It is important from the viewpoint of disaster prevention to accurately simulate strong ground motions from a large earthquake. For this purpose, we need detailed information of velocity structures. In this study, we build a procedure to construct an integrated velocity structure model by inversions of multiple datasets such as results of geophysical explorations and observed seismograms of natural earthquakes.

The Kanto basin is the largest sedimentary basin in Japan, where the Tokyo metropolitan area is situated. Several models have been proposed using various kinds of data such as refraction/reflection, borehole, microtremor, and gravity data. For example, Koketsu and Higashi (1992) obtained the topography of the basement using refraction data, and Yamanaka and Yamada (2002) estimated the layered structure using borehole and microtremor data. These studies are based on only a single kind of velocity structure data. On the other hand, Afnimar et al. (2002) proposed an integrated velocity structure model by a joint inversion of refraction and gravity data. We first performed this joint inversion, including data from latest large-scale refraction surveys. We then, using this result as an initial model, conducted inversions of data from observed seismograms for an integrated velocity structure model.

In 2002 to 2005 the Special Project for Earthquake Disaster Mitigation in Urban Areas (DaiDaiToku project) conducted large-scale reflection/refraction surveys along the Boso, Tokyo Bay, Sagami, Kanto West, and Northern Kanto lines, and new refraction data were obtained during these surveys. We next estimated the velocity structure by the joint refraction/gravity inversion method of Afnimar et al. (2002) including these new data. Borehole data were used as constraints and the Shimosa/Kazusa interface was fixed to the result of microtremor surveys by Yamanaka and Yamada (2002). We have constructed the velocity structure model consisting of the three sedimentary layers (Shimosa, Kazusa and Miura layers) and the basement, by determining the depths of the Kazusa/Miura and sediment(Miura)/basement interfaces and the basement velocity distribution. We obtained the model by minimizing the residuals of travel times and gravity data, with borehole data used as constraints. Compared with the velocity structure model made by Suzuki (1999) using geological information and borehole data, for the obtained refraction/gravity integrated model, the thick-sediment zone in the Boso peninsula moved to the north, and the sediments became thinner in the southwestern part of the basin and thicker in northwestern part. We then compared with the previous model (Afnimar, 2002) by the joint inversion method, the thick-sediment zone in the Boso peninsula further extends to the north and the bottom of the zone became much deeper.

We then used the obtained layered model from the joint refraction/gravity inversion and S-wave velocities from S-wave refraction and microtremor surveys as the initial model, and constructed a S-wave velocity structure model by the HZ ratio inversion method of Tanimoto and Alvizuri (2006) and Rayleigh wave data. We used long-term continuous observation data at F-net stations of the National Institute for Earth Science and Disaster Research (NIED), but also event data at K-NET stations of NIED, to verify the applicability of the HZ ratio inversion method for the velocity structure modeling in the Kanto basin. We extracted Rayleigh wave dominant parts from observed waveforms, and refined the velocity structure model by minimizing the residuals between observed horizontal/vertical spectral ratios (HZ ratios) and calculated HZ ratios. In this study, for determining the depths of interfaces we converted the calculated velocity correction at each depth into the depth correction at each interface, and reconstructed the velocity structure model as a new initial model, then repeatedly conducted the inversion. From this procedure, we obtained the integrated velocity structure model consistent with the refraction, gravity, borehole, and microtremor data as well as earthquake waveform data.

We finally combined the obtained one-dimensional structure models under the stations of F-net and K-NET widely distributed in the Kanto basin, into the three-dimensional integrated velocity structure model. Compared with the model of the refraction/gravity inversion, the thick-sediment zone in the final model was widened, and the Miura layer (third sedimentary layer) became thicker.

For the validation of the obtained integrated velocity structure model, we conducted a ground motion simulation for a medium-size earthquake. We used velocity seismograms observed at K-NET stations for a moment magnitude 5.7 earthquake, occurred on May 3, 1998, east off the Izu peninsula. The obtained integrated model was combined with the crustal model in Afnimar (2002) and the Philippine Sea Plate model. For the Philippine Sea Plate model, we used the models of Baba et al. (2006) and Sato et al. (2005) with corrections by the seismicity distribution and sea floor topography around the basin. We computed ground motion waveforms by the voxel FEM of Koketsu et al. (2004), and the simulated waveforms fairly agree with the observed ones. In particular, the agreement in amplitudes is found to be improved, if we compare it with the agreement between the observed waveforms and ones simulated for the velocity structure model without the tuning by the HZ ratio method. This improvement confirmed the effectiveness of the HZ ratio method in velocity structure modeling for strong ground motion prediction.

本論文は,5章からなる。第1章は,イントロダクションであり,これまでの研究の歴史において,地下構造(地震波速度構造)の理解が強震動予測においていかに重要であるかについての背景となる研究結果が述べられている。また,本研究の研究対象域となる関東平野についての研究の歴史と本研究の目的が記されている。第2章は,屈折法探査による走時データと重力データの同時インバージョンの手法についての記述がなされている。また,その手法を関東平野のデータに適用することによって,関東地域下の地下構造(堆積層の構造と基盤深度)を求めており,これまでの研究結果との比較検討をおこなっている。第3章では,表面波の振幅比のデータをもとに地下構造を求めるHZ比法の説明と論文提出者によって改良された点についての記述がなされている。また,その改良された方法を用いて,関東平野に展開されている地震計のデータを用いた解析もなされている。その結果,各観測点での地下構造が詳細に求められた。また,本研究では,さまざまな周波数帯域での地震波を用いた解析を行っているが,地下構造を求める際の各周波数帯域の感度についての議論と評価がなされている。第4章では,関東平野周辺で発生した大きな地震の波形記録と,本研究によって求められた地下構造を用いて計算された理論波形を比較検討することによって,このモデルの正当性を示している。第5章では,結論として本研究により開発された手法の優位性を示すとともに,得られた地下構造と基盤深度についての議論をおこなっている。

本研究の研究対象である関東地域は堆積層が厚く,基盤深度や堆積層の構造は強震動の評価の際に非常に重要な要因となってくる。そのため,本研究の研究目的は,理学的に見ても社会的に見ても非常に重要なものである。関東地域の基盤深度や堆積層の構造については,これまでにいくつかの研究がなされている。しかし,本研究の特徴のひとつは,過去の構造探査データに加えて,最新の構造探査の観測データを取り入れるとともに、新たに自然地震の波形記録もデータとしていることにある。そのため,これまでに得られた解析結果に比べて膨大なデータを用いている。また,最新の探査データや自然地震波形データは,これまでにデータが不足した地域を埋めるように存在しているので,関東平野全域において空間的に高密度なデータを用いた解析がなされている。走時データに加え,重力データ,自然地震波形データなど、さまざまな物理量をもとに堆積層構造や基盤深度をもとめる解析がなされていることから,従来の研究に比べ,得られたモデルの信頼度も高く,今後他の研究の指標となるモデルが構築されたものと考えられる。

さらに,論文提出者は自然地震波形データの解析法であるHZ比法において独自の改良を加えることにより,成層構造をなしている構造にも適用できることを示した。それにより,走時データと重力データの解析との整合性が一段と高まり,より精度の高いモデル化ができるようになった。また,従来のHZ比法は連続データを用いることによって解析されていたが,論文提出者は地震時のみのイベントデータにも適用できることを示し,自然地震波形データの解析をより深めた。特に,K-NETやKiK-net等トリガー方式だが空間的に高密度な地震観測網のデータを使用できるようになったため,これまでになく精度の高い結果を得ることが出来た。このように,本研究では従来の手法に加え論文提出者独自の手法の改良もなされており,得られた高精度の結果のみならず,手法の改良という点においても評価されるべきものと思われる。さらに論文提出者は,今回得られた構造を用いて強震動シミュレーションを行い,実際の強震動記録と比較検討することによって,この研究の結果を議論している。今回得られたモデルが,従来のモデルよりも観測された強震動記録をよりよく説明していることから,精度の高い結果が得られたことがわかる。これらのことから,論文提出者の研究は重要な研究成果を得た研究であると結論づけられる。

なお,本論文は,纐纈一起氏,谷本俊郎氏,三宅弘恵氏,古村孝志氏,平田直氏との共同研究であるが,論文提出者が主体となって解析を行ったもので,論文提出者の寄与が十分であると判断する。

したがって,博士(理学)の学位を授与できると認める。