Hypocenter Location Using Submarine DAS in the Nankai Trough Requires Correct Phase Identification, Station Corrections, and Reliable 3D Structures

地震探偵の新しいツールキット

海底を、地球のテクトニクプレートが絶えずささやき、うなり、時には叫んでいる、巨大で隠されたステージだと想像してみてください。科学者たちは、地面がどのように動いているかを理解し、巨大な地震がいつ発生するかを予測するために、長年、これらの水中地震の「声」を聴こうとしてきました。しかし、水中でのリスニングは非常に困難です。従来のマイクロフォン（地震計）は、設置コストが高く、メンテナンスが難しく、通常は間隔が広すぎるため、地震の始まりの微細な詳細を捉えることができません。

ここで、新しい種類のリスニングデバイスが登場します。それが「分散型音響センシング（DAS）」です。DASケーブルをマイクロフォンではなく、巨大な水中ギターの弦だと考えてみてください。地震が発生すると、振動が水と海底を伝わり、光ファイバーケーブルをわずかに引き伸ばしたり、押しつぶしたりします。このケーブルにレーザー光を送り込むことで、科学者はこの微細な伸びを数千の地点で検出し、一本のケーブルを数千のセンサーからなる高密度なアレイへと変えることができるのです。

しかし、一つ問題があります。騒がしい部屋の中でささやき声を聴こうとする時のように、地震の「直接的な」音（P波）は、海底の厚い柔らかい泥や堆積物の層を通過する際に、かき消されたり失われたりすることがよくあります。その代わりに、別の、より大きな音が先に届くことがよくあります。それは、泥と下の硬い岩石との境界で跳ね返った「変換波」です。科学者たちの大きな疑問は、「もし直接的な静かなささやき声がはっきりと聞こえないとしても、この大きく跳ね返る音を使って、地震が正確にどこで始まったかを突き止めることができるのだろうか？」ということです。

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かき消されたささやきと、大きなエコーの物語

日本の海岸沖にある、プレートが衝突している危険な領域である南海トラフにおいて、科学者たちは120キロメートルに及ぶDASケーブルを使用して地震の音を聴いてきました。彼らは厄介な問題に直面しました。地震の直接的な「ささやき」（Ppと呼ばれる）はしばしば微弱で捉えにくい一方で、そのわずか一瞬後に、より大きな「エコー」（Psと呼ばれる）が届くというのです。このエコーは、P波が軟らかい堆積物と硬い基盤岩の境界に当たり、S波に変換されて跳ね返ってくることで発生します。

赤木透氏率いる研究チームは、あるパズルを解こうとしました。「もし直接的なささやき声がはっきりと聞こえないなら、この大きなエコーを使って地震の位置を見つけることができるだろうか？」

「エコー」戦略
まず、チームは22件の局所的な地震について、これらの波の到達時刻を手動で特定しました。彼らは興味深いことに気づきました。それは、特定の場所におけるケーブル上のすべての地震において、微かなささやき（Pp）と大きなエコー（Ps）の間の時間差がほぼ一定であるということでした。それは、各リスナーに対して一定の速度で刻む時計のようなものでした。つまり、エコーがいつ届いたかを知っていれば、数学的に時間を「巻き戻して」、ささやきがいつ届くはずだったかを推測できるということです。

しかし、彼らの最初の試みは混乱していました。エコーが複雑で、複数の跳ね返りがあるため、どれが「最初の」エコーであるかを判別するのが困難だったのです。データを慎重に選び直した結果、彼らは時間差が非常に安定することを発見しました。これにより、適切な補正を適用すれば、大きなエコーが確かに信頼できる「代用（プロキシ）」として機能できることが確認されました。

マップと補正
地震の位置を特定するには、地球内を音が伝わる速度のマップが必要です。チームは2種類のマップをテストしました。

1. 単純な1次元マップ： 地球の層が、層状のケーキのように平坦で均一であると仮定したもの。
2. 複雑な3次元マップ： 海底の現実世界の丘や谷、変化する岩石の種類を考慮した、詳細で凹凸のあるモデル。

単純なマップを使用したとき、計算された地震の位置は平均で約6.7キロメートルずれていました。複雑な3次元マップに切り替えると、位置精度が向上し、既知のカタログ上の位置に近づきました（平均6.3キロメートルまで改善）。

しかし、ここにひねりがあります。複雑な3次元マップであっても完璧ではありませんでした。チームは、ケーブルの下にある局所的な「奇妙な現象」を考慮するために、「ステーション補正」、つまり各センサーに対する小さな調整を行う必要がありました。

• 1次元マップの手がかり： 単純なマップによる補正では、特定の場所でS波に奇妙な遅延が見られました。チームは、これは堆積物の深くに低速の岩石や高圧流体のポケットが隠れている可能性があることを示唆しています。
• 3次元マップの不具合： 複雑なマップは、82キロメートル地点付近で奇妙な「負の」補正を明らかにしました。チームは、これが実際の地質学的特徴ではなく、モデルのアーティファクト（誤差）であることに気づきました。モデルが浅い部分の海中の丘に対して非常に低い速度を割り当てており、それが現実と一致していなかったのです。これは、最高の3次元モデルであっても、浅い層には盲点があることを示しています。

結論
本研究は、地震を見つけるために、必ずしも微かな、かき消されたささやき（Pp）を聞き取ろうと無理をする必要はないと結論付けています。代わりに、私たちは大きな、明瞭なエコー（Ps）を代用として確実に利用できるのです。この「エコー優先」の戦略を、優れた3次元マップと局所的な特異性のための特定の補正と組み合わせることで、チームは地震の位置をより高い精度で特定することができました。

彼らは、もし自動化されたコンピュータプログラムが、これらの大きなエコー（Ps）を確実に識別し、正しい数学を適用するように学習できれば、直接的なささやきを聞いているのとほぼ同等の精度で、沖合の地震を監視できると考えています。これは、直接的な音が聞こえないほど弱い場所でも、既存の海底ケーブルを利用して、高密度で安価かつ正確な地震監視ネットワークを構築できることを意味しており、大きな前進です。

否定されたこと
チームは、良い結果を得るために微かな直接P波を必ず回収しなければならないという考えに対し、明確に反論しました。彼らは、現在のAIピッカー（波形検出プログラム）が犯しやすい間違いである「エコーを直接波と誤認すること」が、位置特定のエラーにつながることを示しました。また、ケーブルの配置エラーが位置誤差の主な原因であるという考えも否定しました。むしろ、エラーは海底の複雑で隠れた構造に起因するものでした。

確信度
著者らは、22件のイベントの手動再選定に基づき、エコーとささやきの間の時間差がツールとして使用できるほど安定していると自信を持っています。彼らは、3次元モデルがエラーを減少させたことから1次元モデルよりも優れていると考えていますが、3次元モデルにはまだ修正すべき浅部の欠陥があることも注意深く述べています。彼らは、自動的な波形検出の問題を完全に解決したと主張しているのではなく、大きなエコー（Ps）に焦点を当てた将来のシステムが最も実用的な道筋であることを示唆しています。