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【発明の名称】 地震・噴火予知方法
【発明者】 【氏名】荒木 春視

【氏名】村井 俊治

【要約】 【課題】従来、地震・噴火予知は、精密基準点測量による基準点における水平方向変動量、精密直接水準測量による水準点の標高変動量を解析して行われてきたが、観測地点が互いに異なること、観測年月日が地区毎に異なるなどの理由で、迅速且つ正確に地震・噴火予知を行うことが困難であった。時間分解能の高い災害時期の予知と、正確な被害地域の予知を可能にする地震・噴火予知を可能にする地震・噴火予知の方法が強く望まれていた。

【解決手段】全国に配置された観測点における三次元座標の観測を、人工衛星を利用した汎地球測位システムにより連続的または定期的に実行し、任意の観測点の組み合わせで作られる三角形群の同一時期における面積変動率を、三次元座標系の3つの投影面に対して算出することにより、従来の予知方法より精度の高い地震・噴火予知が可能になる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
地表上の複数の観測点から任意の三点を選点し、該三点の位置に関する衛星観測データを、X,Y,Zの三軸を有する地心座標系に基づく三次元座標系で表現し、該三次元座標系の二軸から構成されるXY,XZおよびYZ平面への該三点の投影点により構成される三角形の面積を、同一観測時または略同一観測時に算出した結果に基づいて地震・噴火予知を行うことを特徴とする地震・噴火予知方法。
【請求項2】
地表上の複数の観測点から任意の三点を選点し、該三点の位置に関する衛星観測データをX,Y,Zの三軸を有する地心座標系に基づく三次元座標系で表現し、該三次元座標系の二軸から構成されるXY,XZおよびYZ平面への該三点の投影点により構成される三角形の面積を、同一観測時または略同一観測時に算出し、該三角形の面積の面積変動率に基づいて地震・噴火を行うことを特徴とする地震・噴火予知方法。
【請求項3】
対象地域を複数観測点よりなる三角形網で覆い、それぞれに対応する請求項2の三角形の面積変動率に基づいて地震・噴火予知を行うことを特徴とする地震・噴火予知方法。
【請求項4】
請求項2において、面積変動率に対して一定の閾値を指標として地震・噴火予知を行うことを特徴とする地震・噴火予知方法。
【請求項5】
請求項2において、面積変動率に対して一定の閾値に基づくと共に、その値の正負の反転を指標として地震・噴火予知を行うことを特徴とする地震・噴火予知方法。
【請求項6】
請求項2の三角形の面積変動率を演算により求める工程を含むことを特徴とするプログラム。
【発明の詳細な説明】【0001】
【発明の属する分野】
本発明は地震および火山噴火の予知の方法に関するものである。
【0002】
地震および火山の噴火が多発する我が国では、事前に危険を予知することは国家的関心事である。特に地震は何時、何処で発生するかを正確に予知することは困難であった。火山については、何時噴火することを予知する有力な予知方法に欠けていた。
【0003】
地震および火山噴火の予知は、学識経験者の判断により、国家が実施しており、その情報は必ずしも完全には公開されておらず、社会不安に十分答えるものではなかった。
【0004】
【従来の技術】
従来地震および火山噴火の予知は、精密な測量による地表上の点の水平変位および垂直変位の変動を解析することでなされてきた。水平変位は、精密基準点測量により、国家基準点あるいは設置された基準点の水平方向の変動で算出される。
精密基準点測量には時間がかかるため、広い地域に点在する多数点を全て同一日時あるいは短い期間内に観測することは不可能であった。このため、同時期における水平変位を求めることができないため、観測間隔が大きくなり、観測日の不一致による誤差が生じる欠点があった。
【0005】
垂直変位は、精密水準測量により水準点の標高の変動値として算出されてきたが、水平変位の観測と同じ理由から、同時期の観測ができない欠点を有していた。
このように、水平変位と垂直変位が観測される観測点および時期が異なることは従来の観測方法の短所である。
【0006】
水平変位および垂直変位の観測年月日および観測点が異なるため、従来の方法では水平方向と垂直方向を同時性および同域性を以て三次元解析することが困難であった。このため、「何時、何処」で地震および噴火が起きる可能性を予知する精度が低かった。
【0007】
近年人工衛星を利用した汎地球測位システム(例えば米国GPSおよびロシアのGLONASなど)が実利用できるようになり、汎地球測位システムを利用した観測点(以降衛星観測点と呼ぶ)において、連続的にその3次元座標が高精度で観測できるようになった。
【0008】
図1は汎地球測位システムの概念を示したものである。図1において1は地球、2は人工衛星の一つ、3は該人工衛星2の軌道を示している。汎地球測位システムは、原子時計を搭載した複数の人工衛星(GPSの場合24個)を宇宙空間に打ち上げ、その空間的位置(通常地球重心を原点とし、赤道面にXY座標を設け、赤道面に直交する天頂方向をZ軸とするいわゆる地心座標系を用いる)を衛星追跡技術により、正確に求めておいた上で、地上の任意の位置に設置されたアンテナに、最低三個以上の衛星の時計信号を受信し、アンテナと衛星の間の距離を求め、解析的に、アンテナ位置の正確な三次元座標を測定するシステムである。
図2は、地心座標系の概念を示したものである。図2おいて4は赤道、5は該赤道4を含む平面である赤道面に直交する天頂方向の軸(Z軸)、6,7は該赤道面上に設けられた直交する2つの軸(X軸およびY軸)である。X軸、Y軸、Z軸の原点は地球の重心(図示されていない)である。
【0009】
衛星観測を地震および火山噴火予知に利用する試みがなされている。不動と推定される衛星観測点一点を不動点扱いして他の衛星観測点あるいは国家基準点等の相対的座標変動(不動点に対して東西変位、南北変位および楕円体高変位)を観測する方法が行われている。この方法は不動点の選択に依存するため、同じプレート上の変動は検知できないことが生じ、全国的で全般的な予知には適さない欠点があった。さらに地球楕円体の形状は、最新の観測結果により逐次更新されており、最新の値が採用されるたびに、東西、南北変位量および楕円体高が変わるといった非普遍的問題を懐胎している。
【0010】
一般に海域には衛星観測点がないため、沿岸近くの海上の変位観測は従来不可能であった。
【0011】
従来、衛星観測点における座標変動は、年ごとの変化値としてしか公表されなかった。従来は、月あるいは季節単位、さらに短期間における変位の観測は公表されなかった。しかし、衛星観測を連続的に実施している国土交通省国土地理院が管理している電子基準点の衛星観測データ(米国のGPSを利用しているので、以降GPS観測データと呼ぶ)が2002年度から一般に一部開放されるようになり、2003年度以降は誰でもGPS観測データを実時間で利用できる基盤整備が整いつつある。
【0012】
GPS観測による観測点間における距離の変動率の解析によってもある程度地震および火山噴火の予測は可能であることは、本発明者の先の発明に記載されている(特願2001−356660 地震予測方法、地震予測システム及び地震予測プログラム)。しかし、観測点間を結ぶ線分の変動率の測定では、震源域または被害地域を面的に言い当てるのは困難であった。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
この様に従来の方法では、時間分解能の高い災害時期の予知と、正確な被害地域の予知の精度は余り高いとは言えなかった。
【0014】
本発明は従来の持つ課題を解決する極めて有効な地震・噴火予知の方法を提供するものである。
【0015】
本発明の第一の目的は、高い精度で地震・噴火予知を行うことができる方法を提供することである。
【0016】
本発明の第二の目的は、短期間における地震・噴火予知を迅速に行うことができる方法を提供することである。
【0017】
本発明の第三の目的は、地震・噴火の発生地域を高い精度で特定する方法を提供することである。
【0018】
本発明の第四の目的は、沿岸近くの地域における地震・噴火予知を可能にする方法を提供することである。
【0019】
【課題を解決するための手段】
本発明は、予知の基本データとして衛星観測データを用い、従来の観測点の座標移動量による解析に替わって、地表上の任意の三点から構成される三角形群の三角形面積の変動率を用いて、予知を実施することである。これにより、危険な地域を三角形単位で位置を予知できる。
【0020】
三角形群の三角形面積は、地盤変動が水平方向および垂直方向いずれにも生起する可能性を考慮して、XYZ座標系のうち二軸から構成されるXY,XZおよびYZ平面上に投影された観測点の投影点により構成される3つの三角形の面積をそれぞれ算出する。
【0021】
図3は本発明を詳細に説明するための図である。図においてA点、B点、C点はそれぞれ、任意に選ばれた地表上の3つの観測点である。X軸、Y軸、Z軸はそれぞれ地心座標系の三軸である。A点のXY投影面への投影点をAxy,同様にB点のXY投影面への投影点をBxy,C点のXY投影面への投影点をCxyとする。同じようにA点のXZ投影面への投影点をAxz,同様にB点のXZ投影面への投影点をBxz,C点のXZ投影面への投影点をCxzとする。さらにA点のYZ投影面への投影点をAyz,同様にB点のYZ投影面への投影点をByz,C点のYZ投影面への投影点をCyzとする。ここでAxy、Bxy、Cxyの3点で構成される三角形の面積をSxyと定義し、Axz、Bxz、Cxzの3点で構成される三角形の面積をSxzと定義する。同様に、Ayz、Byz、Cyzの3点で構成される三角形の面積をSyzと定義する。今、時刻tにおける面積SxyをSxy(t)、時刻tよりΔt時間経過した時の面積SxyをSxy(t+Δt)とすれば、時刻tからt+Δtの間の三角形面積変動率Rxyは、着目する観測時の三角形面積Sxy(t+Δt)から前回観測時の三角形面積Sxy(t)を差し引き、前回観測時の三角形面積Sxy(t)で割った値で算出される。即ちRxy=(Sxy(t+Δt)−Sxy(t))/Sxy(t)で算出される。同様な方法でSxz、Syzに対して、Rxz、Ryzが算出される。
【0022】
従来の技術においては、平面は測地座標系、高さは標高を利用してきたが、本発明においては、衛星観測の直接出力である地心座標系を用いることで、座標変換に伴う誤差要因を排除した。
【0023】
複数の衛星観測点における連続的あるいは定期的な観測を、同時期または略同時期、および同位置地点で実施し、上記の三角形面積の観測時間間隔における変動率Rxy、Rxz、Ryzを算出し、その変動を監視し、解析することで、地震・噴火の予知を行う。
【0024】
【発明の実施の形態】
本発明の第一の実施の形態は、地表上の観測点から任意の三点を選点し、該三点の位置に関する衛星観測データを、X、Y、Zの三軸を有する地心座標系に基づく三次元座標系で表現し、該三次元座標系の二軸から構成されるXY、XZ、YZ平面への該三角点の投影点により構成される三角形の面積を、同一観測時または略同一観測時に算出した結果に基づいて地震・噴火予知を行う地震・予知方法に関するものである。
【0025】
本発明の第二の実施の形態は、地表上の複数の観測点から任意の三点を選点し、該三点の位置に関する衛星観測データを、X、Y、Zの三軸を有する地心座標系に基づく三次元座標系で表現し、該三次元座標系の二軸から構成されるXY、XZ、YZ平面への該三点の投影点により構成される三角形の面積変動率に基づいて地震・噴火予知を行う地震・噴火予知方法に関するものである。
【0026】
本発明の第三の実施の形態は、対象地域を複数観測点よりなる三角網で覆い、それぞれに対応する請求項2の三角形の面積変動率に基づいて地震・噴火予知を行う地震・噴火予知方法に関するものである。
【0027】
本発明の第四の実施の形態は、第二の実施の形態の面積変動率に対して一定の閾値を指標として地震・噴火予知を行う地震・噴火予知方法に関するものである。
【0028】
本発明の第五の実施の形態は、第二の実施の形態の面積変動率に対して一定の閾値に基づくと共に、その値の正負の反転を指標として地震・噴火予知を行う地震・噴火予知方法に関するものである。
【0029】
本発明の第六の実施の形態は、第二の実施の形態の三角形の面積変動率を演算により求める工程を含むことを特徴とするプログラムに関するものである。
【0030】
面積変動率Rの値は一般にきわめて小さな値となり、100万分の一単位(ppm)の無次元の値で表される。変動率の算出に使う前回観測の値を、固定しても良いし、その都度、観測期間の初めの値を使っても良い。
【0031】
複数の観測の変動解析にあたっては、観測間隔が異なることがあるため、年または月など等間隔の観測期間に換算して表示すると、単位時間の変動すなわち速度を考慮した変動解析が可能になる。
【0032】
一般に該面積変動率が大きな値を示す時は、地震又は噴火の規模が大きいことを推察できる。従って面積変動率にある閾値を設け、この値を指標として地震・噴火予知を行う。
【0033】
該面積変動率が正の値の時は、地盤が引張の応力を受け、負の時は圧縮の応力を受けると解釈できる。従って、正負が反転する時は、地盤が、引張から圧縮へ、または圧縮から引張に転じた時を意味し、地震または噴火の危険が極めて大である可能性を有する。この面積変動率の正負の反転を指標として、地震・噴火の予知を行うことができる。
【0034】
三角形群を構成するGPS観測点は、全国約1000点を超える電子基準点から任意に選択ができるが、本発明においては、互いに十分な間隔を有すること、位置するプレート、地震や噴火の危険が予想される地域、等を考慮して数10キロメートルまたは数100キロメートルの間隔の日本列島三角網を構築する。また、必要に応じて観測点を増減できることは言うまでもない。
【0035】
島部あるいは半島先端に設置された観測点を含む三角形は一部海上を含むため、本発明においては、陸上の点のみしか解析できなかった従来の予知方法に対して、該三角形に含まれる近海沿海の海域を含める予知が可能となる。
【0036】
本発明においては、不動点を推定して選択する必要がなく、選定されたGPS観測点から構成される三角形群の面積変動率を等しい重みづけで監視できる長所を有する。すなわち全ての点を動点と仮定することができ、地域を特定することなく日本全体の予知ができる。
【0037】
GPS観測の精度は、数ミリメートル以下であることを考慮し、さらに地震時の地盤の変動が数センチメートル以上とすると、数10キロメートルから数100キロメートルの間隔の三角形面積の変動率は、100万分の一単位(ppm)である。発明者の観測例および解析研究によれば、震度6以上の地震又は避難を必要とされる規模の火山噴火を想定する時、年間の三角形面積変動率に換算した値が、1ppm未満は問題なしと予測でき、4−9ppmの範囲を注意、10ppm以上のとき、前兆として警戒が必要であり、20ppm以上で、さらに該面積変動率の正負が反転すると、きわめて危険であることが予知できる。これらの閾値は、今後観測例が蓄積されるのに伴い、さらに適切な値に微調整できる可能性がある。
【0038】
一般に地震は広範囲の地盤変動を伴い、火山噴火は狭い範囲の地盤変動を伴うことが知られている。従って、地震および火山噴火の前兆調査段階においては、観測点の密度は粗くてもよいが、地震および火山噴火の予知段階においては、衛星観測点を目的に応じて、選択する必要がある。地震および火山噴火の直前予知段階においては、監視地域が特定されている段階であり、観測点および観測間隔を密にする必要がある。
【0039】
【実施例】
以下に詳述する実施例は、GPSにより同地点および同日時に観測された三次元座標から算出された三角形群の三角形面積変動率を解析して地震の予知を行ったものである。図4は、以下の実施例において使用した日本列島三角網である。なお、三角形面積変動率は、年間変動率に換算した値である。
【0040】
本発明の第一の実施例は2000年10月6日に起きた鳥取県西部地震(M7.3)の予知に関するものである。GPS観測点のうち、該地域周辺(中国・四国周辺)に位置する出雲、松山、広島、海南、徳島、高松、高知、大分、福岡の観測点を選択し、これらの観測点から形成される三角形群を次の9つの三角形で構成した。
1)出雲、海南、徳島 2)出雲、高松、松山 3)出雲、松山、広島
4)高松、広島、松山 5)高松、松山、高知 6)高松、高知、徳島
7)徳島、高知、松山 8)広島、松山、大分 9)広島、大分、福岡
【0041】
GPS観測は、1998年11月、1999年11月、2000年4月および2000年9月の地震発生直前の4時期に実施し、それぞれ3期間(期間1:1998年11月−1999年11月、期間2:1999年11月−2000年3月、期間3:2000年4月−2000年9月)のXY,XZおよびYZ投影面における三角形面積変動率を算出し、さらに年間変動率に換算した。
【0042】
XY,XZおよびYZ投影面の三角形面積の換算変動率のうちもっとも大きな値を示したのは、XZ投影面であった。XZ投影面における該三角形面積変動率(年換算率)は、上記9つの三角形および3つの期間に対して、下記の値(ppmの単位四捨五入)を示した。


【0043】
上記の三角形番号3は、極めて危険な動きであり、鳥取県西部はこの三角形内に存在し、面積変動率の正負が反転した1ヶ月後(2000年10月)にマグニチュード7.3の地震が発生した。
【0044】
本発明の第二の実施例は、2000年6月に起きた三宅島火山噴火および神津島近海地震の予知に関するものである。
【0045】
GPS観測点のうち、該地域に位置する東京、成田、大島、三宅島の観測点を選択し、これらの観測点から形成される三角形群を次の4つの三角形で構成した。
10) 東京、成田、大島 11)東京、成田、三宅島
12) 東京、大島、三宅島 13)成田、大島、三宅島
【0046】
観測期間および算出した値は、実施例1と同じである。三角形の面積変動率は下記の値を示した。


【0047】
上記の三角形番号12および13に対応する地域は極めて危険であり、三宅島および神津島はこの三角形内に存在する。面積変動率の正負が反転した段階で、2000年6月に三宅島が噴火し、同年7月に神津島近海地震(最大マグニチュード6.4)が発生した。
【0048】
上記実施例の他、2000年3月の有珠山噴火、2001年3月の芸予地震、2001年5月の浅間山噴煙(1200メートルの高さ)の例においても、上記実施例と同じような予知が可能であったことが確認され、本発明の有効性が確認された。
【0049】
【発明の効果】
本発明によって以下の効果を得ることができる。
(1)高い精度で地震・噴火予知を行うことが可能となった。
(2)地震・噴火予知を迅速に行うことが可能になった。
(3)地震・噴火の発生地域を高い精度で特定することが可能となった。
(4)沿岸近くの地域における地震・噴火予知が可能となった。
(5)従来担当官庁のみしか予知できなかった地震・噴火の予知が、民間企業又は一般市民レベルでも可能になった。
(6)衛星観測網を構築すれば、日本以外の地震多発国の地震予知および火山国の噴火予知に貢献することが可能となった。
(7)地震や火山噴火による地盤の変動のみでなく、地滑りなど三次元的変位をする地形や他の人工構造物の変動解析が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図1】汎地球測位システムの概念を示す図。
【図2】地心座標系の概念を示す図。
【図3】本発明を詳細に説明するための図。
【図4】実施例で使用された日本列島GPS観測三角網を示す図。
【符号の説明】
1 地球
2 人工衛星の一つ
3 人工衛星の軌道の一つ
4 赤道
5 赤道を含む赤道面に直交する天頂方向の軸、Z軸
6 赤道面に設けられた直交する軸、X軸
7 赤道面に設けられた直交する軸、Y軸
【出願人】 【識別番号】398002488
【氏名又は名称】有限会社環境地質研究室
【識別番号】596163013
【氏名又は名称】村井 俊治
【出願日】 平成15年1月24日(2003.1.24)
【代理人】
【公開番号】 特開2004−226388(P2004−226388A)
【公開日】 平成16年8月12日(2004.8.12)
【出願番号】 特願2003−51965(P2003−51965)