メインコンテンツへスキップ
地震科学 5 分で読める 1003 語

地震計の仕組み: アナログからデジタルへ

Seismographs detect ground motion as small as a nanometer. Learn the mechanics from Milne's pendulum to modern broadband sensors.

The Principle: Inertia and Relative Motion

Every 地震計地震波によって生じる地面の揺れを検知し記録する装置。現代のデジタル地震計は、ナノメートル未満の変位も検出できる。 — from the earliest 19th-century instruments to the most sophisticated modern broadband systems — exploits the same fundamental principle: inertia. When the ground shakes, a properly mounted reference mass tends to remain stationary because of its inertia while the ground and instrument frame move around it. By measuring the relative displacement between the inertial mass and the moving frame, a seismograph records the ground motion. This seemingly simple principle underlies extraordinary sensitivity: modern 広帯域地震計0.001〜50Hzという広い周波数帯域にわたって地震波を記録できる地震計。現代の世界的な地震観測網における主要な観測機器。s can detect ground motions as small as 0.1 nanometers — a fraction of the diameter of a hydrogen atom — generated by distant earthquakes on the other side of the planet.

Components of a Seismograph System

A complete 地震計地震波によって生じる地面の揺れを検知し記録する装置。現代のデジタル地震計は、ナノメートル未満の変位も検出できる。 system has three main components: the seismometer (the sensor that detects ground motion), the data recorder (which converts the mechanical or electrical signal into a storable form), and the timing system (which provides precise time stamps so that the arrival of 地震波地震や爆発によって発生し、地球内部を伝播する弾性波。地震波は、震源で放出されたエネルギーを遠方の地点まで運ぶ。s from distant earthquakes can be compared across a 地震観測網地震活動を継続的に監視する、連携した地震観測点の集合。世界地震観測網(GSN)は150以上の観測点から構成され、世界規模の観測範囲を提供する。). In modern digital seismograph systems, all three components are integrated into compact, field-deployable packages connected via satellite or internet to central data centers where 地震記象(地震波形記録)地震計が記録した出力で、地面の揺れを時間の関数として示したもの。地震学者はこの記録を解析し、地震の規模・深さ・位置を求める。s are analyzed in near-real time.

Historical Seismographs: Pendulums and Drums

The earliest seismographs, developed in the late 19th and early 20th centuries, used pendulums as inertial masses. The most famous early design was the Milne-Shaw seismograph, which used a long horizontal pendulum with optical magnification to record ground motion on photographic paper wrapped around a rotating drum. The Wiechert seismograph used a heavy (up to 1,300 kg) inverted pendulum to detect long-period surface waves from distant earthquakes. These mechanical instruments had limited frequency range and dynamic range — they could record either distant, large earthquakes well or local, small earthquakes, but not both. The recording medium — smoked paper or photographic film on a rotating drum — limited the analysis to what a human analyst could read directly from the paper 地震記象(地震波形記録)地震計が記録した出力で、地面の揺れを時間の関数として示したもの。地震学者はこの記録を解析し、地震の規模・深さ・位置を求める。.

The Wood-Anderson Seismograph and the Richter Scale

A historically important instrument was the Wood-Anderson torsion seismograph, developed in the 1920s at Caltech. It was specifically designed to record ground motion in the 0.1–10 second period range with a standard magnification of 2,800. Charles Richter used recordings from Wood-Anderson instruments to define the original Richter local magnitude scale1935年にチャールズ・リヒターが考案した、局地地震のマグニチュードを測定するための最初の対数マグニチュード尺度。現在はモーメントマグニチュードに大きく置き換えられているが、報道では今も広く使われている。 in 1935, calibrating it to readings from these specific instruments at specific distances. This tight coupling of a magnitude scale to a specific instrument type is a fundamental reason why the original Richter scale has been superseded by the モーメントマグニチュード断層面積・平均すべり量・岩石の剛性の積である地震モーメントに基づく、地震規模を測定する現代の標準的な尺度(Mw)。あらゆる規模の地震に対して精度が高い。 scale, which is independent of any particular instrument design.

Modern Digital Broadband Seismometers

The revolution in seismology during the 1970s–1990s was driven by the development of 広帯域地震計0.001〜50Hzという広い周波数帯域にわたって地震波を記録できる地震計。現代の世界的な地震観測網における主要な観測機器。s and digital recording. A 広帯域地震計0.001〜50Hzという広い周波数帯域にわたって地震波を記録できる地震計。現代の世界的な地震観測網における主要な観測機器。 uses a force-feedback system to keep the inertial mass nearly stationary while electronically measuring the force required to do so — a technique that provides flat, linear response across a frequency range from roughly 100 seconds (very long-period surface waves) to 50 Hertz (high-frequency body waves). This enormous dynamic range allows a single instrument to record both the strongest nearby earthquakes and the faintest teleseismic arrivals from the other side of the world. The displacement sensitivity of a modern broadband sensor like the Streckeisen STS-2 or the Nanometrics Trillium is below 10^-9 meters at periods of 1 second — extraordinary sensitivity achieved through careful mechanical and electronic design.

Three-Component Recording

A complete characterization of ground motion requires three separate sensors oriented along perpendicular axes: two horizontal (typically north-south and east-west) and one vertical. The vertical component is most sensitive to P-wave岩盤中も液体中も伝わる、秒速5〜8kmの最も速い地震波。P波はスリンキーのように進行方向に対して物質を圧縮・伸長させながら伝わり、地震観測点に最初に到達する。 arrivals, while the horizontal components better capture S-wave進行方向に対して垂直に岩盤を揺らしながら伝わる地震波で、P波の後に到達する。S波は液体中を伝わることができず、この性質から地球の外核が液体であることが証明された。 and 表面波地球内部ではなく地表に沿って伝わる地震波。実体波より速度は遅いが、振幅が大きく継続時間が長いため、被害が大きくなる傾向がある。 energy. By combining the three components, seismologists can determine the direction from which waves are arriving (particle motion analysis) and compute the complete ground velocity or displacement vector at the station location.

Accelerometers for Strong Motion

Standard 広帯域地震計0.001〜50Hzという広い周波数帯域にわたって地震波を記録できる地震計。現代の世界的な地震観測網における主要な観測機器。s are designed for maximum sensitivity to detect distant or small earthquakes. They clip — go off-scale — when subjected to the strong ground motions from nearby moderate or large earthquakes. For measuring strong shaking close to a fault, a different instrument is needed: the 加速度計地面の揺れの加速度を測定するセンサーで、耐震工学において重要な役割を果たす。現代の強震動加速度計は、大地震近傍の激しい揺れを記録できる。, or 強震計スケールオーバーすることなく、大地震近傍の激しい地面の揺れを記録するために設計された装置。建物やインフラが揺れにどう応答するかを理解するために不可欠。. Accelerometers measure ground acceleration directly, typically up to 2g or more, and are essential for recording the ground motion data needed to design earthquake-resistant structures. They are installed in buildings, on bridge decks, in tunnels, and at free-field sites in seismically active regions. The 最大地動加速度(PGA)地震時における地面の最大加速度で、重力加速度(g)の単位で表される。耐震工学における構造物設計の重要なパラメータ。 measured by accelerometers is a key parameter in structural engineering and is directly related to the forces that earthquake-resistant structures must withstand.

Triggered vs Continuous Recording

Early 強震計スケールオーバーすることなく、大地震近傍の激しい地面の揺れを記録するために設計された装置。建物やインフラが揺れにどう応答するかを理解するために不可欠。s operated on a triggered basis — they began recording only when shaking exceeded a threshold. This was a practical concession to limited data storage. Unfortunately, triggered recorders often missed the crucial first seconds of strong motion, including the initial P-wave arrival. Modern sensors record continuously and store the most recent data in a ring buffer, ensuring that the complete record including the initial P-wave is captured regardless of when shaking exceeds any threshold. This is particularly important for 緊急地震速報(EEW)地震を検知し、強い揺れが到達する前に人々やシステムに警報を送るシステム。数秒から数十秒の猶予を提供し、身を守る行動をとるのに十分な時間となる。 systems, which must process P-wave data arriving before the strong shaking begins.

From Signal to Seismogram: Data Processing

The raw output of a 地震計地震波によって生じる地面の揺れを検知し記録する装置。現代のデジタル地震計は、ナノメートル未満の変位も検出できる。 — whether mechanical displacement, velocity, or acceleration — must be processed before it can be interpreted. Digital seismic data passes through anti-aliasing filters and analog-to-digital converters before being telemetered to a recording center. There, automated processing algorithms identify P and S phase arrivals, determine preliminary hypocenter locations, and estimate magnitudes. The recorded ground motion is characterized by wave amplitude地震波が静止位置から動く最大変位量。振幅は波が運ぶエネルギーと直接関係し、マグニチュードの算出に用いられる。 and wave period地震波の連続する波の頂点間の時間間隔。長周期波(10〜20秒)はより遠くまで伝わり、表面波マグニチュードの算出に用いられる。, both of which carry information about earthquake source properties. Instrument response correction converts the recorded signal from the instrument's response characteristics back to actual ground motion. The resulting 地震記象(地震波形記録)地震計が記録した出力で、地面の揺れを時間の関数として示したもの。地震学者はこの記録を解析し、地震の規模・深さ・位置を求める。 — a time-series record of ground motion — is the fundamental data product of seismology, encoding information about the earthquake source, the propagation path, and the local site conditions at the recording station.

関連用語

P波(初期微動)
岩盤中も液体中も伝わる、秒速5〜8kmの最も速い地震波。P波はスリンキーのように進行方向に対して物質を圧縮・伸長させながら伝わり、地震観測点に最初に到達する。
S波(主要動)
進行方向に対して垂直に岩盤を揺らしながら伝わる地震波で、P波の後に到達する。S波は液体中を伝わることができず、この性質から地球の外核が液体であることが証明され…
モーメントマグニチュード
断層面積・平均すべり量・岩石の剛性の積である地震モーメントに基づく、地震規模を測定する現代の標準的な尺度(Mw)。あらゆる規模の地震に対して精度が高い。
リヒタースケール
1935年にチャールズ・リヒターが考案した、局地地震のマグニチュードを測定するための最初の対数マグニチュード尺度。現在はモーメントマグニチュードに大きく置き換…
加速度計
地面の揺れの加速度を測定するセンサーで、耐震工学において重要な役割を果たす。現代の強震動加速度計は、大地震近傍の激しい揺れを記録できる。
地震波
地震や爆発によって発生し、地球内部を伝播する弾性波。地震波は、震源で放出されたエネルギーを遠方の地点まで運ぶ。
地震観測網
地震活動を継続的に監視する、連携した地震観測点の集合。世界地震観測網(GSN)は150以上の観測点から構成され、世界規模の観測範囲を提供する。
地震計
地震波によって生じる地面の揺れを検知し記録する装置。現代のデジタル地震計は、ナノメートル未満の変位も検出できる。
地震記象(地震波形記録)
地震計が記録した出力で、地面の揺れを時間の関数として示したもの。地震学者はこの記録を解析し、地震の規模・深さ・位置を求める。
広帯域地震計
0.001〜50Hzという広い周波数帯域にわたって地震波を記録できる地震計。現代の世界的な地震観測網における主要な観測機器。
強震計
スケールオーバーすることなく、大地震近傍の激しい地面の揺れを記録するために設計された装置。建物やインフラが揺れにどう応答するかを理解するために不可欠。
最大地動加速度(PGA)
地震時における地面の最大加速度で、重力加速度(g)の単位で表される。耐震工学における構造物設計の重要なパラメータ。

よくある質問

地震への備えの主なステップ:重い家具や給湯器を壁に固定する。水、食料、懐中電灯、ラジオ、救急用品を3日分以上含む非常用キットを用意する。各部屋の安全な場所(丈夫なテーブルの下、窓から離れた場所)を確認する。「まず低く、頭を守り、動かない」の訓練を行う。ガスと水道の元栓の閉め方を知っておく。

屋内にいる場合:「まず低く、頭を守り、動かない」——手と膝をつき、丈夫な机やテーブルの下に身を隠し、揺れが収まるまで動かないでください。外に走り出たり、戸口に立ったりしないでください。屋外にいる場合:建物、電線、木から離れた開けた場所に移動してください。運転中の場合:車を路肩に寄せて停車し、車内にとどまってください。

緊急地震速報(EEW)システムは、最初に到達する被害の小さいP波を検知し、より強いS波が到達する前に警報を送信します。ShakeAlert(米国)、J-Alert(日本)、SASMEX(メキシコ)などのシステムは、数秒から数十秒の警報を提供できます。これは身を守ったり、電車を停止させたり、産業プロセスを停止させるのに十分な時間です。

地震保険は、通常の住宅保険では除外されている地震による建物や家財への損害を補償します。必要かどうかは、お住まいの地域の地震リスク、建物の構造タイプ、地震被害の費用を負担する経済的能力によって異なります。カリフォルニアや日本のような高リスク地域では、加入が強く推奨されます。

耐震建築にはいくつかの戦略が用いられます。地震エネルギーを吸収する柔軟な構造システム、建物を地盤の動きから分離する免震装置、鉄筋コンクリートと鉄骨ラーメン構造、耐力壁による水平力への抵抗、そして制振装置です。現代の建築基準法(IBC、ユーロコード8)は、地域の地震ハザードに基づいた設計要件を規定しています。

液状化は、地震の揺れの際に飽和した緩い土壌が強度を失い、液体のように振る舞う現象です。これにより建物が沈下、傾斜、倒壊したり、パイプやタンクなどの地下構造物が地表に浮き上がったりすることがあります。地下水位の高い水域近くの砂質土壌が最も影響を受けやすいです。