地震波形の研究 Earthquake Wave Study
EWS41 北海道胆振南東部地震波形にはすべてP波があります

黒月解析研究所 黒月樹人(KULOTSUKI Kinohito)

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 はじめに

 EWS40までずいぶんと時間がかかりました。次の解析の準備も進めていますが、抽象的な指標@からDについてのグラフを並べて考察してゆくことを考えると、さらに時間がかかりそうで、新ページ制作のハードルがさらに高くなってきました。
 そこで、少し低いハードルのページを作り、精神的なコンディションを調整したいと思います。
 もっとリラックスして述べると、実は、「人工地震」と何らかの言葉をキーワードとして、ウェブをサーフィンしていたとき、次のサイトを見つけ、ついつい見入ってしまったのでした。

 【よくわかる人工地震】北海道地震は人工地震である!【VOICEROID解説】 - YouTubeツイッターのコメントで見るニュースサイト・セロン [3]
 オリジナル(org)画像 [4]

 よくできています。「人工地震」についての基本的な知識が、よく分かるようにまとめられていました。
 とくに、地中に廃液を注入するという人工的な操作が、結果的に地震を起こすことがあるということを示した、画像開始後9秒あたりの「廃液の注入量と地震数との関係」の対応は圧巻でした。
 次の図1などは、オリジナルの画像からコピーしたものから、説明に必要な部分だけを切り出したものです。

図1 「廃液の注入量と地震数との関係」の対応図(org911)

 北海道胆振中東部地震の近く、苫小牧でCCS実験(Carbon dioxide Capture and Storage二酸化炭素を回収して地中に貯留する実験)が行われていたことや、それが実は日本で2例目のことで、最初のCCS実験が2003年から新潟県長岡市の天然ガス田で行われていたことを知りました。その実験地から17kmしか離れていないところで、2004年の新潟県中越地震が、さらに、その反対側で、2007年の新潟県中越沖地震が起こっています。

図2 長岡CCS実験と中越地震・中越沖地震震源との位置関係(org1225)

 内容の構成のまとめ(目次)が1分22秒の画像にあります。これのEとして「人工地震と自然発生型地震の見分け方」という項目があり、15分06秒から始まりました。ここまでの内容から、とても期待が高まっていましたが、やがて、それは失望に変わりました。
 @からDまでの内容があまりに素晴らしいものだっただけに、このEは、すべてをぶち壊すものとしか思えません。その理由を説明します。

 E「人工地震と自然発生型地震の見分け方」の問題点

 このE章において主張されている論点は、科学的に正しくありません。
 一つ目の問題点は、自然発生型の地震の波形として図3のものを取り上げているということです。
 私はここ最近、気象庁やK-NETのデータをダウンロードして、それらの地震波形を調べていますが、図3の地震波形が確かに「自然発生型」であり「人工地震」ではないとと判定することができません。
 この図3によく似た波形は「2011年の東北地方太平洋沖地震」の震央距離300kmらいの観測点のものとして現れています。これには「人工地震」の疑いがかけられています。これほど長く振動が続く地震波形というものは、なかなかありません。
 この図3の地震波形では、P波の初めのあたりの振幅が大きくなりすぎていて、私が「ひし形P波」と呼んでいるものに対応します。この「ひし形P波」が、自然なものか人工的なものか、まだよく分かっていません。
 さらにこの図3をよく見ると、P波の先端部分に、小さな振幅の「謎の先行波」らしき部分があります。この「謎の先行波」も、自然なものか人工的なものか、まだよく分かっていません。
 もうひとつ、この地震波形を記録したチャンネルの表示がありません。おそらく、NSチャンネルかEWチャンネルのものと推測されますが、もしUDチャンネルのものだとしたら、議論をはじめからやりなおさなければならなくなります。

図3 自然発生型の地震の波形

 二つ目の問題点は、図4の地震波形を「人工地震の波形」としていますが、ほんとうに、そうなのでしょうか。私は「人工地震」の波形を調べたいと思って、そのようなデータを探していますが、いまだに一つも手に入れられていません。
 三つ目の問題点は、とても大きなものです。図4に示されているように、この地震波形のピンク色の部分が「S波(主要動)」とされていますが、これだけの振幅を持っている地震波形において、P波が無いというものは、これまで調べた中でひとつもありませんでした。
 爆発現象による地震波形で記録される、さいしょの大きな振幅部分はP波なのです。さらに、等方に広がる爆発現象では、S波を生み出すメカニズムを想定することがむつかしいので、S波が生じないとされています。私はそこまできょくたんには考えません。以前ダイナマイトを使って発生させていた人工地震の波形記録では、P波もS波も、自然地震と同じように観測していたと思います。
 図4の地震波形では、はじめのところの振幅が最大になっています。ところで、そこから(タイムスケールがないので正確なことは分かりませんが)何秒かあとに、2番目に大きな振幅をもつ波群が認められます。
 いくつかの地震波形のUDチャンネルのものにおいて、このようなパターンを示すものがあります。はじめの大きな振幅は、爆発かもしれませんが、はじめに起った振動がP波として伝わって来たもので、2番目のピークとなる波群は、震源より地下にあった反射面を経由してきた波(コーダ波といいます)という可能性があります。そして、UDチャンネルでは、地下から上へ向かってきた地震波がS波の揺れを持っていても、記録されないということが起こることがあります。
 あるいは、これがUDチャンネルのものとして、さいしょの大きな振幅がP波で、2番目あたりからS波というケースも考えられます。
 どうやら、これらの図3と図4は、自然地震と人工地震の比較模式図 [5] として、いろいろなサイトで使われているものから構成したようです。オリジナルのサイトが分かるのなら、これらの波形の出典を聞いてみたいところです。
 ともあれ、図4の波形をすべてS波(主要動)とするのは誤りです。

図4 人工地震の波形

 四つ目の問題点は、図5の北海道胆振南東部地震の波形が図4の人工地震の波形と同じであるから、P波がなくてS波から始まっているということですが、これは間違っています。
 まず「同じ」ではありません。そして、S波から始まってはいません。はじめにある小さなこぶのような部分は、明らかにP波です。P波がどこまでで、S波がどこから始まっているのかは、このような波形の表現形式だけで判断することは困難です。

図5 北海道胆振南東部地震の波形

 この図5の地震波形の出所を特定します。
 図5の右下のマークより、「防災科学技術研究所 強震観測網 K-NET」[2] のデータであることが分かります。
 左下に地震波形が始まる時刻が「2018/09/06 03:07:50」と記されています。ここから、北海道の胆振中東部地震の、さいしょに起った本震だと分かります。
 この地震波波形の、向かって左に「HKD128 (3)」と記されています。HKD128はK-NETで使われている観測点「早来」のコードです。この観測点は地表に地震計を設置しておくタイプのものです。(3)とあるのは、その地震計のUDチャンネルであることを示しています。
 このあと、この地震波形のデータを詳しく調べてゆきます。

 北海道胆振南東部地震の本震での「早来」のUDチャンネル波形の解析 (1) 

 K-NET で 「2018/09/06 03:07:50」の時刻を調べ、HKD128という観測点コードから、図6のサンプル波形へとたどりつくことができます。

図6 K-NETのサイトで見られる 北海道胆振南東部地震の
本震「早来」地震波形(加速度)

 私はこのサイトで登録してありますから、この地震波形のデータをダウンロードすることができます。ダウンロードされたファイルは圧縮されていますので解凍すると、NSチャンネル、EWチャンネル、UDチャンネルの3つについてのテキストファイルが得られます。それらにはいろいろな情報のメモが記されたヘッダ部分につづいて、波形データの数値が並べられています。
 詳しいアルゴリズムは略して、このようなテキストファイルを読み取って、私の流儀で地震波形を再構成するソフト eqka6.exe で表したものが、次の図7から図18までです。
 まずは図7ですが、横軸の時間を(私のソフトのモードで)TIME[16] としています。K-NETの図6のデータをTIMEで表すとTIME[70] くらいになりました。図6も図7も縮小して掲載していますので、このまま比較するのは無意味ですが、図7の横幅を1/2にすれば図6くらいになりそうです。
 K-NET のサンプル波形図では、NS, EW, UDチャンネルの波形を、それぞれのチャンネルの最大振幅で正規化しています。この方法を私のソフトでは[EACH]と呼んでいます。
 K-NETのサイトのデータでは、波形が3つ並んでいるものと、6つ並んでいるものがあります。この6波形のとき、上から3つが地下の地震計(G)によるもので、下の3つが地表の地震計(S)によるものです。いろいろ観察してみると、地下の地震計(G)の振幅は、地表の地震計(S)の、およそ1/10くらいになっています。地震波というものは、地下では周囲の岩盤からの圧力のため、自由に振動できないようです。そして、地表へと近づくと、周囲の圧力が小さくなって、大暴れするようなのです。
 このような、地下(G)と地表(S)の地震波形の振幅を、一つの最大振幅値で正規化([ALL])すると、地下(G)の地震波の様子が分からなくなってしまいます。そこで、K-NETでは [EACH]で正規化しているようです。
 気象庁のデータでは、すべて3チャンネルです。地震波形のサンプル画像は共通の振幅値を決めて、点線で示してから波形を描いています。[ALL]の正規化です。

図7 K-NET HKD128(早来)の地震波形(加速度) [EACH], AMP[1], TIME[16]

 図7は正規化法が [EACH] でしたが、これを [ALL] にしたものが、次の図8です。
 このとき、同じ [ALL] ですが、基準とする最大振幅値を、波形から求めるのではなく、外から指定する方法で、400 [gal] としてあります。
 この図8では時間がTIME[16]ですが、図9から図11にかけて、TIME[8], TIME[4], TIME[2]として、時間軸を2倍ずつ伸ばしてゆきます。ほぼ同じ位置から波形が始まっているように感じとれるように、描写のスタート位置は変えています。
 このようにしてゆくと、NSチャンネルとEWチャンネルで、折れ線で表示した地震波形の「波の間隔」が広がってゆくところがあることが分かることでしょう。低周波の波が見えてきたわけです。これらは明らかにS波です。ただし、S波のすべてが低周波というわけではありません。P波と同じくらいの高周波で伝わっているS波もあります。

図8  K-NET HKD128(早来)の地震波形(加速度) [ALL], AMP[1], TIME[16]

図9  K-NET HKD128(早来)の地震波形(加速度) [ALL], AMP[1], TIME[8]

図10  K-NET HKD128(早来)の地震波形(加速度) [ALL], AMP[1], TIME[4]

図11  K-NET HKD128(早来)の地震波形(加速度) [ALL], AMP[1], TIME[2]

 北海道胆振南東部地震の本震での「早来」のUDチャンネル波形の解析 (2) 

 げんみつにS波の到来位置を探すために、これまでの折れ線表示から、棒グラフの表示に変えました。また、図11までの最大振幅値は、外部指定の 400 [gal] でしたが、ここで、3つのチャンネル波形の最大振幅値の 632.734 に戻しました。このため、図11より図12のほうが、縦に縮んだように見えます。これは、後の解析のための都合です。
 図12は地震計が観測した値のままの加速度値 [gal=cm/s/s] です。
 このあとの説明はTIME[1]のデータとして述べています。この表し方では、1秒間に100個のデータが並びます。
 このデータ1つにつき時間として1/100秒(0.01秒)を掛けつつ積分してゆくと、速度値 [cm/s] となります。速度値で表したものが図13です。
 同じように、速度値のデータ1つにつき1/100秒を掛けつつ積分してゆくと、変位値 [cm] となります。変位値で表したものが図14です。
 ここのところの操作は、実際、それほどかんたんなものではありません。気象庁などのデータでは、フーリエ変換を利用して、低周波の波として現われる、ドリフトノイズによる影響を取り除いているそうですが、私はフーリエ変換を使わず、これらのドリフトノイズの性質を調べ、いくつかの手法を組み合わせて、低周波の波の影響を取り除いています。

図12  K-NET HKD128(早来)の地震波形(加速度) [ALL], AMP[1], TIME[2]

図13  K-NET HKD128(早来)の地震波形(速度) [ALL], AMP[1], TIME[2]

図14  K-NET HKD128(早来)の地震波形(変位) [ALL], AMP[1], TIME[2]

 図14は変位値で表した地震波形です。これらのデータについて、NSチャンネルとEWチャンネルの同じ時刻の振幅から、この瞬間の波が、どの方向へ揺れているのかを求めて表すコンパス解析の結果をUDチャンネル波形の代わりに、CPS2 として描きます。
 この原理をかんたんに説明します。同じ瞬間で、NSチャンネルの振幅がNの向きに1で、EWチャンネルの振幅がEの向きに1なら、NEの方向に1.4142(ルート2)の振幅で動いたことになります。すべて、このアルゴリズムで、方角と振幅を求めることができます。
 図15は、このようなアルゴリズムによるコンパス解析に、方角ごとに8色を割り振って描いたカラーコンパス解析による表示です。カラーコンパス解析には、4色表示のモードがあと2種類あります。
 この8色カラーコンパス解析では、はじめ、もっと多くの色で連続して変化するようにしていたのですが、少しずつ色が変化するのでは分かりにくいということに気づき、4色ではおおざっぱすぎるので、このような8色にしたものです。
 黒と赤の強い色で90度の2軸とし、それらと45度ずれて、黄緑と黄色でべつの90度の2軸としています。このようにすると、一般に振動の向きが90度違うとされるP波とS波の違いが、色のパターン変化としてとらえられやすくなります。
 ただし、このようにして数多く観察して分かってきたことですが、P波の進む向きに対して、いつも90度の違いでS波が揺れるとは限らないということが分かってきました。

図15  K-NET HKD128(早来)の地震波形(変位) [ALL], AMP[1], TIME[2]
カラーコンパス解析2Cの8色配色
(画像をクリック → 拡大画像へ)

 コンパス解析の CPS2 のところで、扇風機の羽根のように広がっているところは、明らかにS波です。P波とS波の境界は、もう少し前にあることもあるので、図15の様式を変えて、その部分が観察しやすいように拡大したものが図16です。
 縦軸の拡大は振幅を大きくします。横軸の拡大は時間軸でTIME{2}→TIME[1]=SLOW{1/1}→SLOW[1/2]などとします。
 図16で観察したところ、振幅の変化だけではなく、黄緑色から90度変化することになる黄色に変わったということから、データ開始時刻から24.1秒のところに S波の到来位置(時刻)があると考えられます。データ開始時刻からおよそ24秒のところからS波が始まります。

図16  K-NET HKD128(早来)の地震波形(変位) [ALL], AMP[4], SLOW[1/2]
カラーコンパス解析2Cの8色配色
(画像をクリック → 拡大画像へ)

 データ開始時刻から24秒のところからS波が始まることを、図11のTIME[2]の折れ線波形に赤い縦線で示したものが、次の図17です。加速度波形では、明らかなS波である低周波で広がってゆく部分より、少し前にあります。
 図18は、TIME[16]の折れ線波形に赤い縦線でS波の初動位置を示したものです。
 図19は、K-NET のサンプル画のUDチャンネル波形に描いたものです。

図17  K-NET HKD128(早来)の地震波形(加速度) [ALL], AMP[1], TIME[2]
S波の到来位置に赤い縦線

図18  K-NET HKD128(早来)の地震波形(加速度) [ALL], AMP[1], TIME[16]
S波の到来位置に赤い縦線

図19  北海道胆振南東部地震の本震「早来」地震波形(加速度) 
UDチャンネルについてS波の到来位置に赤い縦線

 図19は北海道胆振南東部地震の本震「早来」地震波形(加速度)のUDチャンネルについてS波の到来位置に赤い縦線を描いたものです。
 もとの黒い線だけのパターンから、ここにP波とS波を区切る境界があるということを判断するということが、はたしてできるでしょうか。
 時間軸をきよくたんに縮められた、K-NETのサンプル画像を見て、これにはP波が無いとか、S波はここから始まっているとか、かんたんに判断するのは、とても危険な行為です。

 おことわり

 これまでここでは(蛇足)という注釈を添えて「気象庁が公表した人工地震の波形(YouTube画像から)」[6] をとりあげて考察していましたが、まさに蛇足でした。
 北朝鮮が行った地下核実験の地震波形を気象庁がとらえた画像は、詳しく調べてゆくと、新聞社などがまとめたサイトなどで取り上げられています。
 これらにより、これらの人工地震波形についての、横軸である時間軸の値も分かります。このことを考慮すれば、さらに詳しい考察が可能です。
 このようなわけで、ここでの考察はカットして、あらためて構成したいと思います。
 (Written by KLOTUKI Kinohito, Dec 27, 2018)

 あとがき

 今回の解析で分かったことは、参照資料の[5] 自然地震と人工地震の比較模式図として収録した図の地震波形が、確かな自然地震の波形であるかということも、本物の人工地震の波形であるかということも、ともに疑わしいということです。
 さらに、この図の人工地震についての注釈に「90年代以降の大地震は、全てこの[爆発]波形です。阪神淡路、新潟中越、東日本、熊本地震…」と記されていますが、この主張は、まったくの誤りです。
 気象庁やK-NETの地震波形データを調べたところ、[爆発]波形として認められるようなものは、どこにもありませんでした。
 多くの人々が [爆発]波形と見なしているものは、気象庁やK-NETのサンプル波形図の、UDチャンネルのパターンを見て、単にそうだと思い込んでしまったものでした。
 (1) 時間軸がきょくたんに縮められていること
 (2) 正規化が[EACH] であるためUDチャンネルが強調されすぎていること
 (3) 地下から上へと地震波が向かっているときUDチャンネルではS波の揺れを無視する幾何的な構造となっていること
 このような理由について理解されていないため、そのような誤りが生じると考えられます。
 阪神淡路と東北地方太平洋沖地震については、どちらかというと、自然地震に近いパターンです。ただし、東北地方太平洋沖地震は、大きな地震が時間をおかずに2つ以上起こっているという点で、かなり異質です。
 熊本地震と大阪府北部地震は、UDチャンネルに大きなひし形P波が見られる観測点があるという点で、通常の自然地震とは異質なものですが、NSチャンネルとEWチャンネルについては、かなり自然な様相です。
 新潟中越地震については、現在詳しく調べているところですが、やや異質なところもあり、微妙なところです。
 あまり知られていませんが、石狩南部地震というものも、少し異質な特徴をもっています。
 これらの大地震においては、小さな、ほとんど目立たない、自然地震とみなせるものと、まったく同じパターンであるとは言えませんが、ウェブで誤ってひろまっているような、P波が無いから人工地震だ と即断できるような、かんたんで明らかな特徴は現れていません。
 このページのタイトルを見直して、話がどんどん流れていることに気づきました。
 はじめの問題は「北海道胆振中東部地震が人工地震」なのかどうかということでした。
 この地震についての地震波形はたっぷり観察してきました。それらのどれもが、[爆発]波形ではありません。
 しかし、【よくわかる人工地震】北海道地震は人工地震である![3] の中で詳しく解説されていたような、「廃液などを地中深くに注入したときに起こる地震」を「人工地震」と見なしたとき、このような地震がどのような特徴をもっているかということは、まだよく分かっていないと思われます。
 このような地震は、地下で何かが爆発したのではなく、地下で何かが突然動いたと考えられます。すると、自然な断層のずれによる地震と、いったい何が違ってくるのでしょうか。
 このあたりのことを、しっかりと見極めてゆかないと、仮に人工地震がほんとうに存在していたとしても、私たちは、それを見逃し続けてしまうかもしれません。
 (Written by KLOTUKI Kinohito, Dec 24, 2018)

 参照資料

[1] 気象庁の主な地震の強震観測データ
[2] 防災科学技術研究所 強震観測網 K-NET
[3] 【よくわかる人工地震】北海道地震は人工地震である!【VOICEROID解説】 - YouTubeツイッターのコメントで見るニュースサイト・セロン
[4] オリジナル(org)画像
[5] 自然地震と人工地震の比較模式図
(1) 紙幣の不思議2
(2) Apocalisse
など、多数のサイトで使われている。

図A自然地震と人工地震の比較模式図

[6] 「自然地震でない」 気象庁が観測

 

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