【発表のポイント】

• 時間-周波数領域における地震動の3次元粒子軌跡解析法 ^注1 をより拡張する信号処理技術を開発しました。
• 流体力学分野で用いられる信号処理技術を、地球科学分野に導入することで、より包括的な地震動の3次元粒子軌跡解析が可能になりました。
• 少観測点、高ノイズといった観測状況が厳しい環境でも、地震動の特性評価が可能となり、地震学、惑星探査、資源開発といった様々な分野での応用が期待されます。

【概要】

地震動を、直交する3成分の地震計で計測することで、ある地点の3次元粒子軌跡を観察することができます。3次元粒子軌跡解析は、多数の観測点を設置することが難しい地下資源開発などの分野で、観測された地震動が持つより多くの情報を抽出するために用いられてきました。しかしながら、特に微弱な地震動に対して有効な時間-周波数領域の解析では、数学的記述の限界から、S波 ^注2 を含む，平面的に振動する地震動を抽出することができませんでした。
東北大学大学院工学研究科の永田貴之特任助教、野々村拓准教授（共に現名古屋大学大学院工学研究科）、森谷祐一教授、同大学流体科学研究所の椋平祐輔助教、博士後期大学院生Sun Jingyi氏、産業技術総合研究所の椎名高裕主任研究員は、流体力学分野等で用いられる時間遅れ座標系を基に、地震動の3次元粒子軌跡解析に時間遅れ成分を導入し、より包括的な地震動の特性評価が可能な信号処理技術を開発しました。本技術により、S波を含め平面偏波も特徴づけることが可能になりました。実データに適用した結果、既存技術に比して振幅の小さいP波 ^注3 の検出、S波の検出や後続波 ^注4 の抽出を可能とします。今後、地震動の特性評価が必要な様々な分野（地震学、惑星探査、資源開発）におけるデータ解析への適用が期待されます。
本研究成果は、2024年1月15日付でIEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensingに掲載されました。

【詳細な説明】

研究の背景

地震波は3成分の地震計で観測され、実際にはある地点の3次元粒子軌跡（リサージュ）を計測しています（図1）。通常、地震波は3成分別々で解析を行いますが、3成分粒子軌跡を解析することで、地震動の特徴を抽出することも可能です。例えば、地震のP波が到達した時に、「下から突き上げられたような縦波」と言いますが、これは垂直方向に卓越した振動が到来し，線状の粒子軌跡を示し，直線的な偏波と特徴づけられます。
近年、地下資源開発や二酸化炭素地下貯留のモニタリング、米航空宇宙局（NASA）の火星探査機Insightなどによる他の惑星探査、海底地震計など多数の観測点を設置することが難しい環境で得られた地震動データに対して、3次元粒子軌跡解析が再度脚光を浴びています。しかし、小さな信号を捉えることを得意とする時間-周波数領域の解析では、数学的記述の限界から、直線偏波しか扱うことができず、S波などの平面偏波の抽出は未だ困難でした。

今回の取り組み

東北大学大学院工学研究科の永田貴之特任助教、野々村拓准教授（共に現名古屋大学大学院工学研究科）、森谷祐一教授、同大学流体科学研究所の椋平祐輔助教、博士後期大学院生Sun Jingyi氏、産業技術総合研究所　椎名高裕主任研究員は、カオス時系列解析で用いられる時間遅れ座標系を基に、地震動の3次元粒子軌跡解析に時間遅れ成分を導入し、より包括的な地震動の特性評価が可能な信号処理技術を開発しました。
ここで開発した信号処理技術を、人工合成データでテストすると共に（図3）、実際に地下資源フィールドで得られた微小地震データや（図4）、後続波を含む自然地震データに適用し、既存技術に対して優れた地震検出性、多様な地震動の振動評価性を示しました。