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2．地殻活動の予測シミュレーションとモニタリングのための観測研究の推進

（1）「地殻活動予測シミュレーションモデルの構築」研究計画

  　「地殻活動予測シミュレーションモデルの構築」研究計画の目標は、北米、太平洋、フィリピン海、ユーラシアの四つのプレートが複雑に相互作用する日本列島域を一つのシステムとしてモデル化し、常時観測網からの膨大な地殻活動データをリアルタイムで解析・同化することで、プレート相対運動によって駆動される広域応力の蓄積から準静的な震源核の形成を経て動的破壊の開始・伝播・停止に至る大地震発生過程の定量的な予測を行うことにある。本研究計画では、上記の目標を達成するために、「ア．日本列島域」を対象とした地殻活動予測シミュレーションモデルを開発し、稠密な観測が行われている。また、「イ．特定の地域」においては、より詳細な地域モデルを開発し、地殻変動データや地震活動データをリアルタイムで取り込んだ地殻活動予測シミュレーションを行う。さらに、「ウ．予測シミュレーションモデルの高度化」のために、地震発生の物理・化学過程に関する基礎的なシミュレーション研究を推進する。
ア． 日本列島域
  　プレート境界での滑り履歴が分かれば、プレート境界及び周辺域の地殻応力状態の変化をシミュレーションにより予測することができる（Hashimoto and Matsu'ura,2006）。平成16年度までに完成した日本列島域の地殻活動シミュレーションモデルの原型（プロトタイプ）（Matsu'ura et al.,2005）を用いて、1968年（昭和43年）十勝沖地震（マグニチュード7.9）の震源域における大地震発生予測シミュレーションを行った結果、小さな破壊が大地震になるか否かは震源域の応力状態によることが示された。これらの成果を踏まえて、平成17年度は、日本列島域の地殻変動データからプレート境界面での固着・滑り分布を推定する解析手法及び広域地震活動データから地殻内応力状態を推定する解析手法の開発を行った（東京大学理学系研究科［課題番号：1502］）。

（地殻変動データ逆解析手法の開発）
　直接的及び間接的に得られている既知の情報を統計的モデルにより観測データと結合して地殻変動データを解析する新しい逆解析手法を開発した（Noda and Matsu'ura,2006）。現実的な三次元プレート境界形状モデル（Hashimoto et al.,2004）を用いて、この逆解析手法を関東地域の様々な時間スケールの地殻変動データに適用して、1923年（大正12年）関東地震（マグニチュード7.9）時の滑り分布、地震間の滑り速度分布、1996年及び2002年の房総沖短期的ゆっくり滑りの滑り分布を求めた。これらの解析結果を総合し、関東地域下の北米プレート−フィリピン海プレート境界は、A）プレート収束速度で定常滑りが進行する領域、B）短期的ゆっくり滑りの繰り返しにより間歇的に応力が解放される領域、C）1923年関東地震タイプのプレート間大地震により数百年間隔で一気に応力解放する領域、及びD）プレート境界は滑らず周辺域の地殻変形によって応力が解放される領域に区分されることが分かった（図37）。

（CMTデータ逆解析手法の開発）
　CMT（セントロイド・モーメント・テンソル：地震波形から求められた地震の位置・規模・発震機構のこと）データから地震周辺の地震発生応力場を推定する新しい逆解析手法（Terakawa and Matsu'ura,2006）を開発し、太平洋プレートが北米プレートの下に沈み込む東北地方の地震データに適用した。その結果、従来の応力逆解析手法に比べて、解析領域の分割方法の任意性の少ない優れた方法であることが示され、手法の有効性が検証された（図38）。
イ． 特定の地域
  （南海トラフ沿い巨大地震発生サイクルのシミュレーションモデルの構築）
　地球シミュレータを活用して、南海トラフ沿い巨大地震発生サイクルの準静的及び動的シミュレーションモデルを開発するため、平成17年度は、三角形断層要素を用いて南海トラフ沿いに沈み込むフィリピン海プレート上面の三次元形状をモデル化し、南海トラフ沿いの巨大地震の準静的地震発生サイクルのシミュレーションを行った（図39）（Hori,2006）。その結果、三次元曲面断層を用いたシミュレーションにおいても、平面断層の場合（Hori et al.,2004）と同様、沈み込み角度の違いによる固着域の幅の違いの影響で、紀伊半島沖が最も応力増加率の高い場所（破壊開始点となり易い場所）になるという結論が得られた（名古屋大学［課題番号：1704］）。

（三陸沖プレート境界型地震発生サイクルのシミュレーションモデルの構築）
　本研究項目では、岩石実験に基づく摩擦構成則を用いて現実的な地震発生サイクルのシミュレーションモデルを開発し、三陸沖プレート境界での地震発生サイクルの数値シミュレーションを通じて、この地域のプレート境界での摩擦構成則パラメータの空間分布を推定する。さらに、プレート境界の巨大地震と内陸活断層との相互作用をモデルに組み込み、内陸地震の発生に関する知見を得る。上記の目標を達成するため、平成17年度は、1）アスペリティ相互作用モデルによる1994年（平成6年）三陸はるか沖地震（マグニチュード7.5）を含む三陸沖のプレート境界地震発生サイクルのシミュレーション、及び2）プレート境界の三次元形状を考慮した千島海溝南部の地震発生サイクルのシミュレーションを行った（東京大学地震研究所［課題番号：1411］）。

1） 三陸沖プレート境界の地震発生サイクルシミュレーション
  1994年三陸はるか沖地震で観測された顕著な余効滑りは、プレート境界面上の本震と最大余震に対応するアスペリティ（図40（a）のLA1とSA1）の相互作用を考慮した地震発生サイクルのシミュレーションにより、次のように説明できることが示された（Kato,2005）。本来、非地震性のゆっくりとした滑りが発生する領域がアスペリティに囲まれていると、周辺のアスペリティが固着している間は顕著な非地震性のゆっくりとした滑りを起こすことができない。しかし、本震の発生でアスペリティが破壊されるとそこでの滑りが可能になり、図40（b）に示すように、顕著な余効滑りが発生する。
2） 千島海溝南部の地震発生サイクルシミュレーション
  プレート境界の三次元形状を考慮した千島海溝南部の地震サイクルのシミュレーションを地球シミュレータで行った。2003年（平成15年）十勝沖地震（マグニチュード8.0）と1973年（昭和48年）根室半島沖地震（マグニチュード7.4）に対応するアスペリティに加え、1952年（昭和27年）十勝沖地震（マグニチュード8.2）の際の津波波源域に対応する厚岸沖のアスペリティを考慮した結果、十勝沖から根室沖にかけて発生する大地震の破壊域の広がりの多様性が再現できた（図41）（海洋研究開発機構［課題番号：4001］）。

ウ． 予測シミュレーションモデルの高度化
  　本研究項目では、現段階の地殻活動予測シミュレーションモデルでは考慮されていない物理的諸過程のモデル化、シミュレーション手法の開発、データ解析手法の開発を行い、それらを現システムに組み込むことで、予測シミュレーションモデルの高度化を目指す。平成17年度は、1）応力−構成則逆解析手法の改良と中国地方の地殻応力場の推定、2）GPSデータの逆解析による摩擦構成則パラメータの推定、3）三角形の断層要素に対するグリーン関数の厳密解の導出、4）不均質媒質中の破壊経路自己選択計算手法の開発、及び5）流体圧変化が地震の破壊核形成過程に及ぼす影響等に関して研究を推進し、次のような進展があった（東京大学地震研究所［課題番号：1412］）。

  1） 　応力−構成則逆解析手法を改良して中国地方のGPSデータに適用し、2000年（平成12年）鳥取県西部地震（マグニチュード7.3）以前は、震源域付近で歪速度は小さいにもかかわらず応力増加速度は大きかったという興味ある結果が得られた（Iinuma et al.,2005）。
2） 　東海地方の長期的ゆっくり滑りについて、GEONETのGPS連続観測記録の逆解析からせん断応力の滑り速度依存曲線を求め、長期的ゆっくり滑りが速度弱化領域で発生していることを示唆する結果を得た（Miyazaki et al.,2006）。
3） 　理想化された三次元媒質中で、三角形の断層要素上の滑りに対する変位応答履歴・応力応答履歴の厳密解を導くことに成功した（Tada et al.,2006）。
4） 　粒子的変位場の離散化による定式化を用いた有限要素法（Hori et al.,2005）を適用し、不均質な媒質中での面内せん断破壊の進展と破壊面の形成に関する理論的研究を行った。
5） 　流体圧変化が震源核の形成過程に及ぼす影響について、断層帯内の空隙の発展方程式を用いた準静的シミュレーションを行い、体積膨張による間隙流体圧の低下が原因で破壊核形成域は大きくなることが分かった（Shibazaki,2005）。

課題と展望
  　本研究計画の目標は、広域地殻活動の常時モニタリングシステムによって得られる膨大な観測データから有効な情報を抽出し、その情報に基づいて将来の地殻活動の推移を予測するシミュレーションモデルを構築することにある。この目標を達成するため、平成16年度には、地殻・マントルの弾性−粘弾性構造、プレート境界の三次元形状、断層構成則の環境依存性を考慮した日本列島域の地殻活動シミュレーションモデルの原型を地球シミュレータ上に完成させた。
　しかし、このモデルによるシミュレーションが真に予測としての意味を持つためには、広域地震と地殻変動観測データから予測シミュレーションに有用な情報を様々な方法で抽出する必要がある。例えば、プレート境界面の三次元形状を考慮した1968年十勝沖地震の震源域における大地震発生予測シミュレーション、南海トラフ沿いの大地震発生サイクルのシミュレーション及び千島海溝南部での大地震発生サイクルのシミュレーション、あるいはアスペリティ間の相互作用を考慮した三陸沖プレート境界の地震発生サイクルシミュレーション等を通じて、プレート境界面の摩擦構成則パラメータの空間分布についての知識はかなり充実したものになりつつある。また、平成17年度に開発した地殻変動データ逆解析プログラムをシミュレーションモデルに組み込めば、地殻変動データから日本列島周辺域のプレート境界での滑り分布の変動履歴を復元することが可能となる。他方、CMTデータ逆解析手法を広域地震活動データに適用すれば、地殻内の応力状態をリアルタイムでモニターすることも充分可能となるであろう。
参考文献
 

Hashimoto, C., K. Fukui, and M. Matsu'ura, 3-D modelling of plate interfaces and numerical simulation of long-term crustal deformation in and around Japan, Pure and Applied Geophysics, 161, 2053-2068, 2004.

Hashimoto, C., and M. Matsu'ura, 3-D simulation of tectonic loading at convergent plate boundary zones: Internal stress fields in northeast Japan, Pure and Applied Geophysics, 163, number9. in press, 2006.

Hori, M., K. Oguni, and H. Sakaguchi, Proposal of FEM implemented with particle discretization for analysis of failure phenomena, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 53, 681-703, 2005.

Hori, T., Mechanisms of separation of rupture area and variation in time interval and size of great earthquakes along the Nankai Trough, southwest Japan, J. Earth Simulator, 5, 8-19, 2006.

Hori, T., N. Kato, K. Hirahara, T. Baba, and Y. Kaneda, A numerical simulation of earthquake cycles along the Nankai trough, southwest Japan: Lateral variation in frictional property due to the slab geometry controls the nucleation position, Earth Planet. Sci. Lett., 228, 215-226, 2004.

Iinuma, T., T. Kato, and M. Hori, Inversion of GPS velocity and seismicity data to yield changes in stress in the Japanese Islands, Geophys. J. Int., 160, 417-434, 2005.

Kato, N., Numerical simulation of recurrence of asperity rupture in the Sanriku region, northeastern Japan, Proceedings of Second International Workshop on Strong Ground Motion Prediction and Earthquake Tectonics in Urban Areas, 57-62, 2005.

Matsu'ura, M., C. Hashimoto, K. Nakajima, E. Fukuyama, and T. Sagiya, Development of a predictive simulation system for crustal activities in and around Japan - 2, Annual Report of the Earth Simulator Center, April 2004-March 2005, 111-114, 2005.

Miyazaki, S., P. Segall, J. McGuire, T. Kato, and Y. Hatanaka, Spatial and temporal evolution of stress and slip-rate during the 2000 Tokai slow earthquake, J. Geophys. Res., 111, B03409, doi:10.1029/2004JB003426, 2006.

Noda, A., and M. Matsu'ura, Diversity of stress release modes at plate interfaces beneath the Kanto region, central Japan, inferred from geodetic data inversion, Abstracts of the 5th ACES International Workshop, pp.54-55, Hawaii, USA, April 2006.

Tada, T., Stress Green's functions for a constant slip-rate on a triangular fault, Geophys. J. Int., 164, 653-669, 2006.

Terakawa, T., and M. Matsu'ura, An inversion method to estimate internal stress fields from centroid moment tensors of seismic events, Abstracts of the 5th ACES International Workshop, pp.45-46, Hawaii, USA, April 2006.

Shibazaki, B., Nucleation process with dilatant hardening on a fluid-infiltrated strike-slip fault model using a rate- and state-dependent friction law, J. Geophys. Res., 110, B11308, doi:10.1029/ 2005JB003741, 2005.


図37： 関東地域の地殻変動データの逆解析から明らかになった北米−フィリピン海プレート境界での応力解放形態の多様性（Noda and Matsu'ura,2006）。青塗りの濃さ：地震間の滑り遅れ速度分布（20mm/yr（ミリメートル毎年）間隔）。赤の等値線：1923年関東地震時の滑り分布（2メートル間隔）。緑の等値線：ゆっくり滑りの滑り分布と発生間隔から推定した滑り速度分布（5mm/yr（ミリメートル毎年）間隔）。



図38： CMTデータの逆解析から推定された東北日本の地震発生応力場（Terakawa and Matsu'ura,2006）。上段：震源球で表現した地震発生応力場のパターン。下段：最大主圧縮軸の方向。背景色の青は推定結果の確からしさ、赤は不確からしさを示す。データは防災科学技術研究所のカタログ（1997年1月1日〜2005年7月31日）を使用した。



図39： 三角形の断層要素によるフィリピン海プレートの三次元形状モデルを用いた南海トラフの準静的地震発生サイクルシミュレーション（Hori,2006）。（a）摩擦パラメータの分布（上はA-B、下はL）。深さに依存した摩擦特性を与えている。プレート境界面上の曲線は10キロメートル間隔の等深度線を表す。A-Bは滑りの不安定性を表すパラメータで、A-Bが正の場合には安定した滑りとなるが、負の場合には不安定となり急激な滑りによって地震を発生する。Lは臨界滑り量と呼ばれ、摩擦抵抗が滑りながら小さくなる時に、滑りに対する摩擦抵抗の弱まり方を表す。（b）前駆滑り域（黄緑）が加速して高速滑り（オレンジ）が開始した時点の滑り速度（V）の分布（プレート間相対速度（Vpl）で規格化して対数をとったもの）。青は固着域を示す。



図40： アスペリティ相互作用モデルによる1994年三陸はるか沖地震の発生サイクルシミュレーション（Kato,2005）。（a）シミュレーションで用いたプレート境界面上の摩擦パラメータA-Bの空間分布。（b）シミュレーションで得られた本震発生後84日間の余効滑りの空間分布。



図41： 千島海溝南部の地震サイクルシミュレーション（海洋研究開発機構［課題番号：4001］）。プレート間相対速度で規格化して対数をとった滑り速度の分布。十勝沖、厚岸沖、根室沖のアスペリティが毎回異なるパターンで破壊していることが分かる。


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