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

平成20年度年次報告

課題番号：1502

（1）実施機関名：

　東京大学大学院理学系研究科

（2）研究課題名：

　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

（3）最も関連の深い建議の項目：

　2．（1）ア．日本列島域

（4）その他関連する建議の項目：

　2．（1）イ．特定の地域
　2．（1）ウ．予測シミュレーションモデルの高度化

（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：

　本研究課題の最終目標は、複雑なテクトニック環境の下にある日本列島域を一つのシステムとしてモデル化し、プレート運動に起因する準静的な応力の蓄積から破壊核の形成を経て動的破壊伝播に至る大地震の発生過程を、膨大な地殻活動データと高度なモデル計算を併合した大規模シミュレーションにより定量的に予測することである。この目標を達成するために、平成16年度からの5ヶ年で以下のことを実施する。先ず初年度は、複数の要素モデルで構成される地殻活動シミュレーションモデルのプロトタイプを「地球シミュレータ」上に完成させる。平成17年度には、地殻変動や地震活動データのインバージョン解析により、プレート境界面の摩擦特性を定める。平成18年度及び19年度には、過去の大地震の活動履歴が再現できるようにシミュレーションモデルを規定するパラメターの調整を行い、平成20年度には広域GPS観測網や地震観測網からのリアルタイムデータを取り込んだ大地震発生の予測シミュレーションを行う。また、計画後期の平成19年度以降には、プレート内の大規模な活断層を地殻活動予測シミュレーションモデルに組み込み、内陸活断層地震の発生サイクルのシミュレーションも試みる。

（6）平成20年度実施計画の概要：

　平成19年度に引き続き、数値シミュレーションと地震・地殻変動観測の融合に向けた研究を推進する。具体的には、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  すべり状態を明らかにすする。また、GPSデータから地殻内の3次元歪み速度場を弾性歪みと非弾性歪み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、CAMPスタンダードモデル（日本列島域の3次元プレート境界形状モデル）を基盤として、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。

（7）平成20年度成果の概要：

　プレート間地震の発生は、プレートの相対運動によって駆動される応力蓄積 "解放過程として理解される。地震間の応力蓄積は震源域のすべり遅れの増大に起因するので、プレート境界面のすべり遅れ分布をモニターすることは、プレート間地震の発生予測を行う上で重要である。こうした考えの下に、前年度開発した測地データの逆解析手法（Matsu’ura et al., GJI, 2007）を北海道 "東北地域のGPS速度データ（1996‐2000）に適用し、北米ｰ太平洋プレート境界のすべり遅れ速度分布を推定した（Hashimoto et al., Nature Geoscience, 2009）。この解析では、プレート内の非弾性変形が引き起こすブロック回転の影響を除去するために隣接観測点間の距離変化レートを、また、ブロックの傾動の影響を除去するために隣接観測点間の比高変化レートをデータとして用いた（図1左）。GPSデータの解析結果から、深さ10‐40 kmに5つの顕著なすべり遅れ領域が存在していることがわかる（図1右）。これらのすべり遅れ領域は、過去100年間に発生したマグニチュード7.5以上のプレート間地震の震源域とほぼ完全に一致する。

図1：GPS速度データの逆解析で求めた北米 "太平洋プレート境界面上のすべり遅れ速度分布（Hashimoto et al., Nature Geoscience, 2009）。左）GPS速度データ（1996‐2000）。挿入図はドローネ三角形分割による最適三角網。右）すべり遅れ速度分布。コンター間隔は3cm/yr。緑の楕円は、過去百年間（1901 "2000）にプレート境界で発生したマグニチュード7.5以上の地震の津波波源域を表す。

　また、前年度開発したCMTデータの逆解析手法（Terakawa ＆ Matsu’ura, GJI, 2008）を防災科学技術研究所のF‐netの15,000の地震データに適用して日本列島域の広域3次元地殻応力パターンを推定した（寺川・松浦、地震、2009）。この結果は、4つのプレートが相互作用する複雑な日本列島域のテクトニクスを調和的に説明する。地殻応力の時空間変動をモニターするには、地殻の力学的特性を知る必要がある。そこで、GPSデータから地殻内の3次元歪み速度場を弾性歪みと非弾性歪み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た（野田・松浦、 地球惑星科学連合大会、2008）。これらのインバージョン解析手法を応力蓄積シミュレーションモデル（Hashimoto ＆ Matsu’ura, PAGEOPH, 2006）と合体させることにより、大地震の発生予測に向けた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が構築される。

（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）：

[1] Terakawa, T. and M. Matsu’ura, CMT data inversion using a Bayesian information criterion to estimate seismogenic stress fields, Geophys. J. Int., 172, 674‐685, 2008.

[2] Hashimoto, C. and M. Matsu’ura, 3‐D simulation of steady plate subduction with tectonic erosion: Current crustal uplift and free‐air gravity anomaly, Pure Appl. Geophys., 165, 567‐583, 2008.

[3] Hahima, A., Y. Fukahata, and M. Matsu’ura, 3‐D simulation of tectonic evolution of the Mariana arc‐back‐arc system with a coupled model of plate subduction and back‐arc spreading, Tectonophysics, 458, 127‐136, 2008.

[4] Hashima, A., Y. Takada, Y. Fukahata, and M. Matsu’ura, General expressions for internal deformation due to a moment tensor in an elastic/viscoelastic multilayered half‐space, Geophys. J. Int., 175, 992‐1012, 2008.

[5] Matsu’ura, M., C. Hashimoto, A. Noda, T. Terakawa, K. Nakajima, E. Fukuyama, T. Sagiya, and T. Sato, Development of a predictive simulation system for crustal activities in and around Japan    V, Annual Report of the Earth Simulator Center, April 2007‐March 2008, 91‐95, 2008.

[6] Hashimoto, C., A. Noda, T. Sagiya, and M. Matsu’ura, Interplate seismogenic zones along the Kuril‐Japan trench inferred from GPS data inversion, Nature Geoscience, doi:10.1038/ngeo421, 2009.

[7] 寺川寿子・松浦充宏，地震学における応力インバージョンの新展開，地震，2009 （in press）.

[8] Fukuyama, E., R. Ando, C. Hashimoto, S. Aoi, and M. Matsu’ura, A physics‐based simulation of the 2003 Tokachi‐oki, Japan, earthquake toward strong ground motion predictions, Bull. seism. Soc. Am., 2008 （submitted）.

[9] Terakawa, T. and M. Matsu’ura, Strength of the San Andreas Fault inferred from tectonic loading simulation and CMT data inversion, Geophys. J. Int., 2008 （submitted）.

（9）本課題の5ヵ年の成果の概要：

1）準静的応力蓄積モデルと動的地震破壊伝播モデルをシステム結合することにより、地殻マントルの弾性 "粘弾性構造、プレート境界の3次元形状、断層構成則の環境依存性等を考慮した、日本列島域の地殻活動シミュレーションモデルのプロトタイプを完成させた（Matsu’ura, Computing in Science ＆ Engineering, 2005）。この地殻活動シミュレーションモデルを用いて、1968年の十勝沖地震の震源域における大地震の発生予測シミュレーションを試み、トリガーされた動的破壊が加速されるか否かは震源域の応力蓄積状態に依ることを明らかにした（Matsu’ura et al., Annual Report of ESC, 2007）。また、2003年十勝沖地震を例に、プレート境界での準静的応力蓄積  動的破壊伝播  地震波動伝播の連成シミュレーションに成功し、現実的なプレート境界面形状、摩擦特性、地殻構造等が与えられれば、プレート境界地震による地震動の理論的予測が可能であることを示した（Fukuyama, et al., BSSA, 2008）。

2）準静的応力蓄積モデルに部分衝突の考えを導入して内陸活断層地震の原因となる地殻内応力蓄積シミュレーションを行い、東北日本弧の東西圧縮応力場は太平洋プレートの収束運動の9割がプレート境界でのすべり運動で、1割が地殻内変形で解消される （衝突率10％） とすれば合理的に説明できることを示した（Hashimoto ＆ Matsu’ura, PAGEOPH, 2006）。

3）直接的及び間接的先験情報を併用したベイズモデルに基づく新しいインバージョン公式を導出し、新しい測地データ逆解析手法を開発した（Matsu’ura et al., GJI, 2007）。この逆解析手法を国土地理院のGEONETOのデータに適用して北海道 "東北地域のプレート境界のすべり遅れ速度分布を推定し、5つの顕著なすべり遅れ領域が過去100年間に発生したマグニチュード7.5以上のプレート間地震の震源域とほぼ完全に一致することを明らかにした（Hashimoto et al., Nature Geoscience, 2009）。

4）地震のCMT （Centroid Moment Tensor） 解をデータとして地殻内応力状態を推定する逆解析手法を開発した（Terakawa ＆ Matsu’ura, GJI, 2008）。この逆解析手法を防災科学技術研究所のF‐netのデータに適用し、日本列島域の広域3次元地殻応力パターンを推定した（寺川・松浦、地震、2009）。

（10）実施機関の参加者氏名または部署等名：

　松浦充宏、井出哲、橋本千尋、鹿倉洋介
　他機関との共同研究の有無：
　名古屋大学（鷺谷威）、千葉大学（佐藤利典、橋閒昭徳）、防災科学技術研究所（福山英一）

（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：東京大学大学院理学系研究科（地球惑星科学専攻）
　電話：03‐5841‐4318
　e‐mail：matsuura@eps.s.u‐tokyo.ac.jp