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【発明の名称】 震源位置の決定法
【発明者】 【氏名】堀内 茂木

【氏名】藤縄 幸雄

【氏名】根岸 弘明

【要約】 【課題】地震の正確な震源位置を少ない観測データで主要動の到着時刻前に決定できるようにする。

【解決手段】地震観測網の複数の観測点A、B、C、D、E、……からデータを収集して地震の震源位置1を決定する震源位置の決定法であって、少なくとも2観測点A、BからのP波の到着時刻データと該観測点以外の観測点C、D、E、……からのP波の未到着時刻データを収集し、P波の到着時刻データと未到着時刻データから両データを満足する範囲を求めて震源位置1を決定し、また、観測されたP波の到着時刻データと、緯度、経度、深さを震源パラメータとして計算される理論値との残差、及び未到着時刻データの残差を最小にする解を求めて即時的に震源位置1を決定する。未到着時刻データの残差が大きくなる到着時刻データは、間違ったデータとして除去する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】 地震観測網の複数の観測点からデータを収集して地震の震源位置を決定する震源位置の決定法であって、少なくとも2観測点からのP波の到着時刻データと該観測点以外の観測点からのP波の未到着時刻データを収集し、前記P波の到着時刻データと未到着時刻データから両データを満足する範囲を求めて震源位置を決定することを特徴とする震源位置の決定法。
【請求項2】 地震観測網の複数の観測点からデータを収集して地震の震源位置を決定する震源位置の決定法であって、少なくとも2観測点からのP波の到着時刻データと該観測点以外の観測点からのP波の未到着時刻データを収集し、観測されたP波の到着時刻データと、緯度、経度、深さを震源パラメータとして計算される理論値との残差、及び未到着時刻データの残差を最小にする解を求めて震源位置を決定することを特徴とする震源位置の決定法。
【請求項3】 未到着時刻データの残差が大きくなる到着時刻データは、間違ったデータとして除去することを特徴とする請求項2記載の震源位置の決定法。
【発明の詳細な説明】【発明の属する技術分野】本発明は、地震観測網の複数の観測点からデータを収集して地震の震源位置を決定する震源位置の決定法に関する。
【従来の技術】大地震が発生すると、P波が到着し、その後、振幅の大きいS波主要動が到着する。地震発生直後の、振幅の大きいS波が到着する前に正確な震源位置や規模が決定され、その大きさが推定されれば、被害予測を行うことが可能である。そして、被害が想定される場合には、列車の速度を落とすとか、工場の各種機械を非常停止させるなど、各種防災対策を迅速に実行することができ、そのことにより災害の大幅な軽減が期待できる。従来の自動震源位置の決定では、日本周辺域で地震が発生すると、防災科学技術研究所、気象庁、大学等の地震観測網観測点のそれぞれにおけるP波、S波の到着時刻が計算機で自動的に読み取られ、そのデータを用いて震源位置やマグニチュードが決定されている。震源位置決定の未知パラメータの数は、4であることから、震源位置の決定には、最低でも、3観測点以上のP波とS波、あるいは4観測点以上のP波データが必要である。しかも、自動的に到着時刻を読み取る場合には、ノイズとか、別の地震の到着時刻を読み取る場合もあり、安定した解を得るには10観測点程度以上のデータが必要である。
【発明が解決しようとする課題】しかし、これまでに多くの研究が行われているにもかかわらず、地震観測網データを用いた震源位置の決定のシステム開発は十分でなく、現在のところ、震源位置の決定されるのは、主要動到着後になっている。しかも、一般的に、震源位置決定の解は、不安定で、かつ、自動読み取りを行うと、間違った読み取りデータも混入することから、信頼性の高い結果を得るには、多くの観測点のデータが必要であった。このため、多くの観測点でP波が到着するのを待って震源位置の決定が行われているが、多くのデータが収集されるのを待つと、それだけ震源位置の決定に時間がかかってしまう。さらに、間違った読み取りデータを除去できず、安定した解が得られない場合があり、そのため、高感度地震観測網データを用いても主要動到着前の震源位置の決定は困難であった。
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解決するものであって、地震の正確な震源位置を少ない観測データで主要動の到着時刻前に決定できるようにするものである。そのために本発明は、地震観測網の複数の観測点からデータを収集して地震の震源位置を決定する震源位置の決定法であって、少なくとも2観測点からのP波の到着時刻データと該観測点以外の観測点からのP波の未到着時刻データを収集し、前記P波の到着時刻データと未到着時刻データから両データを満足する範囲を求めて震源位置を決定し、また、観測されたP波の到着時刻データと、緯度、経度、深さを震源パラメータとして計算される理論値との残差、及び未到着時刻データの残差を最小にする解を求めて震源位置を決定することを特徴とし、未到着時刻データの残差が大きくなる到着時刻データは、間違ったデータとして除去することを特徴とするものである。
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図1は本発明に係る震源位置の決定法の実施の形態を説明するための図であり、1は震源、2は曲線、3は範囲、4は領域、5はP波波面、A、B、C、D、E、……は観測点を示す。図1においては、震源1で大きい地震が発生した場合、計器が故障でない限り、その近傍に位置する観測点A、B、C、D、E、……では、必ず大きな地震動が観測される。従来の震源位置の決定では、P波、S波の到着時刻データのみを利用しているが、本発明は、P波、S波の到着時刻データの他に、ある観測点で、ある時刻までにP波が到着しないというデータ(以下、未到着時刻データと呼ぶ)を利用する。図1において、震源1からのP波波面5に対し、その時刻でのP波到着観測点が▼の観測点A、Bであり、P波未到着観測点が▽の観測点C、D、E、……である。上記のようにある大きい地震がある場所(震源1)で発生し、ある時刻までに、観測点AとBでP波が観測され、それ以外の観測点C、D、E、……ではP波もS波も観測されなかったとする。このことは、速度構造が極端に不均質でない限り、震源1と観測点A、Bとの距離は、それ以外の観測点C、D、E、……のそれに比べて小さいことを意味している。このため、震源1は、観測点A、Bまでの震央距離が、それ以外の観測点C、D、E、……までの震央距離に比べ小さいという条件を満足する領域4内に位置しなければならない。この領域4を「P波が届かなくても良い領域」と呼ぶこととすると、P波の到着時刻データと未到着時刻データを利用することにより、このP波が届かなくても良い領域4が設定でき、この領域以外の解は、データを満足しないことになる。つまり、P波が届かなくても良い領域4は、この中に震源1が位置するとき、観測点C、D、E、……が未到着観測点になるという領域であり、仮にその外に震源1が位置するならば、到着観測点A、B以外の観測点C、D、E、……のいずれかが到着観測点になっていなければならないことを意味する。したがって、P波が届かなくても良い領域4は、震源1と未到着観測点との位置関係に依存し、例えば観測点D、Eがもっと震源1に近ければ、その上側は圧縮された形状になり、逆にもっと遠ければ、その上側はもっと膨れた形状になる。例えば、2観測点A、BのP波の到着時刻が得られると、その差を満足する震源1は、地表で求めると曲線2上に位置することになり、それを深さ方向に拡大すると曲面上に位置することになる。したがって、3観測点の場合には、地表で求めると1点に、さらに深さ方向に拡大すると曲線上に震源1が位置することになる。ここに、P波の未到着時刻データを利用すると、震源1は、P波が届かなくてもよい領域4の中に存在しなければならないことから、両者を満足する範囲3から震源1の位置が決定される。日本国内で発生する地震の場合には、P波が届かなくても良い領域4の水平方向の広がりが数km程度になり、未到着時刻データを加えることにより、2〜3観測点のデータのみでも、精度の高い解が得られる。以下に、具体的な計算方法について説明する。まず、j観測点では、P波が到着しており、その時刻をPj とする。i観測点では、地震波形データが時刻Qiまで届いているが、P波が到着していないとすると、P波の未到着時刻データはQi で与えられる。観測されたP波の到着時刻と、その理論値との残差Rpjは、pj=Pj −Thj(φ,λ,h)−T …… (1)
で与えられる。ここに、T、Thjは発震時刻とj観測点での理論走時で、φ、λ、hは震源パラメータの緯度、経度、深さである。未到着時刻データの残差Rniは、ni=Qi −Thi(φ,λ,h)−T …… (2)
if Qi −Thi−T<−ε0 =−ε(Δ,h) …… (3)
if Qi −Thi−T≧−ε0 で与える。Thiはi観測点での理論走時である。ε0 はP波の到着時刻データの読み取り誤差と同程度の小さな定数であり、例えば0.1秒とする。上式から明らかなように、到着予定時刻を過ぎても到着しない観測点の残差が大きく、到着予定時刻に達しない観測点のそれは極端に小さくなる。εはε0 より小さい実数で、震央距離(Δ)、震源の深さ(h)の適当な関数である。震源位置は、 ρ2 =Σwpjpj2 +Σwnini2 …… (4)
を最小にさせるよう、未知パラメータを、グリッドサーチで数値的に求める。ここで、wpj、wniはP波の到着時刻データ、未到着時刻データの重みである。発震時刻Tを、P波の到着時刻データの残差の平均値が0になるように求めれば、(4)式は最小になる。したがって、数値的に解くのは、φ、λ、hの3パラメータである。(3)式のεは、到着時刻データのみでは不定の解を、適当な位置に決定させるためのものである。この関数を地震活動の深さ分布等を考慮して、例えば ε(Δ,h)=ε0 (1+C1 Δ+C2 (h−h0 )) …… (5)
if h<h1 =ε0 (1+C1 Δ+C3 h) …… (6)
if h≧h1 のように考えれば、不定の場合の解は、観測網近傍で適当な深さに決定されるようになる。ここに、C1 、C2 、h0 、h1 は適当な係数である。未到着時刻データは、到着時刻データの補助として用いるものであり、(4)式を最小にする解は、到着時刻データを満足する解である必要がある。このため、未到着時刻データの重みは、到着時刻データのそれに比べ極端に小さく、例えば1/100程度にする必要がある。グリッドサーチで求められた最良解の、残差の絶対値の平均値がある基準値を越える場合には、P波の到着時刻の読み取りに間違いがあると判定し、S/Nの小さい読み取りデータを除去し、再度震源位置の決定を行う。リアルタイムで震度決定を行う場合には、地震波形データを解析することにより、P波の到着時刻を推定する必要があるが、推定された到着時刻の中には、人工的ノイズや、前震や別の地震の到着時刻を誤ってP波の到着時刻と判定することが少なくない。このため、従来の手法を用いる場合には、少ない観測点のデータで信頼性の高い震源位置を決定することは難しい。本発明に係る震源位置の決定法では、上記のようにP波の到着時刻データに大きな間違いがあると、震源位置は、実際の位置から大きくずれ、この結果、未到着時刻データの残差が大きくなる。未到着時刻データは、地震波が到着したか否かを判定することにより、決定される量であることから、この値を間違えて推定する可能性は低い。したがって、得られた解が未到着時刻データを満足しない場合には、到着時刻データに大きな間違いがあると判定することができ、P波の到着時刻データ数が2〜3点の場合でも、間違ったデータを発見し、それを除去することが可能である。このため、本発明を利用することにより、少ない観測データで信頼性の高い震源位置の決定を行うことができる。なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上記実施の形態では、発震時刻Tを、P波の到着時刻データの残差の平均値が0になるように求め、未到着時刻データの残差を具体的に定義する計算方法で説明したが、少なくとも2つの到着時刻データと他の観測点の未到着時刻データとを使って震源位置を決定するのであれば、他の手法を用いてもよい。
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明によれば、地震観測網の複数の観測点からデータを収集して地震の震源位置を決定する震源位置の決定法であって、少なくとも2観測点からのP波の到着時刻データと該観測点以外の観測点からのP波の未到着時刻データを収集し、P波の到着時刻データと未到着時刻データから両データを満足する範囲を求めて震源位置を決定し、また、観測されたP波の到着時刻データと、緯度、経度、深さを震源パラメータとして計算される理論値との残差、及び未到着時刻データの残差を最小にする解を求めて震源位置を決定するので、少なくとも2観測点からのP波の到着時刻データが得られれば、未到着時刻データと合わせて即時的に震源位置を決定することができる。さらに、未到着時刻データの残差が大きくなる到着時刻データは、間違ったデータとして除去することにより、間違ったデータを発見し、それを除去することが可能であり、主要動の到着時刻前に少ない観測データで信頼性の高い正確な震源位置の決定を行うことができる。
【出願人】 【識別番号】501138231
【氏名又は名称】独立行政法人防災科学技術研究所
【識別番号】501389213
【氏名又は名称】堀内 茂木
【識別番号】501389224
【氏名又は名称】藤縄 幸雄
【識別番号】501389235
【氏名又は名称】根岸 弘明
【出願日】 平成13年10月4日(2001.10.4)
【代理人】 【識別番号】100088041
【弁理士】
【氏名又は名称】阿部 龍吉 (外7名)
【公開番号】 特開2003−114281(P2003−114281A)
【公開日】 平成15年4月18日(2003.4.18)
【出願番号】 特願2001−308218(P2001−308218)