InSAR: 衛星から地震を見る

What Is InSAR?

InSAR地震前後に撮影されたレーダー画像を比較することで、センチメートル単位の精度で地表変動を測定する衛星レーダー技術。断層のすべりパターンを明らかにする。 — Interferometric Synthetic Aperture Radar — is a satellite remote sensing technique that uses radar signals to measure surface deformation with centimeter to millimeter precision over large areas. A radar satellite transmits microwave pulses toward Earth's surface and records the reflected signal. By comparing the phase of radar returns from two passes over the same area at different times, scientists can create an interferogram that maps the change in distance between the satellite and the ground surface between the two acquisition dates. Because radar waves have wavelengths of a few centimeters and phase can be measured to a fraction of a wavelength, the technique achieves extraordinary sensitivity to surface displacement — often better than 1 centimeter over areas of thousands of square kilometers. The technology has transformed observational earthquake science by making it possible to map the ground deformation caused by earthquakes, slow slip events, and volcanic unrest from space.

Advantages Over Ground-Based Networks

Traditional geodetic networks — GPS stations, leveling benchmarks, tiltmeters — provide precise measurements but only at discrete points. 干渉SAR（InSAR）地震前後に撮影されたレーダー画像を比較することで、センチメートル単位の精度で地表変動を測定する衛星レーダー技術。断層のすべりパターンを明らかにする。 provides spatially continuous coverage of the entire deformation field at tens-of-meter resolution, revealing the full spatial pattern of ground displacement rather than interpolations between sparse measurement points. This spatial completeness is essential for constraining the detailed slip distribution on 断層岩盤に沿って動きが生じた破断面。断層は数ミリメートルから数千キロメートルまで様々な長さがある。地震を引き起こす主要な断層は活断層と呼ばれる。 planes and for detecting displacement in areas without ground-based instrumentation. 干渉SAR（InSAR）地震前後に撮影されたレーダー画像を比較することで、センチメートル単位の精度で地表変動を測定する衛星レーダー技術。断層のすべりパターンを明らかにする。 is particularly valuable in remote or politically difficult regions where deploying GPS測地学全地球測位システムの受信機を用いて、プレートの動きや地殻変動をミリメートル単位の精度で測定する手法。地震と地震の間に断層に歪みがどのように蓄積するかを明らかにする。 networks is impossible or impractical.

How Radar Interferometry Works

The underlying physics of 干渉SAR（InSAR）地震前後に撮影されたレーダー画像を比較することで、センチメートル単位の精度で地表変動を測定する衛星レーダー技術。断層のすべりパターンを明らかにする。 exploits the wave nature of radar signals. When a radar satellite illuminates the ground, each point on the surface reflects a signal with a phase that depends on the distance between the satellite and the ground. If the ground moves between two satellite acquisitions — say, because of an earthquake — the distance changes, and so does the phase of the reflected signal. By subtracting the phase maps from two acquisitions (forming an interferogram), the common phase contributions from the satellite orbit geometry and the stable topography cancel out, leaving a residual phase that represents the change in range (line-of-sight distance) between the satellite and the ground. This range change is displayed as a series of color fringes in the interferogram, with each full color cycle representing one-half wavelength of displacement (about 2.8 centimeters for the C-band radar used on ESA's Sentinel-1 satellites). Counting fringes and their sign reveals the magnitude and direction of ground deformation.

Decorrelation and Atmospheric Noise

Not all interferograms are clean. Temporal decorrelation occurs when the ground surface changes between acquisitions — due to vegetation growth, snow cover, agricultural plowing, or urban construction — causing the phase information to become random noise. Atmospheric delay noise is caused by differences in the water vapor content of the troposphere between the two acquisitions; water vapor slows radar signals and can introduce apparent deformation signals of several centimeters. Careful selection of interferometric pairs, stacking of multiple interferograms, and atmospheric correction using weather models or GPS measurements can mitigate these effects. Modern satellite missions like Sentinel-1 with 6-day repeat intervals, and planned future missions with even shorter revisit times, are dramatically improving the temporal resolution and reducing decorrelation issues.

Mapping Fault Slip After Earthquakes

The most immediate application of 干渉SAR（InSAR）地震前後に撮影されたレーダー画像を比較することで、センチメートル単位の精度で地表変動を測定する衛星レーダー技術。断層のすべりパターンを明らかにする。 in earthquake science is mapping co-seismic deformation — the displacement of the ground surface caused by a major earthquake. When the 1992 Landers earthquake (Mw 7.3) in California was captured in an interferogram from the ERS-1 satellite — the first such observation — the earthquake science community was electrified. The fringe pattern beautifully traced the displacement field across hundreds of square kilometers, consistent with the known 横ずれ断層岩盤のブロックが水平方向に互いにすれ違う断層。サンアンドレアス断層と北アナトリア断層は、破壊的な地震を引き起こす主要な横ずれ断層である。 mechanism and directly constraining the slip distribution on the fault rupture地震時に断層に沿って岩盤が破断し、蓄積された弾性エネルギーが地震波として放出される現象。破壊の長さは、小規模地震では数メートル、大地震では1,000km以上に及ぶこともある。 surface. Since then, thousands of earthquake 干渉SAR（InSAR）地震前後に撮影されたレーダー画像を比較することで、センチメートル単位の精度で地表変動を測定する衛星レーダー技術。断層のすべりパターンを明らかにする。 interferograms have been published, building a rich observational database of co-seismic deformation for events ranging from Mw 5 to Mw 9.

Inverting for Fault Slip

The surface deformation measured by 干渉SAR（InSAR）地震前後に撮影されたレーダー画像を比較することで、センチメートル単位の精度で地表変動を測定する衛星レーダー技術。断層のすべりパターンを明らかにする。 is related to the distribution of slip on the fault at depth through the equations of elasticity. Given a model of Earth's elastic properties and an assumed fault geometry, geodesists invert the 干渉SAR（InSAR）地震前後に撮影されたレーダー画像を比較することで、センチメートル単位の精度で地表変動を測定する衛星レーダー技術。断層のすべりパターンを明らかにする。 interferogram to find the slip distribution on the fault plane that best explains the observed surface deformation. These slip models reveal which portions of the fault ruptured most (asperities — regions of high slip) and which remained locked, information that is impossible to obtain from seismic waveforms alone. Combined with GPS測地学全地球測位システムの受信機を用いて、プレートの動きや地殻変動をミリメートル単位の精度で測定する手法。地震と地震の間に断層に歪みがどのように蓄積するかを明らかにする。 displacement vectors, 干渉SAR（InSAR）地震前後に撮影されたレーダー画像を比較することで、センチメートル単位の精度で地表変動を測定する衛星レーダー技術。断層のすべりパターンを明らかにする。 inversions provide the most detailed pictures of fault rupture currently achievable. The 2016 Kaikōura earthquake in New Zealand is a famous example: 干渉SAR（InSAR）地震前後に撮影されたレーダー画像を比較することで、センチメートル単位の精度で地表変動を測定する衛星レーダー技術。断層のすべりパターンを明らかにする。 revealed that the earthquake involved simultaneous rupture of more than 20 fault segments in a geometrically complex pattern that was completely unexpected from pre-earthquake structural geology.

Detecting Silent Earthquakes

Beyond the dramatic co-seismic deformation of large earthquakes, 干渉SAR（InSAR）地震前後に撮影されたレーダー画像を比較することで、センチメートル単位の精度で地表変動を測定する衛星レーダー技術。断層のすべりパターンを明らかにする。 can detect more subtle, slow deformation phenomena. Fault creep顕著な地震を発生させることなく、断層に沿ってゆっくりと継続的に生じる動き。サンアンドレアス断層の一部区間は、年間2〜3cmの速度でクリープしている。 — the slow, aseismic sliding of a 断層岩盤に沿って動きが生じた破断面。断層は数ミリメートルから数千キロメートルまで様々な長さがある。地震を引き起こす主要な断層は活断層と呼ばれる。 — produces a characteristic linear fringe pattern in accumulating 干渉SAR（InSAR）地震前後に撮影されたレーダー画像を比較することで、センチメートル単位の精度で地表変動を測定する衛星レーダー技術。断層のすべりパターンを明らかにする。 time series. The creeping segment of the Haiyuan Fault in China was mapped in detail using ERS satellite data, revealing spatial variations in creep rate along the fault. Slow slip events on subduction zones, volcanic inflation and deflation, and land subsidence due to groundwater extraction, oil production, or urban construction are all detectable with 干渉SAR（InSAR）地震前後に撮影されたレーダー画像を比較することで、センチメートル単位の精度で地表変動を測定する衛星レーダー技術。断層のすべりパターンを明らかにする。 time series analysis. The combination of spatial coverage and sensitivity makes 干渉SAR（InSAR）地震前後に撮影されたレーダー画像を比較することで、センチメートル単位の精度で地表変動を測定する衛星レーダー技術。断層のすべりパターンを明らかにする。 an indispensable tool for monitoring geodynamic processes that occur too slowly or too quietly to be detected by seismographs but too fast to be distinguished from long-term plate motion by classical geodetic surveys.

Combining InSAR with GPS Data

干渉SAR（InSAR）地震前後に撮影されたレーダー画像を比較することで、センチメートル単位の精度で地表変動を測定する衛星レーダー技術。断層のすべりパターンを明らかにする。 and GPS測地学全地球測位システムの受信機を用いて、プレートの動きや地殻変動をミリメートル単位の精度で測定する手法。地震と地震の間に断層に歪みがどのように蓄積するかを明らかにする。 are highly complementary techniques that together provide much stronger constraints on earthquake source models than either alone. GPS provides three-dimensional displacement vectors at discrete points with sub-millimeter accuracy, while 干渉SAR（InSAR）地震前後に撮影されたレーダー画像を比較することで、センチメートル単位の精度で地表変動を測定する衛星レーダー技術。断層のすべりパターンを明らかにする。 provides one-dimensional (line-of-sight) measurements over a continuous two-dimensional surface with centimeter accuracy. By combining ascending and descending orbit interferograms from the same earthquake, and integrating GPS displacement vectors, scientists can solve for the full three-dimensional displacement field across the entire deformation zone. This combined approach has been applied to major earthquakes worldwide — including the 1999 Izmit (Turkey), 2003 Bam (Iran), 2010 El Mayor–Cucapah (Mexico), and 2011 Tohoku (Japan) events — producing slip models of unprecedented resolution and detail. These models feed directly into assessments of クーロン応力伝達地震が周辺の断層の応力状態を変化させ、将来の地震を誘発または遅延させうる過程。どの断層が破壊に近づいたかを予測するために用いられる。 transfer to adjacent fault segments, informing post-earthquake hazard evaluations used by emergency managers and government agencies.