三陸沖光ファイバーケーブルを振動センサーとして用いた海洋性堆積層の探査

Spica, Zack J.1, 2, 西田 究2, 悪原 岳2, Pétrélis, François2, 3, 4, 5, 6, 篠原 雅尚2, 山田 知朗2

1ミシガン大学, 2地震研究所, 3パリ高等師範学校,4フランス国立科学研究センター,5ソルボンヌ大学, 6パリディドロ大学

Spica, Z. J., Nishida, K., Akuhara, T., Pétrélis, F., Shinohara, M., & Yamada, T. (2020). 
Marine sediment characterized by ocean‐bottom fiber‐optic seismology. Geophysical Research Letters, 47, e2020GL088360. 

地面の揺れから地震や火山現象に迫り、そして揺れの伝わり方から地球内部構造を明らかにするために、これまで地震学は数少ない地震計のデータからいかにこれらの情報を引き出すかという点に苦心しながら発展してきました。今世紀に入り爆発的に地震計の数は増えており、日本だけでも数千点の地震計が設置されるようになりました。地面の揺れを点からではなく面とし捉える時代に突入しつつあります。そこで注目されている技術が分散型音響センシング(DAS)です。この手法では、既存の光ファイバー通信インフラを数千個の地震センサに変換することが可能となります。まさに地震計測の可能性を点から線へと広げる新しい計測手法です。 本研究では、1996年に三陸沖の海底に設置された光ファイバーケーブルを用いて、DAS計測を実施しました(図1)。このケーブルシステムは、120 kmのケーブルに3成分加速度計3台(図1の〇:SOB1~3)と圧力計2台(図1の□)を備えています。陸上から約100kmの距離まで、スペアの光ファイバー(図1の灰色と黒色で示した線)を用いて、2019年2月13日から約46時間DAS計測を実施しました。これは約19000点で海底面の振動を計測したことに相当します。解析には陸上から約50kmまで(図1の灰色部分)の約9500チャンネルのデータを用いました。この新しいタイプの計測によって、光ファイバーケーブル直下の堆積層の地震波速度構造を探査することに成功しました(図2)。
本研究の大きな特徴は、地震が引き起こした海底面の振動ではなく、海洋波浪起源の振動(脈動)を用いた点です。脈動のDAS計測から海洋性堆積層の構造を明らかにしたことは初めてのことです。この手法は、地球上に張り巡らされた海底光ファイバーケーブル網に適応が可能であり、今は通信に使われていない空きケーブルを有効活用できる可能性も示唆しています。

図1: 三陸沖光ファイバーケーブル
図2 (A) 光ファーバーケーブル500点毎の脈動のパワースペクトル密度。(B)本研究で推定された堆積層のS波速度構造。(C) 脈動の自己相関解析 (0.8〜4.5 Hz)から得られた地下構造反射断面。(D) 地震によるS波の到来を示した図。断層帯を特徴づける可能性のある逆V字型は、赤い矢印と赤いクエスチョンマークで示されています。(D) 全パネルの観測結果を組み合わせた海底構造を地質学的に解釈した図。