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

平成20年度年次報告

課題番号：1411

（1）実施機関名：

　東京大学地震研究所

（2）研究課題（または観測項目）名：

　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

（3）最も関連の深い建議の項目：

　2．（1）イ．特定の地域

（4）その他関連する建議の項目：

（5）本課題の平成16年度からの5ヵ年の到達目標と、それに対する平成20年度実施計画の位置付け：

　岩石実験の結果に基づく摩擦構成則を利用して現実的な地震発生サイクルシミュレーションモデルを構築する．これを用いて，三陸沖および駿河・南海トラフ沿いにおける大地震発生サイクルの数値シミュレーションを行うことにより，この地域のプレート境界での摩擦構成則パラメターの空間分布を推定する．さらに，プレート境界型の巨大地震と内陸活断層との相互作用もモデルに組み込み，内陸地震の発生に関する知見を得る．過去の大地震の発生系列を説明するだけではなく，将来の大地震発生の予測を目指す．
　平成20年度は，宮城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や三陸沖の余効すべりのシミュレーションにより，プレート境界面の摩擦特性を理解する．過去の地震サイクルや測地データを説明する摩擦パラメターを推定する．測地データからプレート境界のすべりを推定する際に，不均質構造が及ぼす影響を定量的に評価し，すべりを正確に推定できるようにする．また，2次元不均質粘弾性構造場での地震発生サイクルシミュレーションにより，不均質粘弾性構造が準静的地震サイクルに及ぼす影響を評価する．

（6）平成20年度実施計画の概要：

　M7.5程度の地震が平均37年間隔で繰り返し発生している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．過去の大地震発生履歴から，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では，プレート境界大地震後に，しばしば顕著な余効すべりが観測されるが，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．
　東北日本の大規模3次元有限要素モデルを用いて，宮城県沖～北海道沖のプレート境界面にセル状小断層での単位すべりについての地表変位分布を計算する．これにより，プレート境界地震について，地震時すべり分布や余効すべり分布をGPS等による地表変位データから測地インバージョンで推定する場合に必要となるグリーン関数を求め，データベース化する．また，2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，すべり速度・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。

（7）平成20年度成果の概要：

　プレート境界には，アスペリティと呼ばれる地震発生時に高速ですべる領域と，すべり速度強化の摩擦特性をもつ非地震性すべり領域が存在していると考えられている．周囲の定常的な非地震性すべりによりアスペリティでは応力集中が生じるが，応力集中の程度はアスペリティの形状に依存する．アスペリティと非地震性すべり域の境界の曲率半径が小さいほど，アスペリティの縁で大きな応力集中が生じる．このことに着目し，速度・状態依存摩擦則を利用して，不規則形状のアスペリティでの複雑な地震サイクルのシミュレーションを行った．シミュレーションから，大きな応力集中が生じる曲率半径が小さい領域から破壊が始まりやすく，曲率半径が大きい領域に入るところで破壊が停止する場合があることがわかった．つまり，アスペリティ内で摩擦特性が一様であっても，アスペリティの一部のみが破壊される地震が発生する場合があることが示された．この結果を利用すれば，M7.5のプレート境界地震の繰り返しの中でやや小規模地震の発生を含む宮城沖での複雑な地震発生サイクルをほぼ説明できることがわかる．図1は，観測から推定された宮城沖地震のアスペリティを参考に仮定した，定常摩擦応力の速度依存性を表すパラメターA‐Bのモデル断層面上での分布である．アスペリティのうち，応力集中しやすい領域のみ破壊する地震EQ1（図2）とアスペリティ全域を破壊する地震EQ2（図3）が交互に発生する．EQ1からEQ2までの時間は49年，EQ2からEQ1までの時間は25年となった．また，摩擦特性の不均一性を考慮して，1968年十勝沖地震や，1994年三陸はるか沖地震および，その最大余震と余効すべりなどを説明するモデルを構築した（Kato, 2008）．

図1．モデル断層面上のA-B（定常摩擦応力の速度依存性を表すパラメター）の分布．特徴的すべり量Lは35mmで断層面上で一様．

図2．EQ1の地震性すべり分布．

図3．EQ2の地震性すべり分布．

　GPS等による地表変位データからインバージョンによって地震時すべり分布や余効すべり分布を精度よく推定しようとする場合，地下の不均質性を考慮したグリーン関数すなわち震源断層上の単位ディスロケーションによる地表変位の計算値が必要である。精度のいいグリーン関数を，宮城県沖～北海道沖の広範囲のプレート境界面におけるディスロケーションに対して系統的に計算するために，東北日本のより詳細・大規模な3次元有限要素モデルの作成を進めた。
　2次元粘弾性不均質を考慮した地震サイクルシミュレーションプログラムを開発した（兵藤・陰山, 2008, Hyodo and Kageyama, 2008）．不均質場での地震発生サイクルシミュレーションの実現には1）断層近傍応力場を精度良く評価可能なこと，2）不均質弾性・粘弾性媒質の取り扱いが可能であることの2点を満足する計算手法が必要である．しかし境界積分方程式法（BIEM）・有限要素法（FEM）といった単一の計算手法には一長一短があり，この両立は困難である．このためBIEM，FEM両者の長所のみを抽出・カップルさせる手法を採用した．図4に示すような3つの媒質について断層上での応力変化を計算し，その重ね合わせ（a）‐（b）+（c）から断層応力を精度良く評価する． この手法による応力評価と，すべり速度・状態依存則摩擦則と組み合わせることにより不均質平面歪場での地震サイクルのシミュレーションプログラムを完成させた.

図4．BIEM,FEMの組み合わせによる応力評価法で使用する媒質モデル．（a）BIEMを用いて応力評価を行う半無限均質弾性媒質モデル．（b）FEMを用いて応力評価を行うaの離散化モデル．（c）FEMを用いて応力評価を行う不均質モデル．

　このモデルを用いて，粘弾性構造が低角逆断層での地震サイクルに及ぼす影響を評価した．厚さ80kmの弾性層とその下に広がる粘弾性層からなる不均質構造を想定し，その弾性層中に，すべり速度・状態依存摩擦則に従い，10cm/yrのプレート運動速度で駆動される20°傾斜のプレート境界断層を配置した．この断層が半無限均質弾性媒質中に存在するとした場合に164年間隔で巨大地震を繰り返すような摩擦パラメターの分布を与え、粘弾性層の粘性緩和時間（≡粘性率/剛性率）を3，10，30,∞年に変化させることにより生じる地震サイクルを調べた．レオロジーモデルに依らずプレート境界深部では定常的な非地震すべりが進行し，浅部領域ではほぼ同一間隔で巨大地震が繰り返す, というような摩擦パラメター分布を反映した類似の地震サイクルが発生した．両者を定量的に比較すると，粘弾性モデルでは，地震性すべりやサイスミックカップリング係数がやや小さくなるなることがわかった（図5）．この相違は，粘弾性モデル計算では，プレート境界深部でのベースローディング以外に，図6示すような地震サイクルに伴って発生する粘弾性層の流動による応力再分配がベースローディングへの摂動として働くことに起因すると考えられる．なお，図6の摂動成分は，図4の（c）‐（b）で評価した応力成分に対応している．粘弾性的性質がサイクルへ及ぼす影響は，断層の幾何学や粘性率に依存した摂動の大小によって変化するものの，傾斜20°の低角逆断層での粘性緩和時間30,10,3年のケースでは，粘性による摂動によって地震発生直後，急激な断層応力の回復が発生しており（図6（b）（c）（d）），それを反映して断層浅部では，地震間を通して，弾性モデルに比べて有意にすべり速度が速くなっている．つまり，粘弾性モデル中での断層は，固着が弱められた状態で次の地震を迎えることになり，これが地震性すべり・サイスミックカップリング係数が弾性モデルと比較して減じられる原因となる．このように，低角逆断層での地震サイクルに対しては，粘弾性によるローディングへの摂動が，地震サイクルに対し重大な影響を及ぼす可能性があり，より現実的なシミュレーションを行うためには本質的に無視できないことが分かった．

図5．弾性モデル・粘弾性モデル（粘性緩和時間3年）に対する（a）地震性すべりと（b）サイスミックカップリング係数の深さ分布．すべり、カップリングともに計算開始3サイクル目から15サイクル分を重ねてプロットしてある．なお，地震性すべりは1地震サイクル間に1cm/s以上のすべり速度ですべった距離の累積であり，サイスミックカップリング係数は，1地震サイクル間の地震性すべり量とトータルのすべり量との比として定義してある．

図6．地震発生直後を基準として，次の地震直前までの160年間の断層面上での粘弾性起源応力（ベースローディングへの摂動成分）の時空間変化．粘弾性層の緩和時間は，左から（a）∞年，（b）30年，（c）10年，（d）3年である．

（8）平成20年度の成果に関連の深いもので、平成20年度に公表された主な成果物（論文・報告書等）：

　兵藤守・陰山聡, 2008, 2D earthquake cycle simulation on the dipping fault with R.S. Friction in the visco‐elastic heterogeneous structure, 日本地球惑星科学連合2008年大会予稿集CD‐ROM.
　Hyodo, M. and A. Kageyama, 2008, Two‐dimensional quasi‐static earthquake cycle simulations under heterogeneous structures using a simplified‐cell model, Abstracts of The 7th General Assembly of Asian Seismological Commission.
　Kato, N., 2008, Numerical simulation of recurrence of asperity rupture in the Sanriku region, northeastern Japan, J. Geophys. Res., 113, B06302, doi:10.1029/2007JB005515.

（9）本課題の5ヵ年の成果の概要：

　三陸沖のプレート境界では，1968年十勝沖地震（M=8.2）の際に破壊された2つのアスペリティのうち1つだけが1994年三陸はるか沖地震（M=7.7）で破壊された．このような地震サイクルは2つのアスペリティの摩擦特性の違いにより説明可能である．実際，摩擦特性の不均一性を考慮したシミュレーションにより，1994年三陸はるか沖地震の余効すべりと最大余震（M=6.9）を含めて，三陸沖のプレート境界地震の繰り返しを説明するモデルを構築した．これにより，摩擦特性の大まかの分布について知見が得られた．速度・状態依存摩擦則と媒質の粘弾性をともに考慮したモデルを構築した．これにより，粘弾性による応力変化を考慮した地震サイクルモデルや，余効すべりと媒質の粘弾性変形をともに考慮した地殻変動のモデルに関する研究を進めることができるようになった．プレート境界型の巨大地震と内陸活断層との相互作用に関するシミュレーション研究は十分に行われなかった．

（10）実施機関の参加者氏名または部署等名：

　加藤尚之
　他機関との共同研究の有無：有
　名古屋大学　鷺谷威，　京都大学　平原和朗，宮崎真一　海洋研究開発機構　堀高峰，兵藤守，有吉慶介　東京学芸大学　里嘉千茂

（11）公開時にホームページに掲載する問い合わせ先：

　部署等名：地震予知研究推進センター
　電話：03‐5841‐5812
　e‐mail：nkato@eri.u‐tokyo.ac.jp
　URL：http://www.eri.u‐tokyo.ac.jp/index‐j.html