河合研究室では、理論地震波形計算手法の開発および地震波形インバージョン法による地球内部構造推定などの固体地球科学分野を中心に、分野横断的かつエキサイティングな最先端の研究に従事しております。

(1) 波形インバージョン法による地球内部構造推定
(2) 鉱物物理学に基づいた地震波速度構造の解読
(3) 広帯域地震観測のための野外調査
(4) 強い不均質媒質中の理論波形計算アルゴリズムおよびソフトウェアの開発
(5) ナノとミクロンスケールの摩擦の科学
(6) アウトリーチ活動

(1) 波形インバージョン法による地球内部構造推定

地球内部の地震学的構造を推定するために、私たちは地震波解析手法の開発を進めてきました。従来の研究では実体波の走時などといった二次データなどが用いられてきましたが、私たちの研究グループは地震波形をデータとしてそのまま用いる波形インバージョン法の手法開発を独自に行ってきました。波形インバージョンを行うためには、正確で効率的な理論波形計算および効率的な逆問題の定式化が必要で、それぞれアルゴリズムおよびソフトウェアの開発を行ってきました (Kawai et al. 2014; 詳しくはこちら)。

現在、その手法を実際の観測波形に適用することによって画期的な成果を上げつつあります。たとえば、地球進化の理解に重要な熱境界層の一つの核・マントル境界直上の最下部マントルの速度構造を鉛直方向50 km水平方向250 kmスケールで推定し、過去に沈み込んだ古プレートの行方およびホットスポット火山の起源に関する新たな知見を得ました。

最近の構造推定の研究


(2) 鉱物物理学に基づいた地震波速度構造の解読

波形インバージョンから推定した地震波速度構造を鉱物物理学に基づいて解釈し、20年来続いていた最下部マントルの大規模不均質構造の謎を解くと共に、核・マントル境界の温度をこれまでの見積もりよりも正確に3500℃と推定し、地球の熱史の理解に貢献しました (Kawai & Tsuchiya 2009)。
現在の地震波モデリングは地震波速度および密度が入力値として用いられていますが、鉱物物理学の進展からマントルの主要構成鉱物の弾性定数のデータが求まるようになってきました (Tsuchiya et al. 2016)。たとえば、最下部マントルの主要構成鉱物のペロブスカイトおよびポストペロブスカイトの超高圧超高温の弾性定数および密度の値を用いて、最下部マントルで予想される地温勾配に対応する速度プロファイルを元に地震理論波形を計算したところ、S波に見かけの異方性が生じることがわかりました(Borgeaud et al. 2016)。さらに今後は、鉱物の量比や選択配向などを入力値として鉱物物理学に基づいた地震波のモデリングをすることを目指しています。

(3) 広帯域地震観測のための野外調査

地球内部構造をより詳細に調べるためには、蓄積された観測地震波形から最大限情報を引き出すための手法開発が大事です。ところが、震源と観測点分布は偏っているので、地球進化の理解のために重要なのに解像度に乏しい領域がどうしても存在します。そのような領域を調査するためには、新たに地震計を設置して地震波の観測を行う必要があります。そこで、私たちは自ら地震計を設置して、観測された地震波形の解析を行っています。

文部科学省科研費「新学術領域研究(研究領域提案型)」に「核-マントルの相互作用と共進化~統合的地球深部科学の創成~」(研究代表者:土屋卓久)(15H05826)物理観測項目の核―マントルの地震・電磁気観測班(A03-1) (研究代表者:田中聡)は、特に最下部マントルの微細構造を推定するために、太平洋下の巨大S波低速度領域の境界部分を取り囲み、外核・内核の研究にも適した仮想的な巨大観測網の構築を目指して、地震観測の空白域であるタイにおいて約100 km間隔の広帯域地震観測網(Thai Seismic ARray: TSAR)を展開しました。観測点網は南北および東西に幅広く設置できるため、震央距離や方位のレンジが大きい観測が可能になり、地球内部構造の高い解像度が期待されます。東京大学地震研究所および海半球観測研究センターが保有する広帯域地震計 40 セットを利用しています。タイのマヒドン大学のSiripunvaraporn准教授とその研究室メンバーと連携し、2016年度から2018年度にかけて40観測点の運用しています。2015年度は観測点決定のための予備調査(1期:11月, 2期:12月, 3期:1月)、2016年度は40点の観測点を設置しました。2017年度以降は、データの回収および解析を行いました。

(4) 強い不均質媒質中の理論波形計算アルゴリズムおよびソフトウェアの開発

波形そのものをデータとして用いて地球深部構造を推定する波形インバージョンでは、これまで主に長周期の表面波およびやや長周期のS波の実体波が用いられてきました。地球内部の長波長の構造が推定対象であるために、速度変化が緩やかな構造に対して効率的な理論波形計算手法が使われてきました。一方で地球深部のより短波長の不均質構造推定や地殻の中の流体や空隙を含んだ媒質中の構造推定が今後の研究対象となります。そのために、強い不均質構造を含んだ弾性体における理論波形計算アルゴリズムおよびソフトウェアの開発を進めています。

そのソフトウェアを用いて、岩石中に有限の大きさを持つ空隙および流体を含んだ媒質の弾性波動場の性質の理論的研究を行い、散乱体の大きさ、形状、固液の違い、密度による影響を定量的に見積もっています。そして、岩石実験との比較を行い、理論の検証を行う予定です。このように得られた結果は、物理探査、岩石試料の破壊過程の理解に繋がると考えています。

(5) ナノとミクロンスケールの摩擦の科学

地震は破壊を伴う地下の断層の滑りによって引き起こされます。その発生機構の理解には断層を構成する鉱物組成や流体の分布の情報が必要です。そこで、巨視的な断層面でのすべり特性は構成鉱物の摩擦特性及び弾性特性に支配されているという仮説ももとに、鉱物の摩擦の性質を物質科学の理論及び実験両面から地下の断層面で発生する地震の理解をすすめます。

現在は地質調査や掘削の研究によって示唆されている断層面の主要な構成鉱物である層状珪酸塩を対象にして研究を行っています。理論的な研究としては、その摩擦特性を密度汎関数理論に基づく第一原理電子状態計算によって真の接触面における垂直応力と剪断応力の関係、つまりナノスケールの摩擦特性、を調べています。実験的な研究としては、化学組成や鉱物種の異なる試料に対して、2軸圧縮摩擦試験機を用いた擬似断層面での摩擦係数や回収試料の顕微鏡観察からミクロンスケールの摩擦特性を調べています(Kawai et al. 2015)。それらの結果をもとにナノスケールとミクロンスケールの摩擦特性を結びつける新しい物理法則の解明に挑んでいます。

これは物材研の佐久間博博士と広島大学の片山郁夫教授との共同研究です。

(6) アウトリーチ活動 (新しい野外巡検教材の開発)

効率的な野外巡検のためには予習、実習、復習の三段階が重要です。これまで、地質図、現場の写真、古くはスケッチをもとに巡検の準備及び調査の予習が行われてきました。地質図を読み取ることは、地質図の表記の理解が前提であり、人による記載方法の違いもあり、初学者には困難でした。また、現場の写真やスケッチによって、ある程度現場を想像することできますが、現場に着いてその地質にすぐに直感的に現実と結びつけることは専門家でも難しいことがあります。そのため、初等教育および大学の教養課程レベルにおいて地質学の野外実習を実施するには教える側および教わる側双方に敷居が高くなってしまっています。その結果、初等教育では地学というと暗記重視の科目となってしまい、実習というとせいぜい石の観察などにとどまり、科目が開設されていない場合すらあります。地球科学の醍醐味は実際にものを見てさわるといった観察および体験の実習にあり、そのことによって理解の度合いが全く異なります。そこで、地球科学の普及およびリテラシーの向上のために野外実習を気軽に行うことができる教材の開発が必要であると考えました。

予習および準備において、地質図および写真またはスケッチが用いられます。それらに含まれる重要な要素は、俯瞰的な視野および実習と同じ視点からの視野です。それらの視点を最新のIT技術を用いて補うことで、より直感的な予習を行うことを可能になります。また、時間および空間的な制約で実習を行うことができない場合もあるかもしれません。その場合であっても、ITの技術を用いたVR巡検は役に立つでしょう。いずれの場合であっても障壁はハードおよびソフトの維持および数の確保です。ソフトはクラウド処理を行い、アップデートを自動で行う方がよいでしょう。そのために、汎用性の高いインターフェースを用いてソフトウェアを開発し、ウェブブラウザ上で利用できるようにします。汎用のスマホ、タブレット、PCなどを利用することを想定し、実際の教育現場における障壁を低くしたいと考えています。

これは(株)ライブアースの庄司真史氏および東京工業大学の佐藤友彦研究員との共同研究です。