地震音

地球物理学、地質学、土木工学、および関連分野において、地震ノイズは、さまざまな原因によって地面で比較的持続的に発生する振動の総称であり、地震計によって記録された信号の解釈不可能な要素、または望ましくない要素となることが多い。

物理的には、地震ノイズは主に地表または地表近くの発生源によって発生するため、大部分は弾性表面波で構成されます。低周波（1 Hz未満）は一般に微小地震と呼ばれ、高周波（1 Hz 以上）は微動と呼ばれます。地震波の主な発生源には、人間の活動（交通や産業活動など）、風やその他の大気現象、河川、海の波などがあります。

地震ノイズは、地質学、石油探査、水文学、地震工学、構造健全性監視など、地震学に依存するあらゆる分野に関連しています。これらの分野では、地震ノイズは周囲波場または周囲振動と呼ばれることがよくあります(ただし、後者の用語は、空気、建物、または支持構造物によって伝達される振動を指す場合もあります)。

地震ノイズは、地震の監視や研究、精密フライス加工、望遠鏡、重力波検出器、結晶成長など、外来振動に敏感な活動にとってしばしば厄介なものです。しかし、地震ノイズには実用的な用途もあり、橋、建物、ダムなどの土木構造物の低ひずみおよび時間とともに変化する動的特性の決定、地震干渉法の手法を使用することが多いさまざまなスケールでの地下構造の地震学的研究、河川地震学などの環境モニタリング、地震時の局所的および地域的な地盤応答を特徴付ける地震マイクロゾーニングマップの推定などがあります。

地震ノイズの発生源に関する研究^{[1]によると、}スペクトルの低周波部分(1 Hz 未満) は主に自然的原因、特に海洋波によるものであることが示されています。特に、世界的に観測されている 0.1 Hz から 0.3 Hz の間のピークは、ほぼ等しい周波数でありながら反対方向に伝播する水波の相互作用と明らかに関連しています。^{[2] [3] [4] [5]} 高周波 (1 Hz 以上) では、地震ノイズは主に道路交通や産業活動などの人間の活動によって発生しますが、河川などの自然発生源もあります。^[6] 1 Hz 以上では、風やその他の大気現象も地面の振動の主な発生源となる可能性があります。^{[7] [8]}

地震活動が低い時期に検出された人為的騒音には、カメルーンのサッカーファンが足を踏み鳴らす「足音」が含まれる。^[9]

非人為的活動としては、ギニア湾のボニー湾を中心とする26～28秒間隔（0.036～0.038Hz）のパルスがあり、これはアフリカ沿岸に集中した嵐の波が反射して比較的浅い海底に作用したものと考えられています。^[9]

地震による騒音振動の振幅は通常0.1～ 10μm / s程度である。周波数の関数として高および低バックグラウンドノイズモデルが世界的に評価されている。^[10]

地震ノイズには少数の実体波（P波とS波）が含まれますが、表面波（ラブ波とレイリー波）は表面の震源過程によって優先的に励起されるため、表面波が優勢です。これらの波は分散性があり、つまり位相速度は周波数によって変化します（一般に、周波数が増加すると位相速度は低下します）。分散曲線（周波数の関数としての位相速度または遅さ）は深さによるせん断波速度の変化に関連しているため、非侵襲的なツールとして地下の地震構造や逆問題を決定するために使用できます。

通常の状況では、地震ノイズの振幅は非常に小さく、人間には感じられません。また、19世紀末の初期の地震計のほとんどでは、記録できないほど小さかったです。しかし、20世紀初頭までには、日本の地震学者大森房吉は、振幅が拡大される建物内の周囲の振動をすでに記録していました。彼は建物の共振周波数を特定し、損傷の関数としてのその変化を研究しました。^[11]世界的に目に見える30秒～5秒の地震ノイズは、地震学の歴史の初期に海洋から発生するものとして認識されており、その発生に関する包括的な理論は1950年にロンゲ・ヒギンズによって発表されました。 ^[2]理論的、方法論的、およびデータの進歩によって2005年頃から始まった地震干渉法の急速な進歩により、地震ノイズの応用に対する大きな関心が新たに生まれました。

1933年にカリフォルニア州ロングビーチ地震が発生した後、 1935年にDSカーダー^{[12]が主導した大規模な実験キャンペーンにより、200以上の建物の周囲振動が記録され、分析されました。これらのデータは、建物の共振周波数を推定するための}設計コードで使用されましたが、この方法への関心は1950年代まで低下していました。構造物の周囲振動への関心は、G.ハウスナー、D.ハドソン、K.カナイ、T.タナカなどの地震技術者の研究のおかげで、特にカリフォルニアと日本でさらに高まりました。^[13]

しかし工学の分野では、周囲振動は、少なくともしばらくの間、振幅を増大させ、振動源を制御できる強制振動技術とそのシステム識別法に取って代わられました。M. Trifunac は 1972 年に周囲振動と強制振動が同じ結果をもたらすことを示しましたが、^[14]周囲振動技術への関心が高まったのは 1990 年代後半になってからでした。比較的低コストで便利であること、そして最近の記録装置と計算方法の改良により、周囲振動技術は現在非常に魅力的になっています。建物が深刻な損傷を受けない限り、その低ひずみ動的プローブの結果は、強い揺れの下で測定された動的特性に十分近いことが示されました。^[15]

1950年代には、核実験を監視する地震計の改良や地震観測アレイの開発により、地球規模の地震ノイズの記録が広く普及した。当時のこれらの記録の解析への主な貢献は、1957年の日本の地震学者安芸克之氏^[16]によるものである。安芸氏は、空間自己相関（SPAC）、周波数波数（FK）、相関など、今日では局所的な地震評価に使用されているいくつかの方法を提案した。しかし、当時は地震観測所の時計の精度が低かったため、これらの方法の実用化は不可能であった。

1990年代には、 計測機器やアルゴリズムの改良により、これらの手法への関心が再び高まりました。1989年、 Y. Nakamuraは、サイトの共振周波数を導き出す水平対垂直スペクトル比（H/V）法を再発見しました。^[17]中村は、せん断波が微動を支配すると仮定して、周囲振動のH/Vスペクトル比が、サイトの地表と岩盤間のS波伝達関数とほぼ等しいことを観察しました。（ただし、この仮定はSESAMEプロジェクトによって疑問視されています。）

1990年代後半には、地震ノイズデータにアレイ法を適用することで、せん断波速度プロファイルの観点から地盤特性が得られるようになった。^{[18] [19] [20] [21]}欧州研究プロジェクトSESAME ^[22] (2004–2006) は、地震ノイズを使用して地域の地盤特性による地震の増幅を推定する手法の標準化に取り組んだ。

周囲の振動とランダム地震波場の分析により、パワースペクトル、H/V ピーク分析、分散曲線、自己相関関数など、地下の特性評価に使用されるさまざまな処理方法が促進されます。

シングルステーション方式:

• パワースペクトルの計算、例えば受動地震。例えば、海洋背景微小地震と地球の超長周期ハムのパワースペクトル密度特性を世界的および地域的に分散した観測所で監視することで、毎年変化する極地の海氷の海洋波減衰特性を含む、特に沿岸環境における海洋波エネルギーの代理推定値が得られます^{[23] [24] [25] [26]}
• HVSR (H/V スペクトル比): H/V 技術は、特に周囲の振動の記録に関連しています。 Bonnefoy-Claudet ら^[27]は、水平対垂直スペクトル比のピークは、周囲のノイズにおけるこれらの異なるタイプの波の割合に応じて、レイリー楕円率ピーク、ラブ波のエアリー位相、および/またはSH共振周波数にリンクできることを示しました。 ただし、偶然にも、これらすべての値は特定の地盤に対してほぼ同じ値になるため、H/V ピークはサイトの共振周波数を推定する信頼性の高い方法です。 基盤岩上の 1 つの堆積層の場合、この値 f ₀は、S 波の速度 V _sと堆積物の深さ H に次のように関連しています。 したがって、S 波の速度がわかれば、基盤岩の深さをマップするために使用できます。 この周波数ピークにより、他の地震方法を使用して取得できる可能性のあるモデルを制限できますが、完全な地盤モデルを導き出すには不十分です。さらに、 H/Vピークの振幅は増幅の大きさとは関係がないことが示されています^{[28] 。}${\displaystyle f_{0}={\frac {V_{s}}{4H}}}$

アレイ法: 周囲の振動を同時に記録する地震センサーのアレイを使用すると、波動場をより深く理解し、地下のより鮮明な画像を導き出すことができます。場合によっては、異なるサイズの複数のアレイを実現し、結果を統合することができます。垂直成分の情報はレイリー波にのみリンクされているため、解釈が容易ですが、3つの地動成分すべてを使用する方法も開発されており、レイリー波とラブ波動場に関する情報を提供します。 特に、地震干渉法は、相関ベースの方法を使用して、背景ノイズから地球の地震インパルス (グリーン関数) 応答を推定し、地表近く^[29]から大陸規模^[30]まで、さまざまな設定で継続的に記録された高品質のノイズデータの増加に伴い、主要な応用および研究分野になっています。

• ビームフォーミング技術を使用したFK、HRFK
• SPAC（空間自己相関）法
• 相関法
• 屈折微動（ReMi）

地震と同様に、周囲の振動は橋、建物、ダムなどの土木構造物を振動させます。使用される方法の大部分では、この振動源はホワイトノイズ、つまり平坦なノイズスペクトルであると考えられているため、記録されたシステム応答は実際にはシステム自体の特性になります。振動が人間に知覚されるのはまれなケース（橋、高層ビル）のみです。建物の周囲の振動は風や内部の発生源（機械、歩行者など）によっても発生しますが、これらの発生源は通常、構造物の特性評価には使用されません。周囲の振動を受けるシステムのモード特性を研究する分野は、実用モード解析（OMA）または出力のみのモード解析と呼ばれ、土木工学に役立つ多くの方法を提供します。観測された構造物の振動特性は、荷重支持システム、重くて硬い非構造要素（充填石積みパネルなど）、軽い非構造要素（窓など）^[31]、土壌との相互作用（建物の基礎が地面に完全に固定されていない場合があり、差動運動が発生する可能性がある）など、これらの構造物の複雑さをすべて統合したものです。^[32]これらの測定値と比較できるモデルを作成することは難しいため、この点が強調されています。

単一ステーション法:構造物内の周囲振動記録(例えば、大きな振幅の場合は建物の最上階)のパワースペクトル計算により、その 共振周波数と減衰比が推定されます。

伝達関数法： 地盤の周囲振動が建物などの構造物の励起源であると仮定すると、底部と上部の間の伝達関数によって非白色入力の影響を除去することができる。これは特に信号対雑音比の低い信号（小さな建物/高レベルの地盤振動）に有効である。しかし、この方法では一般に土壌と構造物の相互作用の影響を除去することはできない。^[32]

アレイ: アレイは、構造の複数のポイントで同時に記録します。目的は、構造のモード パラメータ (構造全体の共振周波数、減衰比、モード形状)を取得することです。入力荷重がわからないと、これらのモードの関与係数を事前に取得できないことに注意してください。共通の参照センサーを使用すると、異なるアレイの結果を結合できます。

• 相関関係に基づく方法

いくつかの方法では、同時記録のパワースペクトル密度行列、つまりフーリエ領域におけるこれらの記録の相互相関行列を使用します。これにより、モード結合の結果である可能性のある動作モードパラメータ (ピークピッキング法) またはシステムモードパラメータ (周波数領域分解法) を抽出できます。

• システム識別方法

文献にはシステム特性を抽出するためのシステム識別方法が多数存在し、構造物の周囲振動に適用できます。

COVID -19パンデミックは、特に人口密集地域で、世界中で人々の移動、産業、その他の活動が大幅に制限されるという特異な状況を生み出しました。それに伴う高周波地震騒音の大幅な減少を分析したところ、これらの例外的な措置により、これまでに観測された中で最も長期かつ最も顕著な地球規模の人為的地震騒音の減少がもたらされたことが実証されました。^[33]地震騒音はさらに、経済発展の代理指標としても調査されています。^[34]

ノイズ特性を直接測定しても、通常関心のある地盤構造物や土木構造物の物理的パラメータ (S 波速度、構造剛性など) に関する情報を直接得ることはできません。したがって、適切な順方向問題でこれらの観測値 (分散曲線、モード形状など) を計算し、それを実験データと比較するためのモデルが必要です。順方向問題が与えられれば、物理モデルを推定するプロセスを逆問題として扱うことができます。

取得チェーンは、主に地震センサーとデジタイザーで構成されています。地震観測所の数は、単一ポイント (スペクトル、HVSR) からアレイ (3 つ以上のセンサー) まで、方法によって異なります。特定のアプリケーションを除き、3 コンポーネント (3C) センサーが使用されます。センサーの感度とコーナー周波数もアプリケーションによって異なります。地上測定の場合、特に低周波数では、振幅が加速度計の感度よりも一般的に低いため、速度計が必要です。速度計のコーナー周波数は対象の周波数範囲によって異なりますが、0.2 Hz 未満のコーナー周波数が一般的に使用されます。ジオフォン(コーナー周波数が通常 4.5 Hz 以上) は、一般的に適していません。土木構造物の測定の場合、振幅と対象の周波数は通常高いため、コーナー周波数の高い加速度計または速度計を使用できます。ただし、地上の記録ポイントもこのような実験で対象となる可能性があるため、感度の高い機器が必要になる場合があります。単一ステーション測定を除き、すべてのステーションに共通のタイムスタンプが必要です。これは、 GPSクロック、リモート コントロールを使用した共通の開始信号、または複数のセンサーの記録を可能にする単一のデジタイザーの使用によって実現できます。記録ポイントの相対的な位置は、さまざまな手法で多かれ少なかれ正確に求められるため、手動による距離測定または差分 GPS位置測定のいずれかが必要になります。

探査地球物理学で一般的に使用される能動的な技術や地震トモグラフィーで使用される地震記録と比較した周囲振動技術の利点。

• 比較的安価で、非侵襲的かつ非破壊的な方法
• 都市環境に適用可能
• 少ないデータで貴重な情報を提供する（例：HVSR）
• レイリー波の分散曲線は比較的簡単に取得できる
• Vs30の信頼できる推定値を提供する

これらの方法の限界はノイズ波場と関連していますが、特に地震学における一般的な仮定に関連しています。

• 浸透深度はアレイのサイズに依存するが、ノイズ品質、解像度、エイリアシングの制限はアレイの形状に依存する。
• 波動場の複雑さ（レイリー波、ラブ波、高次モードの解釈など）
• ほとんどのアレイ法における平面波の仮定（アレイ内のソースの問題）
• 地下構造は2Dモデルも採用されていたが、1Dモデルが採用された^[35]。
• 多くの地球物理学的手法と同様に、逆問題は解決が難しい

• 周囲の振動の分析と研究のために開発された Geopsy オープンソース ソフトウェア。