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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

 地殻活動シミュレーション研究の目標は、隣接するプレート同士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することにより、プレート相対運動に起因する歪エネルギーの蓄積から、ゆっくりとした震源核の形成を経て、急激な破壊の開始・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。
 上記の目標を達成するために、日本列島及びその周辺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する。また、稠密な観測が行われている特定の地域において、より詳細な地域モデルを開発し、活動予測シミュレーションを行う。さらに、これらのシミュレーションモデルを継続的に高度化していくために、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。このような観点から、平成20年度は以下の研究を行う。

ア.日本列島域

 GPSデータから西南日本地域のプレート境界面の固着状態を推定し、平成19年度の成果と合わせて、日本列島周辺域のプレート境界面の固着-滑り状態を明らかにする。また、GPSデータから地殻内の三次元歪速度場を弾性歪と非弾性歪に分離した形で推定する新しいインバージョン解析手法を開発し、地殻活動シミュレーションモデル、CMTデータインバージョン解析プログラム、及び測地データインバージョン解析プログラムで構成される、日本列島域の地殻応力状態モニタリングシステムのプロトタイプを完成させる。
 沈み込み帯に発生する地震をターゲットとして、プレート運動を考慮した準静的な応力蓄積によって得られた応力分布を用いて地震の動的破壊過程を再現し、そこから発生する地震波動の伝播を推定する。観測データと比較可能なシミュレーションを行い、シミュレーション精度の検討を行う。平成20年度は、これまで行ってきたシミュレーション研究の枠組において、過去の地震記録はないが今後発生の予測される地域の地震動をどのように推定すべきかの検討を行う事に主眼を置く。

イ.特定の地域

 宮城沖の地震サイクルを再現するシミュレーションを行うことを通して、この領域のプレート境界の摩擦特性を推定する。この領域では、プレート境界の固着域が一度に破壊される場合と、何回かに分けて破壊される場合とがあることがわかっている。このような複雑な地震発生の原因となる摩擦特性の不均一性についても理解することを目標とする。また、三陸沖のプレート境界大地震後の余効滑りについて、観測データとシミュレーションを比較することにより、プレート境界面の摩擦構成則や摩擦特性について理解する。
 また、二次元粘弾性不均質構造場での逆断層タイプの地震について、滑り速度・状態依存則に従う摩擦と有限要素法による応力計算とを組み合わせたシミュレーションを行うことにより、不均質構造が準静的地震サイクルに及ぼす影響を評価する。
 平成19年度に見出した摩擦特性の与え方を用いて、フィリピン海プレートの三次元形状に加え摩擦パラメータの不均質性を導入して、実際の南海トラフ歴史巨大地震に見られる、再来間隔の大きな変化を伴うセグメント間の相互作用が作り出す複雑な地震発生サイクルを再現し、次に発生する南海トラフ巨大地震の発生予測の基礎データとする。
 単純セルモデルを用いて、成層構造粘弾性モデルを考慮した滑り応答関数を計算して、摩擦構成則に基づき、南海トラフ巨大地震と内陸地震の相互作用を含む地震発生サイクルのプロトタイプミュレーションを完成させる。

ウ.予測シミュレーションモデルの高度化

 熱多孔質弾性体内部の動的破壊の解析において、剪断変形帯近傍での流体の移動による動的破壊への影響を考慮に入れて動的地震破壊の理論的解析を行う。これまでに開発した断層ガウジを模擬した粉体層の摩擦強度回復過程をモデル化した計算コードを使用し、変形集中帯の形成過程のダイナミクスをシミュレーションにより追跡する。特に、臨界滑り長を支配する物性パラメータを解明する。不均質レオロジー構造を考慮した三次元の変形と応力蓄積過程のシミュレーションを実施し、三次元的な断層形成過程を再現して、実際の活断層と比較する。西南日本沈み込み帯深部における三次元プレート境界の形状と遷移領域の摩擦構成則を考慮したモデル化により、スロースリップイベントの再現を試みる。
 2003年十勝沖地震に関して、三次元有限要素法により粘性緩和による変動量を推定し、余効滑りの推定と合わせて余効変動モデルを構築する。GPSデータを用いて、2003年十勝沖地震及び2005年宮城沖地震を対象に断層面の摩擦構成則パラメータを推定する。成層構造中の断層破壊のシミュレーションを実行し、構造境界が断層破壊面の形成過程に与える影響について考察する。破壊強度に影響を及ぼす断層帯中の流体圧は、摩擦熱による温度変化や流体の拡散により変化するが、これらの効果を考慮したシミュレーションの結果に基づき、動的断層運動のエネルギー収支についての検討を行う。内陸大地震の応力蓄積過程を解明するために、プレートの沈み込みという外力と内的な非弾性変形を考慮した非線形粘弾塑性有限要素法による、島弧地殻、上部マントルの変形過程のシミュレーションを実施する。沈み込み帯における地下の三次元構造を考慮して、大地震(マグニチュード8クラスを想定)の余効変動のシミュレーションを行い、余効変動が当該地域及びその周辺の地殻変動に及ぼす影響を定量的に明らかにする。


「地殻活動予測シミュレーションモデルの構築」研究課題(または観測項目)

機関 番号 研究課題(または観測項目)名
東京大学地震研究所 1411 三陸沖および南海トラフのプレート境界型地震発生サイクルシミュレーションモデルの構築
1412 予測シミュレーションモデル高度化のための手法開発
東京大学大学院理学系研究科 1502 日本列島域の地殻活動予測シミュレーションモデルの開発
名古屋大学 1704 南海トラフ沿い巨大地震発生サイクルシミュレーションモデルの構築
独立行政法人防災科学技術研究所 3016 地震発生と波動伝播の連成シミュレーション
国土地理院 6024 有限要素法およびその拡張によるプレート境界域周辺の地殻変動シミュレーション