Integrated Detection and Classification of Low-Frequency Earthquakes Using a PhaseNet-Based Deep Learning Framework

地殻の深部、岩石が熱く圧力も極めて高い場所では、しばしば気づかれない静かな種類の揺れが発生している。これらは低周波地震であり、一般的な地震のような鋭く高音な破断ではなく、ゆっくりとした、うねるようなパルスとしてエネルギーを放出する現象である。通常の地震はピアノの高音のような周波数で振動することがあるが、これらの深部の震動ははるかに低いピッチで響き、その始まりは非常に緩やかであるため、正確にいつ始まったのかを特定するのが難しいことも多い。科学者たちは、こうした微かな震えは無作為なものではなく、水やマグマなどの流体が、激しい破壊を引き起こすことなく岩石の割れ目を通って移動したり、断層に沿って滑ったりした結果である可能性が高いと長年疑ってきた。これらの隠れた動きを理解することは極めて重要である。なぜなら、それらは地殻内にどのようにストレスが蓄積し、潜在的に大規模で破壊的な地震へとつながっていくのかを知るための手がかりを握っている可能性があるからである。しかし、これらの信号は微弱であり、背景ノイズに紛れやすいため、従来の地球の音を聞く手法では完全に見逃されてしまうことが多く、深部地殻プロセスに関する知識の大きな空白を残していた。

この空白を埋めるために、研究チームは人工知能を用いた新しい「聴取法」を開発した。彼らは、標準的な地震を見つけるために設計されたシステムに基づいたコンピュータモデルを訓練し、低周波イベント特有のシグネチャーを認識できるようにした。単に鋭い始まりと終わりを見るのではなく、モデルには地震データの5つの異なる可能性を識別するように学習させた。それは、通常の地震の始まり、通常の地震の終わり、低周波イベントの始まり、低周波イベントの終わり、そして背景ノイズである。日本からの数千もの記録された波形をシステムに読み込ませることで、研究者たちは、明瞭で鋭い通常の地震の到来と、低周波型の不明瞭で長期的な到来を区別することをモデルに教え込んだ。一度訓練されると、モデルは非常に敏感な「耳」として機能し、地球の振動の連続的な記録をスキャンし、人間の観測者や古いソフトウェアが見過ごしてしまうような到来を拾い上げた。

研究者たちは、この新しいツールを、深さ20キロメートルを超える場所で群発地震が発生していた山口県北部の激しい地震活動領域に適用した。その結果は驚くべきものであった。この新手法は、日本気象庁が維持している公式のカタログよりも2倍以上多くの地震を検出した。標準的な計器では記録できないほど小さなイベントを含む、数百ものこれまで不可視であったイベントを発見したのである。より重要なことに、このシステムは単にイベントをカウントするだけでなく、それらを分類した。モデルが各到来に対して割り当てた特定の確率スコアを分析することで、研究者たちは、検出されたイベントが低周波地震であるか標準的な地震であるかを判断するための単純な指標を作成した。これにより、彼らは群発地震を以前には不可能だったレベルの詳細さでマッピングすることができ、低周波イベントがランダムに散らばっているのではなく、群発地震内の特定の深いゾーンに集中していることを明らかにした。

しかし、この研究は一つの難題も明らかにした。研究者たちは、新しい指標が自然界の低周波地震と、採石場での爆破などの人間による爆発を区別することにおいて完璧ではないことを発見した。実際、システムが低周波地震としてフラグを立てたイベントの中には、低周波のうなりを生み出す性質が似ている、近くの採石場からの爆発物が含まれていた。この発見は、技術が強力であっても、自然の地質学的プロセスと人間の活動を分離するためには慎重な解釈が必要であることを思い出させるものである。この制限はあるものの、これほど大量の、これまで隠されていたイベントを検出できる能力は、群発地震の挙動に関するより明確な全体像を提供した。データによれば、地震は時間の経過とともに移動しており、流体が岩石中を拡散するパターンと密接に一致するように、地殻の深い部分から浅いレベルへと移動していた。

これらのイベントの空間的な分布は、この流体駆動説のさらなる証拠を提示した。低周波地震は、岩石構造が高含水率を示していた群発地震の最も深く、かつ西側の部分に集まっていた。この一致は、上部マントルまたは下部地殻からの熱い流体の移動が、この群発地震全体を駆動するエンジンであった可能性が高いことを示唆している。研究者たちは、地震の移動が単純で一定の経路を辿るのではなく、加速したり減速したり、時には方向を逆転させたりすることを確認した。これは、流体圧、熱、そして岩石の破壊能力との間の複雑な相互作用を意味している。詳細な地下岩石構造のマップとこの新しい検出手法を組み合わせることで、本研究は、この群発地震が岩石を弱くし、滑りやすくさせ続ける継続的な流体の供給によって維持されていたことを示唆している。

結局のところ、この研究は、深部の低周波地震がこれまで考えられていたよりもはるかに一般的で広範囲に存在しており、標準的な地震記録のノイズの中に隠れて存在していることを実証している。この新しい枠組みは、これらのイベントを自動的に監視するための堅牢な方法を提供し、以前は閉ざされていた深部地球への窓を開いた。この手法は、人間によるノイズを完全にフィルタリングするためにまだ洗練の余地があるものの、すでに特定の地震群の理解を塗り替え、一見すると混沌とした小さな地震の集まりが、実は構造化された流体駆動のプロセスであることを示した。技術が向上するにつれ、それは地殻深部の隠れたリズムを明らかにし、私たちの惑星の地震学的な未来を形作る、ゆっくりとした流体の動きをより深く理解する助けとなることが期待される。