統合した新たな「固体地球の予測科学」の創成 Hasegawa et al. (1991, Nature) Kawakatsu & Watada (2007, Science)  2013/4/6

地震研究所の共同利用・共同研究拠点の機能を最大限に利用 １４．共同利用体制 東京大学地震研究所は、地震・火山科学の共同利用・共同研究拠点として、地震及び火山研究分野だけでなく、固体地球物理研究分野全般を対象とした課題募集型、参加者募集型の共同研究を公募し、全国の研究者が協力して研究を推進するのに適した体制を整えている。 東京大学地震研究所の地震・火山噴火予知研究協議会は、関連研究機関（全国14大学、気象庁、4研究開発法人）と連携し、科学技術・学術審議会測地学分科会が策定する「地震及び火山噴火予知のための観測研究」（予知研究）の計画研究を共同で推進するとともに、地震や火山噴火研究に関する研究課題を広く公募し、関連研究機関以外の全国の研究者と共同研究を推進する機能を有している。 地震研究所の共同利用・共同研究拠点の機能を最大限に利用 2013/4/6

海底掘削孔内観測システム 2000年前後に設置 長期観測に成功 三陸沖観測点で記録された傾斜変動（下） 海底 センサー深度 ~1,000m 北西太平洋観測点の海底部 三陸沖観測点で記録された傾斜変動（下） センサー深度 ~1,000m 2013/4/6 24 観測中の三陸沖観測点 東北地震後の三陸沖観測点