1．（3）「地震破壊過程と強震動」研究計画

　大地震の破壊過程を詳しく調べることによって、断層面上のアスペリティやその周辺の不均質な応力降下の分布が得られる。このような情報を蓄積することにより、大地震発生に先立って震源域における破壊開始点やアスペリティ周辺の応力及び強度に関する特徴を知ることができると期待される。また、アスペリティの分布やその活動の再来性の理解が進めば、単に地震規模の予測だけでなく、大地震時の強震動生成域の分布についても定量的評価が可能になる。そのためには、震源過程の複雑さとともに、波動伝播への地下構造の影響を評価することも重要である。
　このような観点から、平成16～20年度の5カ年の研究期間において、三次元地下構造の考慮や、近地強震記録、遠地実体波波形、GPS測地データを用いた同時逆解析などにより震源過程解析の高度化を一層進め、国内外の地震への適用を数多く行った。その結果得られるアスペリティの微細構造を微小地震分布や構造探査結果等と比較して、アスペリティの特性の解明を進めた。このアスペリティ分布とプレート境界や断層周辺の構造及び地震活動との関係を調べるとともに、震源域での地震波速度、重力、比抵抗、微小地震活動等の測定・観測及びデータ解析を実施した。こうしたアスペリティ研究や強震動予測の高度化のためには、高精度の地下構造モデルの構築や、強震観測の拡充・整備が欠かせず、これらの研究及びその成果に基づいた強震動予測とそのシミュレーションの実証的研究を行った。

ア．断層面上の不均質性

（解析手法やデータの高度化による詳細なアスペリティ分布の把握）
　三次元地下構造でのグリーン関数（地震波伝達関数）を用いた震源過程の解析手法を開発した。1995年（平成7年）兵庫県南部地震（M7.3）について手法の適用可能性を検証した後、2003年宮城県北部の地震（M6.4）の震源モデル推定に適用した。従来の一次元構造グリーン関数を用いた結果と比較してアスペリティの位置が北側のやや深部に再決定されるなどの結果を得た（東京大学地震研究所［課題番号：1407］）。また、同地震に対しては、観測点毎に最適化した一次元構造を利用するという簡便的解析手法も新たに開発して、震源解析に適用した。このほか、GPSの1秒間隔のデータから地殻変動を含む変位波形を取り出して、2003年十勝沖地震、2005年福岡県西方沖の地震の震源過程解析に適用した。強震波形と地殻変動データとの広帯域記録統合解析により、詳細な震源過程とアスペリティ位置の高分解能化が実現し、地震性滑りから余効滑りに至る震源過程の全体像が明確になった（東京大学地震研究所［課題番号：1407］）。

　2003年宮城県北部の地震、2004年新潟県中越地震 （Asano and Iwata, 2009）、2007年能登半島地震 （図25）（籾山・他, 2009、岩田・他, 2008）、2007年新潟県中越沖地震（Mori, 2008）、2008年岩手・宮城内陸地震（図26）（Suzuki et al., 2009）の震源解析を継続して進めたことにより、内陸地殻内地震の震源過程の理解と、強震動評価のための基礎的データを蓄積することができた。特に、2003年宮城県北部の地震では、余震分布が曲がった震源断層面を示唆していることから、三次元構造を導入するだけでなく、曲面上での断層滑りの定式化も併せて行なって、一次元グリーン関数・平面断層を用いた従来の逆解析に比べて前震・本震・最大余震の棲み分けが明確になったほか、地殻変動の解析結果との矛盾点も解消されるなど大きな進展があった（東京大学地震研究所［課題番号：1407］）。また、新潟県中越地震では本震とマグニチュード6以上の余震（4回）について、全て異なる断層面で破壊が起こったことが分かり、震源過程の面からもこの地震の震源断層系の複雑性が明らかになった（東京大学地震研究所［課題番号：1407］、京都大学防災研究所［課題番号：1806、1808］、防災科学技術研究所［課題番号：3005］）。2007年新潟県中越沖地震は、厚い堆積層を伴った複雑な地下構造の地域で発生したため、共役な断層面二面（南東傾斜面と北西傾斜面）のうちどちらが真の震源断層面かが議論となったが、観測点毎に最適な一次元速度構造を用いたグリーン関数の再計算や、経験的グリーン関数法に基づく広帯域地震動シミュレーション、海底地震観測データの解析結果などを参考にした余震分布の再検討により、同地震の主要な震源断層面は南東傾斜面であると結論づけることができた（東京大学地震研究所［課題番号：1407］）。
　また、日本国内だけでなく2004年インドネシア・スマトラ島沖大地震（M9.0）、2008年中国四川の地震（M7.9）等、世界中の地震を対象に、震源過程の準リアルタイム解析を継続的に行ってきた。

 （アスペリティの物性と実体解明）
　二重時間差（DD）トモグラフィ法により、2003年宮城県北部の地震、2000年鳥取県西部地震、1995年兵庫県南部地震、2001年芸予地震の震源断層及びアスペリティ周辺の地震波速度構造を詳細に求めた。その結果、それらの地震について、アスペリティの領域は断層面上の高速度域に対応する可能性が高いことが分かった（東京大学地震研究所［課題番号：1407］、東北大学理学研究科［課題番号：1204］）。2004年新潟県中越地震について同様の解析を行い、アスペリティの領域が断層面上の高速度域に対応する可能性が追認された（東北大学理学研究科［課題番号：1204］）。
　また、山崎断層付近における1976年6月から2004年7月までの地震活動について、連携震源決定（JHD）法による震源再決定を行った。この結果、安富断層の中央付近から土万断層の中央付近まで地震活動の低い領域があり、この低活動域では大きめの地震（M≧2）がほとんど発生しておらず、そのため地震の規模別頻度分布のb値の大きな領域を作り出していることが明らかになった。一つの可能性として、ここでは断層の固着が他より強く、次の大地震時に大きな滑りを生じる領域になることが考えられる（図27）（京都大学防災研究所［課題番号：1806］、澁谷・他, 2008）。
　2002年（平成14年）鳥取県東部の地震（M5.3）と2007年三重県中部の地震（M5.4）について波形相関解析をもとに前震の精密震源決定を行ない、前震はアスペリティの周縁部に発生している可能性を示した。このことは、前震と本震はともに断層面上の強度の小さい部分で発生し、破壊伝播がその後、強度のより大きなアスペリティ領域へ伝搬したという破壊伝播過程を示している（京都大学防災研究所［課題番号1806］）。このような断層面上の不均質性と破壊伝播の進行過程を詳しく調べるために、京都大学防災研究所の地殻活動総合観測線の上宝蔵柱、逢坂山に高精度記録収集システムと気圧・温度の高精度観測システムを導入し、ゆっくり滑りの同定の精度を格段に向上させた連続動観測を開始した（京都大学防災研究所［課題番号：1807］）。

（内陸地震のアスペリティと地殻構造・地震活動度の対応）
　二重時間差トモグラフィ法により、1995年兵庫県南部地震、1997年（平成9年）鹿児島県薩摩地方の地震（M6.6）、2000年鳥取県西部地震、2001年芸予地震、2003年宮城県北部の地震、2004年新潟県中越地震等の、近年発生した大地震の震源断層周辺の詳細な地震波速度構造が求められ、地震波や地殻変動解析による地震時滑り量分布との対比が行われた。その結果、これまで知られていた他の内陸地震やスラブ内の地震と同様に、地震滑り量の大きな領域は地震波速度の低速度域を避けて、比較的高速度な領域におよそ分布していることが分かった。一方、破壊開始点は低速度域内あるいはその境界におよそ位置していることが分かった（東北大学大学院理学研究科［課題番号：1204］）。このことは、詳細な速度構造調査により、アスペリティの位置を特定できる可能性を示唆している。
　断層面の不均質性を、反射法人工地震探査の手法を用いて検出する実験が、2003年宮城県北部の地震の震源域で試行された。予備的調査ではあるが、地殻深部の断層面と考えられる明瞭な反射波が検出されるなど、断層面上の不均質性の検出可能性が示されたことは大きい（産業技術研究所［課題番号：5005］大滝・他、2008）。
　国土地理院のGPS記録を使用して過去10年前後の新潟・神戸歪集中帯における歪速度の変化点の分布を調べた結果、近畿北部でせん断歪速度の変化が起きた地域が認められた。この地域の発震機構を考えると、この現象が近畿北部での地震活動の静穏化に対応することが判明した。同様の歪速度の変化が、新潟県中越地震の発生の2～4年前に新潟平野に現れていることが分かり、かつ震源域に向かって移動していたことも確認できた（京都大学防災研究所［課題番号：1807］）。

（プレート境界のアスペリティとその相互作用・破壊過程の多様性）
　2003年に発生した福島県沖の地震（M6.8）の滑り分布を、遠地地震波形逆解析により推定した。滑り域と海底地形の比較から、沈み込んだ海山がこの地震を起こしたアスペリティの原因であるという可能性が挙げられる。2008年1月11日に発生した岩手県釜石沖の地震（M4.7）の滑り分布を、近地広帯域地震波形逆解析により推定し、前回（2001年）・前々回（1995年）の釜石沖の地震の滑り域とほぼ重なることを確認した。このことから一連の釜石沖の繰り返し地震がほぼ同じアスペリティの繰り返し滑りであることが確認された。一方で高周波地震動解析からは、滑り分布にわずかな相違が存在することが示された。このように、アスペリティの破壊は詳しく見ると必ずしも毎回同じではなく、大地震の破壊過程の予測には、個々のアスペリティの滑り履歴の詳細な検討が課題となる（東北大学［課題番号：1204］、米原・他，2008、島村・他，2008）。
　2005年宮城県沖の地震（M7.2）と1978年（昭和53年）宮城県沖地震（M7.4）について、地震波逆解析と余震分布から求めた滑り分布を比較した。2005年の地震で破壊したアスペリティが、1978年の地震で破壊したアスペリティの一部に対応することを明らかにした。また、宮城県沖で1930年代に連続して発生した三つのマグニチュード7クラスの地震は、地震毎に異なるアスペリティが個別に破壊したのに対して、1978年の地震ではこれら三つの地震の全アスペリティを含む領域が破壊していたことが、余震分布等の調査から明らかになった（東北大学大学院理学研究科［課題番号：1204］）。断層面上に複数のアスペリティが隣接する場合には、アスペリティの破壊様式が毎回同一とはならず多様性を有することが明らかになった。

（準リアルタイム震源過程解析への展望）
　KiK‐net（防災科学技術研究所の基盤強震観測網）強震観測のリアルタイムデータ伝送化に伴い、データ取得までの時間が大幅に短縮された。今後は、大地震発生直後の震源逆解析の準リアルタイム処理とともに、強震動の面的分布との対応付けや、救援や復旧などの災害対応のための基礎データの提供がリアルタイムで可能になると期待される（防災科学技術研究所［課題番号：3005、3006］）。また、リアルタイム強震観測データを用いた緊急地震速報の高度化のために、即時震源決定に用いられている「着未着法」に対して、複数の地震が同時発生した場合でも対処できるよう改良が図られたほか、地震動とノイズを正しく識別するための信号処理手順の改良が進められた（防災科学技術研究所［課題番号：3006］）。

（強震観測データベースの構築と一般公開）
　伊豆・駿河湾および足柄平野に展開された強震観測ネットワークを継続運用し、主として関東周辺で発生した中小地震の強震動データを記録した。長期の欠測なく強震動データを得たことにより、K‐NET（防災科学技術研究所の強震観測網）やKiK‐net強震観測網データとあわせて、2004年紀伊半島南東沖の地震（M7.1）や2004年新潟県中越地震、2007年能登半島地震、および2007年新潟県中越沖地震等における、関東平野での長周期地震動の伝播特性に関する詳しい理解が進んだ。これらの定常観測点および臨時観測で取得された、1990年以降の強震波形データを、2008年に開発した「強震データ公開システム」により広く一般に公開した（東京大学地震研究所［課題番号1408］）。

イ．強震動シミュレーション・強震動予測

（長周期地震動のシミュレーション）
　2004年新潟県中越地震、及び2007年新潟県中越沖地震による関東平野の長周期地震動を、強震観測データ解析と、強震動シミュレーションの比較から詳しく調査した。首都圏・甲信越地方の地下構造モデルを用いたシミュレーションを実施し、都心部、及び関東平野での長周期地震動の再現を確認した。これは、震源の位置と規模を特定すれば、平野で強く生成される長周期地震動の発生予測が可能であることを保証する。また、2007年能登半島地震では、表面波が糸魚川‐静岡構造線を通過することで減衰し、都心部での長周期地震動の振幅が比較的小さくなったことが分かった（東京大学地震研究所［課題番号：1408］）。
　南海トラフ地震による長周期地震動の生成を理解する上で、2004年紀伊半島南東沖の地震の地震動が全国で記録された影響は大きい。たとえば、この地震により生まれた長周期地震動をシミュレーションすることで、南海トラフに厚く堆積する海洋堆積物（付加体）の影響により、大阪盆地や濃尾平野で長周期地震動の継続時間が延びる効果が明らかになり、観測データとシミュレーション結果の比較検証により、陸域～海域の地下構造モデルの物性値の修正が進んだ（京都大学防災研究所［課題番号：1808］、東京大学地震研究所［課題番号：1408］、Furumura et al., 2008）。こうして高度化が進められた地下構造モデルを用いて、1944年東南海地震の長周期地震動シミュレーションが行われ、当時の煤書き記録の復元により求められた、関東平野（東京、千葉、横浜地点）の強震記録との比較から、東南海地震における関東平野周辺での長周期地震動の理解が大きく進んだ。こうして、将来の東南海地震における関西圏の広帯域地震動や、南海地震における大阪平野等の長周期地震動の予測が行われ、建築・土木工学における耐震工学研究との連携により、構造物への影響に関する研究が加速した（京都大学防災研究所［課題番号1808］、Iwaki and Iwata, 2008）。

（地震動予測地図等の作成に向けた地下構造モデルの高度化）
　全国を対象とした強震動評価のために、地質情報を主に作成された深部地盤構造を初期モデルとして、シミュレーションと、K‐NETとKiK‐netで得られた強震記録との比較検証により、強震動評価に必要な深部地盤モデルの物性値モデルへと変換する手順が一般化した。近い将来に発生が懸念される主要な海溝型地震として、宮城県沖地震、想定東海地震、東南海地震、南海地震が優先的に選ばれ、これらの長周期地震動の予測地図の作成に必要となる、中部・関東・近畿地域・南東北の地下構造モデルの構築が進められた（図28）（東京大学地震研究所［課題番号1407］、Koketsu et al., 2009、纐纈・他, 2009）。
　大阪平野では、浅層ボーリングデータに基づいて表層地盤構造（沖積層から洪積層上部）モデルの作成が行われ、大阪湾断層、上町断層系、六甲・淡路断層系や、海溝型地震の想定地震シナリオについて、強震動シミュレーションと地震動予測地図がまとめられた（産業技術総合研究所［課題番号：5006］、Sekiguchi et al., 2008）。さらに、震源断層を特定した地震動予測地図を、山崎断層帯の地震、高山・大原断層帯の地震、中央構造線断層帯（金剛山東縁‐和泉山脈南縁）の地震、日向灘の地震に対して作成した。これらの最新の研究成果は地震調査委員会の全国地震動予測地図作成に用いられ、強震動予測手法の高度化および地震動予測のばらつき評価に関する検討を通して、確率論的地震動予測地図の作成手法の改良に貢献した。強震動評価の結果を、インターネット等を通じて広く一般に発信することを目的に、地震ハザードステーション「新型J‐SHIS」を開発した（防災科学技術研究所［課題番号3006］）。

（短波長不均質構造の理解と広帯域強震動シミュレーション）
　深発地震に見られる震度分布の異常（異常震域）と、大加速度の成因となる周期1秒以下の短周期地震動の伝播を、K‐NET、KiK‐net強震観測網のデータ解析から詳しく評価した。異常震域の成因を、これまで考えられてきた低減衰・高速度プレートモデル（宇津モデル）に加えて、プレート内の横長の散乱体（不均質性）の中を短周期地震動が広角多重散乱を起こして遠地まで導かれる「散乱トラップ」の新しいモデルにより説明することに成功した（東京大学地震研究所［課題番号：1408］）。地殻・マントルの短波長不均質構造の分布を詳しく調べるために、2000年鳥取県西部地震の余震記録を用いて、S波の見かけ放射パターンの周波数・距離変化特性を調査し、短波長不均質構造を持つモデルを用いた地震波伝播シミュレーションとの比較から物性の揺らぎの分布を調べた。こうして、従来の長周期地震動のシミュレーションモデルを、周期1秒以下の短周期地震動にまで拡張することができ、長周期～短周期地震動の広帯域シミュレーションに向けて前進した（東京大学地震研究所［課題番号1408］、Takemura et al., 2009）。

（地震‐津波連成シミュレーションの開発）
　海溝型の大地震に伴う津波の発生予測と、検潮記録等を併用した震源逆解析の統合解析を目指して、地震と津波を連成して同時に計算できる「地震‐津波連成シミュレーションコード」を新たに開発した。まず、三次元不均質場での地震波伝播と地殻変動を地震動シミュレーションにより行った。計算から求められた海底面の上昇と沈降の時空間変化を入力として、津波が伝播する過程を三次元ナビエ・ストークス式の計算により評価した。これにより、これまでの線形長波長近似の津波シミュレーションに比べ精度が向上した。本シミュレーションモデルを用いて、2004年紀伊半島南東沖の地震、2006年千島列島の地震（M7.9）等による強震動と津波の同時シミュレーションを行ない、海溝型の大地震による強震動と大津波の発生過程を検証した。特に2004年紀伊半島南東沖の地震では、海洋研究開発機構により室戸沖に設置されている海底ケーブル津波計で記録した津波に見られる分散波形に着目し、地震波の解析からはこれまで判断が難しかった断層面の走行が北西―南東方向であることを明らかにした。今後近地地震波形と津波波形の統合処理による海溝型地震の震源モデル推定と、強震動・津波予測の高度化が進むことが期待される（図29）（東京大学地震研究所［課題番号1408］、Saito and Furumura, 2009）。

（強震動予測シミュレーションコードの高度化）
　近年の高速計算機を用いた、大規模な強震動シミュレーションの実用化を目指し、世界最高速レベルにある地球シミュレータやT2Kオープンスパコン（東京大学）などの並列計算機に適した、強震動シミュレーションコードの開発を進めた。三次元不均質場での地震波伝播を記述する三次元運動方程式の差分法計算の並列化性能を99.995%以上に高め、最大10,000個以上のCPUを用いた超並列計算の実現に成功した。これにより、地球シミュレータを用いて数十億格子モデルでの三次元地震波・津波計算が可能となり、さらに2012年に完成予定の世界最速の次世代スパコンを用いてこれより650倍以上の大規模シミュレーションの実現の目処が得られた（東京大学地震研究所［課題番号1408］、古村, 2008）。

課題と展望

　「地震破壊過程と強震動」研究計画の第一の目標は、地震の破壊過程を詳しく調べることであった。この目標のため、地震波伝達関数の精度を高める様々な手法（現実的な三次元構造の導入、構造モデルの逆解析、経験的グリーン関数など）を開発し、最近の地震（2007年能登半島地震、2007年新潟県中越沖地震、2008年岩手・宮城内陸地震など）に数多く適用して、アスペリティの詳細分布を得た。この分布を、二重時間差トモグラフィ法等で得られる高精度の地震波速度構造などと比較した結果、地震波の高速度領域がアスペリティに対応する可能性が見いだされた。このことは、アスペリティの位置の予測という面での長期的な地震予知や強震動予測を実現する可能性を意味している。
　このほか、強震動予測の面では特に、長周期地震動の予測に必要な各地の堆積平野の地下構造モデルが各種の物理探査データを駆使して構築されつつあり、2003年十勝沖地震や2004年紀伊半島南東沖の地震、2004年新潟県中越地震、そして2007年新潟県中越沖地震などの近年の地震のK‐NET、KiK‐net等の強震観測記録をもとに、不均質地下構造における波動伝播と長周期地震動の生成・伝播過程の理解が進み、またコンピュータシミュレーション結果との比較からシミュレーションモデルの検証と高度化が進むなど、観測とシミュレーションによる実証的な研究が行われた。異常震域の生成や、大加速度を作り出す周期1秒以下の短周期地震動の伝播を支配する、短波長不均質構造の分布特性が、高密度地震観測データの解析と波動伝播シミュレーションから明らかになり、地球シミュレータや、次世代スパコン等の高速計算機の性能向上も相まって、短周期地震動から長周期地震動を含めた広帯域の地震動予測が可能になってきた。シミュレーションと観測、そして地震波解析は表裏一体の関係にあり、これらの協調研究を今後も進展させなければならない。

参考文献

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　纐纈一起・三宅弘恵・引間和人・木村武志・古村孝志・藤原広行・橋本徹夫・石井透・吾妻瞬一・室谷智子・早川崇・渡辺基史・鈴木晴彦, 「長周期地震動予測地図」2009年版 ‐想定東海地震・東南海地震・宮城県沖地震‐, 2009年地球惑星科学連合大会, 2009
　籾山将・引間和人・纐纈一起, 観測点ごとの地下構造を考慮した2007年能登半島地震の震源過程解析, 2009年地球惑星科学連合大会, 2009.
　Mori, J., Determination of Dip Direction for the 2007 Niigata‐ken Chuetsu‐Oki Earthquake from Relocation of Aftershocks Using Arrival Times Determined by Cross‐Correlation, Earth Planets Space, 60, 1117‐1120, 2008.
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　Saito, T. and T. Furumura, Three dimensional simulations of tsunami generation and propagation: application to intraplate events, J. Geophys. Res., 114, B02307, doi:10.1029/2007JB005523, 2009.
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　澁谷拓郎・中尾節郎・西村和浩・Mori James・加納靖之，山崎断層周辺の地震活動 " 30 年間のデータのまとめ "，日本地球惑星科学連合2008年大会，S143‐P010，2008.
　島村浩平・岡田知己・内田直希・松澤暢・河野俊夫・長谷川昭，2008 年1 月11 日に釜石沖で発生した地震と過去の釜石沖の繰り返し地震の破壊域の比較，日本地球惑星科学連合2008年大会講演予稿集，S142‐P005, 2008．
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　米原みずき・岡田知己・八木勇治・対馬弘晃・日野亮太・海野徳仁・ 長谷川昭，2003 年福島県沖に発生した地震（M6.8）の地震時すべり分布‐ 海山・アスペリティ仮説の検討，日本地球惑星科学連合2008年大会講演予稿集，T229‐P001, 2008.

図25：2007年能登半島地震のいろいろな震源逆解析の結果。左上：改良前の速度構造モデルを用いた単独逆解析の結果（滑り分布）。右上：改良後の速度構造モデルを用いた単独逆解析の結果。下：改良後の速度構造モデルを用いた同時逆解析の結果（東京大学地震研究所［課題番号：1407、籾山・他, 2009）。

図26：2008年岩手宮城内陸地震の滑り分布地表投影。○は余震、□は地表変位が報告されている地点。▲は強震観測点（京都大学防災研究所［課題番号：1806、1808］、Suzuki et al., 2009）。

図27：山崎断層付近の地震活動分布（1976～2004年）の平面図及び断面図（上）と山崎断層付近のb値の分布（下）。b値の大きい場所は赤で示してある。また、代表的な三つの場所についてマグニチュードによる累積頻度分布を示した（京都大学防災研究所［課題番号：1806］、澁谷・他、2008）。

図28：想定東海地震・東南海地震に対する中部・関東・近畿地域の一次地下構造モデル。地震基盤（S波速度3.2 km/s）の上面の深さ分布が示されている（東京大学地震研究所［課題番号1407］、纐纈・他, 2009）。

図29：2004年紀伊半島南東沖の地震による津波発生伝播シミュレーション。地震発生から30分後の津波伝播。（a） 三次元ナビエ‐ストークス式による計算、（b） 線形長波方程式による計算。（c） 室戸沖における津波波形の比較（グレーは観測波形、赤はナビエ‐ストークス式、黒は線形長波方程式による計算結果）（東京大学地震研究所［課題番号:1408］）。