河川地震学

河川地震学は、地震学的手法を応用して、流出、浸食、河床の発達などの河川のプロセスを理解するものです。流水と河床に沿った堆積物の動きによって弾性（地震）波が発生し、周囲の地球物質に伝播します。^{[1] [2]} 地震計はこれらの信号を記録し、それを分析することで、乱流水流や掃流土砂輸送などのさまざまな河川のプロセスを解明することができます。 ^[1]地震学的手法は、1桁^[3]から毎秒数万立方フィート（cfs）までの流出値を観測するために使用されています。 ^[1]

1990年にイタリアアルプスで行われた実験は、地震計が流れによって発生する地震ノイズ内で識別可能な河川信号を検出できることを実証した最も初期の実験の1つでした。^[3] 6つの地震計がアルプスの川に沿って地面の振動の平均速度を記録し、堆積物トラップで流量と掃流砂も監視しました。^[3]彼らは掃流砂の輸送を開始および維持するために必要な最低流量を決定しました。^[3]それ以来、河川地震学は急速に成長している研究分野となっています。

河川地震学は環境地震学のサブ分野であり、従来「ノイズ」と考えられていたものの中に、従来とは異なる地震信号を検出することができる比較的新しい分野です。^{[4] [5]} 地震ノイズは、地震学で研究されている周波数の全スペクトル（0.001〜100 Hz）にわたって見られます。^{[6]従来の地震学が地殻変動性}地震と固体地球の構造に関係しているのに対し、 ^[5]環境地震学は固体地球の外部で発生する波、またはその信号が環境条件（温度、水文学）の影響を受ける波に関係しています。^[4]河川地震学と環境地震学の原理は、土石流、地滑り、ラハール、氷河の動き、氷震など、あらゆる種類の表層プロセスに適用できます。

掃流土砂の運搬は最も効率的な侵食手段の一つであり^[6]、河川の進化と地形において重要な役割を果たしています。^{[7]河川とそれが運ぶ堆積物が}河床に及ぼす力を理解することは、河川の地形的進化の重要な要素です。^[8]特に、高流量、高エネルギーの嵐や洪水は、河川の地形と発達に大きな影響を与えます。^[7]河川地震学の応用には次のようなものがあります。

• 土木工学、河川修復、河川・洪水制御構造物の設計。^[8]掃流土砂は大洪水時に大きな被害を引き起こす可能性があり^[6]、構造物はそれに耐えられるように設計されなければならない。
• 公共の安全：遠隔計測された地震データは遠隔地からの継続的な監視に利用でき、下流のコミュニティに潜在的に危険で壊滅的な洪水を事前に警告することができます^{[6] [9]}
• 研究：堆積物の輸送の理解、河床侵食の速度と手段の計算、地形学、時間の経過に伴う河川の進化、河川侵食の理解と定量化^[4]

河川地震学は、一般的に周波数が1Hzを超える（周期が1秒未満）高周波地震ノイズに限定されています。^{[5] [10]}観測は1～100Hzの範囲に関するもので、^[11]地震波生成の理論的なフォワードモデルでは、河床を横切る乱流水流によって生成されることが示されています。^[11]

観測は通常、川岸から100メートル以内で行われますが、ある研究では2キロ離れた場所からでも明確な川の信号が観測されています。 ^[6]川から異なる距離に地震計を設置すると、信号源を区別するのに役立ちます。^[11]

これまで河川で発生した地震ノイズから抽出された2つの主なシグナルは、1) 水の乱流と2) 堆積物の掃流である。提案されている他のシグナルには、水面と空気の相互作用が含まれる。^{[1]他の人は、さらなる分析により掃流土砂の移動の種類（}跳躍と剪断）を区別できる可能性があると示唆している。 ^[6]

一般的に、研究では乱流による信号は掃流砂輸送による信号よりも低周波であることがわかっています。^{[11] [10]}たとえば、ある研究では、流量と水位は1〜80 Hzの信号と相関していましたが、その関係は2〜5 Hzと10〜15 Hzのウィンドウで特に強いことがわかりました。^[10]一方、30〜50 Hzの信号は掃流砂輸送によるものでした。^[10]

ヒステリシスは、河川の地震観測で観察されるよく知られた現象であり、同じ流量が必ずしも同じ地震信号を生み出すわけではない。^[6]水の乱流が地震信号の発生源であるならば、同じ流量は常に同じ地震応答の振幅を生み出すだろう。  

ヒステリシスは、数時間（単一の嵐）から数年にわたる時間スケールで観測されています。^{[2] [7] [8]}ヒステリシスは、時計回り^{[1] [2] [8]}と反時計回りの両方の形式で河川システムで観測されていますが、時計回りの方がはるかに一般的です。^[12]時計回りのヒステリシスは、多くの場合、掃流砂輸送の変化に起因し、流出曲線の上昇腕で下降腕よりも大きな地震信号が観測されます。^{[3] [6]}

ヒステリシスは、河川によって運ばれる堆積物の量の変化に起因することが最も多い。^{[3] [12]}しかし、ヒステリシスは砂利河川における掃流土砂輸送の影響の特徴であるが、^[7]必ずしも掃流土砂輸送だけによって引き起こされるわけではない。^[12]さらに、すべての掃流土砂輸送が必ずしもヒステリシスを生み出すわけではない。^{[13]ヒステリシスは、河床の}表面粗さの変化など、河川の形態変化の結果としての乱流変化によっても引き起こされる可能性がある。^{[13] [ 12 ]}

河川地震学の方法は、1) 測定が困難かつ危険、2) 頻度が低い、3) 推定または制約が不十分な現象を継続的に間接的に観測する手段を提供します。たとえば、掃流砂の移動は直接測定が困難であり、高流量状態では危険でもあります。^{[7] [1]}その結果、高流量状態が河川の進化にとって特に重要である場合、観測はまれであり、低流量状態のみに限定される可能性があります。推定は、実験室で実施され、経験的に導き出された水路実験に限定される場合があります。^[2]

地震学を利用して河川のプロセスを理解することは、いくつかの既存の方法（堆積物トラップ、直接サンプリング、衝突プレート、河床に埋められた   地震計など）よりも優れている。

1. 録音はチャネルの外で完全に行うことができるため、観察が容易になります
   • 非侵襲的であり、観測方法は流れや自然条件に影響を与えない^{[7] [1]}
   • より簡単かつ時間効率が良い^[1]
   • 特に大規模な洪水時にはより安全であり、特に関心が高く、地形に大きな影響を与える^[7]
   • 収集中にストリーム内の機器を紛失するリスクを回避することでコスト効率が向上する^[7]
2. 記録は継続的に行われ、単一の嵐/洪水^[2]イベントから複数年にわたる時間スケールでの監視が可能になります。
3. 遠隔地に設置して監視することができます。例えば、洪水リスクの高い地域では、遠隔測定された地震データを使用して、下流のコミュニティに潜在的に危険で壊滅的な洪水を事前に警告することができます（地震の検知と警告に似た方法です）。^{[6] [9]}