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「地震予知」は
どこまで進んだのか?
機械学習が開く可能性
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How machine learning might unlock earthquake prediction

「地震予知」は
どこまで進んだのか?
機械学習が開く可能性

地震予知は以前、地震研究の主流の枠から外れていた。しかし現在、多くの科学者が機械学習やその他の手法を応用し、人々に安全確保の時間を与える地震予知の実現を目指す研究を進めている。 by Allie Hutchison2024.01.12

2017年9月にマグニチュード8.2の地震がメキシコシティを襲う約2分前、鳴り響くサイレンが住民に地震の到来が近づいていることを知らせた。このような警報は現在、米国、日本、トルコ、イタリア、ルーマニアなどで利用可能となっており、地震の脅威に対する私たちの考え方を変えた。地震はまったくの予告なしに発生するものではなくなったのだ。

緊急地震速報システムは、被害をもたらす可能性のある地震が発生してから3〜5秒後に、電話を通じてアラームを発信したり、被災地域に大音量シグナルを送信したりすることができる。まず、震源断層に近い地震計が地震の始まりを検知し、精巧にプログラムされたアルゴリズムがその地震の規模を推定する。中規模または大規模の地震と推定された場合、警報が発信される。警報の伝達速度は地震波が伝わる速度よりも速く、警報は数秒から数分以内に届けられる。この極めて短い時間が非常に重要となる。この一瞬の間に、人々は電気やガスを遮断し、消防車を街に送り出し、安全な避難場所を見つけることができる。

しかし、緊急地震速報システムには限界がある。地震規模を過大推定または過小推定することがある。さらに、すでに発生した地震に対してのみ反応するので、天気予報のように地震を予報することはできない。そのため、非常に多くの地震が発生しやすい地域は、常に不安な状態に置かれている。地震を適切に予測できれば、送電網の遮断や住民の避難などリスク管理のためにもっと多くのことができるようになるだろう。

私が地震学の大学院博士課程に進んだ2013年当時、地震予知というテーマはネス湖の怪獣探しと同じくらい主流研究の枠から外れたもので、真面目な研究とはみなされていなかった。

しかし、そのわずか7年後には状況は大きく変わっていた。私が2020年に2度目の博士研究員を始めたとき、この分野の科学者たちが地震予知をかなり受け入れるようになっていたことを目の当たりにした。私が参加していたプロジェクト「テクトロニック(TECTONIC)」は、機械学習を使って地震予知を発展させようとしていた。欧州研究会議(ERC:European Research Council)はその可能性を認め、2020年に4年間で340万ユーロの助成金を与えたほどだった。

現在、多くの著名な科学者が地震予知の可能性を真剣にとらえ、それぞれの領域で研究成果を上げている。断層に沿って発生する新たな種類のゆっくりとした動きを研究している研究者もいる。これは、広く懸念されている壊滅的な被害をもたらすような大地震の発生が近づいていることを示す有用な指標となる可能性がある。また、地震ノイズや動物の行動、電磁気からのシグナルといった他のデータからヒントを導き出し、地震発生前の警告発信の実現に向けて地震科学を推進したいと考えている研究者もいる。

暗中模索

地震物理学はとりわけ不可解なものに思えるかもしれない。天文学者は星を見ることができるし、生物学者は動物を観察することができる。しかし、地震の研究者たちは、少なくとも直接的には地中を見ることができない。代わりに地震研究者は、地殻が揺れたときに地球内部で何が起こっているのかを間接的に理解する。地震学では地球内部の動きによって発生する音波を研究し、測地学ではGPS(全地球測位システム)のようなツールを使って地表が時間の経過とともにどのように変化するかを測定し、古地震学では地層に隠された過去の地震の痕跡を研究する。

まだ分かっていないことは多い。1960年代にプレートテクトニクス理論が広く受け入れられてから数十年が経つが、地震発生に関する理解は、応力(ストレス)が蓄積され、臨界値に達した時点で地震によって解放されるという考え方以上のものには至っていない。断層はさまざまな要因によってその臨界点に達しやすくなる。たとえば、大きな要因として流体の存在がある。石油やガスの生産に伴う廃水の注入は、過去10年間に米国中部全域で地殻活動の大幅な増加を引き起こした。しかし、特定の断層に沿って何が起こっているのかを知るということに関しては、ほとんど何もわかっていない。地震波を利用し、震源の位置をマッピングすることで、断層のおおよその地図を作ることはできる。だが、断層が受けている応力を直接測定することはできないし、地面が動き出す臨界値を定量化することもできない。

長い間、地震予知に関しては、特定地域における地震の発生頻度を把握することで精一杯だった。たとえば、カリフォルニア州のサン・アンドレアス断層の南部セグメント全体を最後に破壊した地震は1857年に発生した。南部セグメントで大地震が発生する間隔は平均して100年から180年の間であると推定されている。概算では「期限を過ぎている」可能性がある。しかし、その範囲が広いことからわかるように、大地震の再現期間は大きく異なる可能性があり、誤解を招く恐れがある。サンプルは、人類史の記録と地質学的記録の中で観察できる地震に限られているため、地球が誕生して以来起きた地震のごく一部を表しているにすぎない。

科学者たちは1985年に、カリフォルニア州中部にあるサン・アンドレアス断層のパークフィールド区間沿いに地震計などの地震観測機器の設置を始めた。パークフィールドでは、他の断層沿いの地震に比べて極めて規則的な間隔で6回の地震が発生していたため、米国地質調査所(USGS:US Geological Survey)の研究チームは、高い信頼度で1993年までに同じような規模の地震が発生すると予測した。しかし、そのような地震は2004年まで発生しなかったため、この実験は概して失敗とみなされている。

同じようなマグニチュードの地震が一定の間隔で発生する例は、ハワイを含む他の場所でも確認されているが、これは例外であって一般的ではない。地震の再発期間は大きな誤差を伴う平均値として示されることの方がはるかに多い。大地震が発生しやすい地域の場合、再発期間は数百年単位になることもあり、誤差も数百年に及ぶ。明らかに、この方法は厳密な科学手法からかけ離れている。

カリフォルニア工科大学の地球物理学者で、USGSの元シニア・サイエンティストであるトム・ヒートン教授は、地震予知の実現には懐疑的だ。ヒートン教授は地震を主に確率過程として扱う。つまり、地震発生の確率は出せるが、正確な予測はできないということだ。

「物理学的に言えば、カオスシステムです」とヒートン教授は説明する。その根底にあるのは、地球の挙動が秩序立った決定論的なものであるという十分なエビデンス(科学的根拠)である。しかし、地中で発生している現象について十分な知識がなければ、その秩序を把握することはできない。「『カオス』と言うと、ランダムなシステムだと思われることがありますが、カオスというのは、予知できないほど複雑だという意味です」とヒートン教授は注意を促す。

しかし、地球 …

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