次の「ビッグワン」に備えて、落ち着きのない地球を監視する

ソナーダインGNSS-A機器を搭載したミッション中のUSGSウェーブグライダー。クレジット：USGS

2021年にアラスカ沖でマグニチュード8.2のチグニック地震が発生したとき、それは大きな警告信号でした。

これは1965年以来米国で最大の地震であり、近年の世界でも最大級の地震の一つであり、私たちの海岸線沖で目に見えない地質災害が潜んでいることを改めて思い起こさせるものとなった。

このような沖合での出来事は津波を引き起こし、沿岸部の主要都市や地域を危険にさらす可能性がある。

しかし、最近まで、チグニックのような地震を引き起こす地質活動は、海の下に隠れていてアクセスできないため、科学者にとって大きな盲点となっていた。

現在、水中技術会社 Sonardyne、スクリップス海洋研究所、米国地質調査所 (USGS) の継続的な協力と開発のおかげで、私たちの落ち着きのない地球を遠隔で監視することは可能になるだけでなく、標準的な方法になりつつあります。

GNSS-Aと呼ばれる技術を使用して、米国太平洋岸を含む、地震や津波の危険に最も脆弱な海岸線がますます監視されています。

GNSS-Aとは何ですか？

GNSS-Aは、衛星測位と水中音響を組み合わせることで、海底の動きをセンチメートルレベルの精度で追跡します。ソナーダイン社のGNSS-Aペイロードを搭載した無人水上艦（USV）が、海底に設置されたソナーダイン・フェッチ・トランスポンダー群の上空を巡視します。

既知の海面位置と各フェッチトランスポンダーまでの音響パルスを組み合わせることで、各トランスポンダーの正確な位置を計算でき、それによってトランスポンダーが位置する海底の位置も計算できます。

これらの測定を長期間にわたって繰り返すことで、科学者は断層を横切るプレートの動きを追跡し、地震や津波の危険性をより深く理解し、予測することができます。

プレートが別のプレートの下に滑り込む沈み込み帯を監視するためにこの技術を使用している組織の一つが USGS です。

彼らは2017年に初めてその利用法の調査を開始した。ハワイ大学およびスクリップス研究所と協力し、ウェーブグライダーと海底センサーを使用して、2つの地殻プレート間の摩擦がどのように滑りを制限し、応力の蓄積を引き起こすかを測定することを目的としていた。つまり、基本的に「プレートがどの程度固着しているか」を測定することを目的としていた。

それ以来、同社はSonardyne GNSS-AモジュールとFetchトランスポンダーを使用してGNSS-Aの開発に貢献し続けています。

カリフォルニア工科州立大学ハンボルト校のR/Vノース・ウィンド号に搭載されたUSGSウェーブグライダーの打ち上げ準備。写真提供：USGS

カスケード沈み込み帯に沿ったGNSS-A監視の拡大

USGS が特に注目しているのは、カナダのバンクーバー島から北カリフォルニアまで太平洋岸北西部沖に広がる全長 1,000 キロメートルの断層、カスケーディア沈み込み帯です。

USGSは2021年から2025年の間に、この地域の最南端に位置する米国太平洋沿岸沖の海底に4か所の監視地点を設置した。

これらはカスケード沈み込み帯に沿ったより広範なネットワークの一部であり、その沈み込みにはエクスプローラー、ファンデフカ、ゴルダの3つのプレートが関与し、北米プレートの下に滑り込み、マグニチュード9以上の地震や大津波を引き起こす可能性があります。

USGS GNSS-A サイトは、それぞれ 3 つの Fetch トランスポンダーを備えており、ゴルダ プレートの最南端にあります。ここでは、北米プレートの動きに対するゴルダ プレートの動きの不確実性が、この地域の地震の規模と再発に影響を及ぼしています。

「この機能が実現する前は、陸上のGPSネットワークを使って、沖合50マイル以上の海底のゆっくりとした動きをミリメートル未満のレベルで推定することしかできませんでした」と、カリフォルニア州にあるUSGSの地震科学センターの測地技師、トッド・エリクセン氏は語る。

「しかし、海底は盲点でした。地球規模の地殻変動というジグソーパズルの重要なピースが欠けており、海底の危険の真の規模はほとんど分かっていませんでした。私たちの機器は海岸線で止まっていました。」

「海洋プレートが北米プレートの下に沈み込んでいるカスケード沈み込み帯のような場所では、海底測地測量が大きな空白を埋め、地震や津波の危険性をより深く理解するのに役立ちます。もしプレートがこの帯で「固着」し、応力が蓄積すれば、沿岸地域全体、そしてバンクーバー、ビクトリア、シアトルなどの都市は深刻な津波リスクに直面することになります。」

GNSS-Aを搭載したウェーブグライダーは、カリフォルニア州ユーレカのR/Vノースウィンドに搭載され、カスケード沈み込み帯に沿って設置される3つの海底測地ベンチマークに囲まれている。提供：USGS

カスケード沈み込み帯の地形・海底地形図。陸上および沖合のUSGSおよびNSF海底測地における測地速度を示している。提供：USGS

アリューシャン沈み込み帯からの重要な洞察

USGSが監視している大地震の地殻変動源の一つは、アリューシャン列島沈み込み帯です。チグニク地震はここで発生し、USGSは地震後の対応ミッションの準備を整えていました。

ほんの数年前、米国国立科学財団（NSF）の資金援助を受けた科学者チームによって、アラスカ沖のアリューシャン列島沈み込み帯の海底に3つのGNSS-A監視サイトが設置されていた。

マグニチュード8.2のチグニック地震が発生する前に、USGSとスクリップスによってウェーブグライダーによる調査が数回実施され、水深約1,200メートルの地点の位置が監視されていました。

地震から数週間後、USGS は地震中および地震直後の動きを測定するためにウェーブグライダーを再び派遣しました。

厳しい気象条件にもかかわらず、このミッションでは高精度の GNSS および音響データを収集し、驚くべき結果が得られました。

「津波は小規模でしたが、地震は米国で過去60年近くで最大規模でした」とエリクセン氏は語る。「そのため、大きな動きは予想していました。しかし、その正確な大きさを知ることができたのは驚きでした。そして、その大きさは1.4メートルでした。」これは、地震時および地震後の動きに関する重要な知見となり、沈み込み帯のダイナミクスを理解する上で役立つものでした。

大きな疑問は、チグニック地震によって断層の傾斜部分における応力状態と津波発生の可能性が増大したかどうかだった。

「測定により、断層の浅い部分、海底下20km未満の部分で断層が水平方向に2～3m動いたことが示され、断層に沿って応力がどのように蓄積され、地震で解放されるかを理解するのに役立ちます」と彼は言います。

「これらの結果は、累積した滑りによって断層の浅い部分への応力が緩和されたことを示唆しており、したがってチグニック地震によって浅い断層の津波発生の可能性が増大した可能性は低いと考えられます。」

「また、この研究は、GNSS-A技術の有効性と、この地域の津波や地震の危険性をより適切に評価するための迅速対応GNSS-A測定の有用性を示しました。」

GNSS-Aの起源

海底プレートの動きを計測する技術は、それほど新しいものではありません。これは、スクリップス研究所のデイビッド・チャドウェルとフレッド・スピスによって最初に開発された、GNSS-A技術と呼ばれる技術に基づいています。

「GNSS測位と音響測定を組み合わせて海底の動きを追跡するのは賢いアイデアで、うまくいきました」と、ソナーダインの海洋科学事業開発マネージャー、ミシェル・バーネット氏は語る。

「しかし、有人船を使って測位を行うにはコストがかかりすぎました。技術的にも困難でした。」

「それで、スクリップスと初期の頃に仕事をしていたとき、

2010年代には、当社の長寿命FetchセンサーとWave Gliders用の既製のGNSS-Aペイロードの組み合わせを開発し、有人船を使用するよりもはるかに低コストで調査作業を行うことができました。」

USGSウェーブグライダーは、調査を成功させた後、R/Vノースウィンド号に回収されました。クレジット：USGS

天候を待つ間も待つ価値がある

しかし、この技術には課題がないわけではない。アリューシャン沈み込み帯のトランスポンダーの位置情報を収集した後、エリクセン氏と彼のチームは当然ながらそのデータを見ることに熱心だった。

関係するデータ量が非常に多いため（サイトあたり 25 ～ 30 GB（3 つの Fetch で構成））、主に品質管理のために、サブサンプルのみが USV から陸上に送り返されます。

そのため、USVが岸に戻ってくるまで、あるいは陸地に戻されるまで待たなければなりません。アラスカの冬（チグニック調査が行われた時期）は日照時間が短く、USVに供給できる電力も限られていました。

悪天候と相まって、回収の調整は困難を極め、ウェーブグライダーの回収とデータの積み下ろしに4か月もかかりました。

それでも、待つ価値はあり、その結果はこれまでよりも大きな洞察をもたらしています。

チグニックデータの詳細については、ScienceAdvances Vol.9、No.17 「海底測地学の後に明らかになった、2021年アラスカ州チグニック地震（M8.2）による急速な浅部メガスラスト余震」をご覧ください。