2（3）（3‐2）地震破壊過程と強震動

「地震破壊過程と強震動」計画推進部会長　古村孝志
（東京大学地震研究所）

　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、地震発生場の理解と強震動予測の高度化が大きく進むことが期待される。こうして、アスペリティの分布やその破壊の繰り返し及び地震の連動発生条件の理解が進めば、単に地震規模の予測だけでなく、強震動のレベルとそのバラツキの定量的評価が可能になる。このような強震動生成原因に関する知見は、大地震発生による強震動と津波を高精度に予測・評価し、災害軽減に資するための基礎データとなる。これらの知見を実用的な災害情報に昇華させるためには、大地震発生後速やかに震源域の広がりを把握し、そして刻々と得られる観測データを取り込んで津波予測をリアルタイムで進める手法開発も求められる。
　複雑な震源過程により生まれる強震動と津波の予測、そして観測データの逆解析に基づく震源破壊過程の詳細かつ迅速な推定には、地震波伝播や津波発生伝播に強く影響を与える地盤・地殻・マントル構造と海底地形モデルの整備や、強震動、津波観測点の拡充と観測継続など地道な努力が欠かせない。そして観測データ解析とシミュレーションの協調により両者の高度化を進めていかなければならない。
　このような観点から、「地震破壊過程と強震動」部会では、三次元地下構造の考慮や、近地強震記録、遠地実体波波形記録、GPS測地データ、津波波形記録など、複数の地球観測データを用いた逆解析に基づいた震源過程解析の高度化手法を開発し、国内外の地震への適用を進めて有効性の検証を行った。こうして得られたアスペリティの微細構造や、地震のスケール依存性は、断層面の強度や摩擦特性を知るための重大な手がかりとなる。また、微小地震分布やトモグラフィ、反射法構造探査結果等の測定・観測データとの比較によりアスペリティの実体解明と事前推定の可能性が明らかになることも期待される。研究の進捗とともにアスペリティ破壊の規則性のいっぽうで階層構造や複合破壊とその多様性など、従来のアスペリティ仮説の次の段階の課題も見えてきた。こうした仮説の実証のために、高精度の観測データ解析に基づく事例解析が着実に増えてきている。

（2009年駿河湾の地震の震源破壊過程と津波）

　2009年8月11日に発生した駿河湾の地震（M6.5）により、高速道路の法面崩壊や台地での土砂崩れや屋根瓦の被害がなど、短周期強震動に起因すると考えられる被害が目立った。このような強震被害とスラブ内地震による短周期地震動の放射との関連を明らかにする目的で詳細な震源過程解析が進められた。
　防災科学技術研究所及び東京大学地震研究所では、K‐NET、KiK‐net、近地強震観測波形データを用いた逆解析から、この地震の南東傾斜と北東傾斜の二枚の断層面とその上の二つのアスペリティが検出された。また、GEONETの1HzサンプリングGPSデータを用いた解析により、静的な断層滑りのみならず動的な破壊進展の解析にも高サンプリングGPSデータが有効に活用できることが示された（東京大学地震研究所［課題番号：1422］、横田・他，2009）。
　また、P波波形を用いて断層面の地震波の放射強度分布をマッピングする「ソースイメージング法」の開発と高度化を行って、駿河湾の地震の破壊初期過程の詳しい調査が行われた。その結果、まず南東傾斜の断層面から破壊が開始し、次に北東傾斜の断層面上が破壊を起こして強い強震動が放射されるという一連の地震破壊過程が示された（九州大学［課題番号：2204］）。
　経験的グリーン関数法を用いた震源解析からは、断層面上の強震動生成域（アスペリティ）のサイズと応力降下量が詳しく求められ、南東傾斜断層面ではそれぞれ13km²と 35.7MPa、また北東傾斜の断層面ではそれぞれ23km²と 27.5MPaという値が求められた。この応力降下量は、内陸地殻内地震のものよりはやや大きく、震源が深い一般的なスラブ内地震のものよりは小さかったことが確認された（京都大学防災研究所［課題番号：1812］）。
　本地震は、深さ20kmで発生した逆断層型の地震であり、これによる地殻変動により駿河湾の海面が全体的に数センチメートル程度上昇すると考えられた。ところが実際には焼津や御前崎観測点では、20～40cmを超える引き波が初動として観測された。このことを説明するために、津波波形記録を用いた震源および津波波源の逆解析が行われ、引き波の原因として検潮所のある陸上で地面の隆起が起きたために、津波の初動が引き波として記録されたという一つの可能性が示された（図1）（北海道大学［課題番号：1006］）。しかしながら、この地殻変動モデルと地震波形解析から求められた震源モデルとの対応や、強震動による海底地滑りなど二次的要因により津波が発生した可能性など、津波の発生原因についての継続検討が必要である。

ア．断層面の不均質性と動的破壊特性

（震源の繰り返し破壊とその多様性に関する研究）

　プレート境界地震の繰り返し発生メカニズムの理解を探るために高精度震源決定法や地震波形インバージョンなどの最新の震源解析手法を用いてアスペリティ領域の高精度マッピングの研究が多数行われた。
　まず、岩手県種市沖で発見された二つのM6クラスの繰り返し地震クラスターを対象に繰り返しの規則性と周囲の大地震との相互作用・連動発生の条件について検討が行われた。この地震クラスターの南西側で1944年三陸はるか沖地震（M7.6）の最大余震（M7.2）が発生したが、二つの地震クラスターは影響を受けることなく発生の規則性が崩されることはなかった。その原因が最大余震の破壊進行方向が地震クラスターの逆方向に向かったためである可能性が示された。これより、アスペリティの複合破壊や大地震の連動発生には、震源・アスペリティ間の距離に加えて、破壊伝播方向が重要な鍵を握っておいる可能性が示された（東北大学［課題番号：1211］）。
　いっぽう、茨城県沖では20年に一度の割合でM7クラスの地震が規則的に発生しており、2008年と1982年の発生した二つのM7.0の地震に対して、近地強震波形を用いた経験的グリーン関数法による詳細な震源破壊解析が行なわれた。その結果、二つの地震の強震動生成域は10km程度以内の精度で重なり、そのサイズやライズタイムそして破壊伝播速度といった震源破壊様式が良く一致し、プレート境界地震の再現性が確認された。一方、応力降下量は1982年の地震は2008年の地震より1.5倍大きいこともわかった（京都大学防災研究所［課題番号：1812］）。応力降下量は、短周期地震動と加速度レベルに大きく影響するため、強震動予測の不確定性（バラツキ）を考える上で重要であり、他の地震や地域を含めて解析事例を増やすことが重要である。

（断層面の不均質性と動的破壊特性に関する研究）

　地震断層破壊の不均質性とそのスケール依存性の確認は、中小地震の知見に基づいて大地震の破壊過程の予測の可能性を探るための重要課題である。そして、スケール依存性は、断層の摩擦や強度、破壊の素過程を理解するための重要な基礎的資料となる。
　本年度は、これまで行った日本および世界の震源解析結果に対してパークフィールド地域の地震解析例を増やすことによりM2～M6地震の地震破壊過程のスケーリングの再評価を行った。その結果、地震破壊過程は自己相似的な破壊成長モデルで説明できること、そして断層の動的破壊の特性は地震の規模によらないことなど、これまでの地震のスケーリング則の仮説を強化することができた（東京大学理学部[課題番号：1503]、井出, 2009））。
　また、震源至近距離の強震観測から震源破壊過程を詳細に捉え、震源破壊の理論と地震波形解析、そして室内実験により得られた仮説を検証する目的で、南アフリカ大深度金鉱山に新たな観測網の整備が行われた。今年度は、地下トンネルでの断層露頭・試掘調査によって大規模な地質断層の位置を把握し、ボアホール式動的応力・変位センサーを断層の主すべり面ごく近傍に配置できるサイトを確認した。（東京大学地震研究所［課題番号：1423］、小笠原・他, 2009））。

（リアルタイム震源過程解析）

　強震観測データがリアルタイム配信されるようになったことから、大地震の発生直後に震源解析を進めることが可能になった。大地震発生後、速やかに強震波形データを取得し、解析から作図まで一括して実行するツールが整備され、2009年駿河湾の地震の震源過程解析において効果を発揮した。また、断層面の広がりを拘束するために、Hi‐netによる震源情報を自動的に取得し、余震分布図を取り込んで自動的に作成・更新する機能もシステムに追加され、震源過程の自動逆解析を進める上で有益な工夫が検討された（防災科学技術研究所［課題番号：3013］、鈴木・青井，2010））。

（震源過程解析の高度化のための地下構造モデルの高度化）

　大地震は不均質性の強い地下構造のもとで発生するため、震源過程解析の高度化には、水平不均質構造を考慮したグリーン関数を用いた震源逆解析が不可欠である。
　今年度は、2004年新潟県中越地震を例に、周期数秒以下の短周期地震波形モデリングを目指して、全国の地下構造モデルと震源近傍のローカルトモグラフィ解析を結合した統合地下構造モデルを構築し、これを用いて3次元差分法によりグリーン関数を評価して観測波形と比較を行ない、不均質地下構造モデルの検証と改良に向けた数値実験が進められた（図2）（東京大学地震研究所［課題番号：1422］、Tajima et al., 2009]）。また、地下構造と断層面の不均質特性をモデリングすることを目的として、反射法地震探査のデータに地震波干渉法を新たに適用して地下構造探査の分解能を高めるための基礎研究が進められた。今年度は、2003年宮城県北部地震の震源域周辺の探査データに対して地震波干渉法を適用し、従来の反射法データ処理により得られた反射断面と比較して手法の確からしさを確認する予備的踏査が行われた（産業総合技術研究所［課題番号：5008］、伊藤・他, 2009））。

イ．強震動・津波の生成過程

（津波予測の高度化・リアルタイム化に向けた研究）

　津波の即時予測の高度化に向けて、沖合津波計による津波波源解析の高度化と津波予測手法の各種検討が進められた。時間経過とともに刻々と得られる津波波形を取り込んで、逐次的に波源推定の精度を改善していく新しい津波予測手法の開発が行なわれ、2007年スマトラ巨大地震（Vengkulu地震；Mw8.5）を対象に有効性の検証が行われた（北海道大学［課題番号：1006］）。
　津波警報のリアルタイム性の向上を目指し、早期に取得可能な陸上のGPS観測データと海底津波計データを統合的に用いて逆解析を繰り返し進める津波波源の統合解析のアルゴリズム開発が進められ、2003年十勝沖地震の観測データを用いた検証が行われた（図3）（東北大学［課題番号：1212］、Tsushima et al., 2009）。
　また、近地巨大地震による大津波発生と津波予測の高度化に向けて、2009年9月29日に発生したサモア沖巨大地震（M8.1）の津波調査を米領サモアTutuila島の50地点で実施し、Niuatoputapu島での16.9mの津波遡上高など、巨大津波の全貌を明らかにするための基礎資料を収集した（北海道大学［課題番号：1006］）。
　更に、海岸の潮位観測施設と全国港湾海洋波浪観測網（NOWPHAS） の沖合波浪観測施設との両方で津波の記録が得られた観測例を収集し、沖合で観測された津波第一波振幅と最大振幅から海岸のそれぞれの振幅を予測する関係式を導いた（気象庁［課題番号：7021］、Hayashi, Y., 2010）。

（沖合津波計記録に基づく震源過程の理解）

　沖合に設置された津波計の記録は検潮所記録のように湾や海岸線の地形の影響を受けないため、震源解析を行う目的に適している。そこで、室戸沖に設置された海底ケーブル津波計記録を用いて2004年紀伊半島南東沖の地震の震源過程解析が行われた。この記録を特徴付ける津波の分散波形に着目し、津波の線形分散波モデルに基づきグリーン関数を計算して震源の逆解析を行ない、北西―南東方向を持つ断層面を規定することができた（図4）（東京大学地震研究所［課題番号：1424］、Saito et al.,2010）。従来の近地・遠地地震波形による解析では断層の走向・傾斜の決定が困難であったこともあり、地震と津波波形を用いた統合解析の有効性が示された。

（強震動予測のための地下構造モデルの構築）

　震源解析の高度化に不可欠となる、3次元不均質地下構造のグリーン関数の評価と、大地震の強震動予測に必要な地下構造モデルの評価と、構造推定手法の開発が進められた。
　たとえば、F‐net広帯域地震計連続記録を用いた地震波干渉法により2観測点間のグリーン関数を求める手法を開発し、西南日本の地殻と地盤モデルを修正が進められた（京都大学防災研究所［課題番号：1813］、山下・他, 2009）。また、大地震時の強い加速度により表層地盤が非線形挙動を示して卓越周波数の変化や増幅率の低下が起きることを考慮して、2007年新潟県中越地震や2008年岩手・宮城内陸地震による震源近傍の強震波形を用いて地盤の非線形応答特性に関する基礎データの収集が進められた（京都大学防災研究所［課題番号：1813］、木村・他, 2009）。
　周期1秒以下の短周期地震動の伝播と散乱に強く影響を与える、波長が数十～数百メートル以下の短波長不均質構造を、地震観測データから推定する試みが行われた。今年度は、散乱によりP波エネルギーの一部がTransverse成分に染み出す影響に着眼し、Hi‐netの地震記録を用いた解析と地震波伝播のコンピュータシミュレーションによるモデルの検証が行われた（東京大学地震研究所［課題番号：1424］）。

（強震動と津波の大規模並列計算）

　不均質な地下構造における地震波伝播と複雑な海底構造の影響を受ける津波の高精度評価と、震源過程解析のためのグリーン関数の高精度計算には、近年のスーパーコンピュータを用いた大規模並列シミュレーションが欠かせない。
　今年度、地球シミュレータが新機種に更新され、CPUの内部構造やデータ通信方式シが変更されたことに伴い、従来の地震動シミュレーションコードの最適化と大規模並列計算のベンチマークテストを実施した。新型シミュレータの性能を引き出すためのメモリアクセスや通信方式の変更を行なったことにより、従来の地球シミュレータに比べ7倍の性能を引き出すことができた（図5）（東京大学地震研究所［課題番号：1424］）。また、従来の強震動シミュレーションでは、計算の安定化と簡便化のために海水層をモデルから除外することが多いが、複雑な海底地形と海水を組み込んでも安定な新しい差分法コードの開発も進められた（九州大学［課題番号：2205］、Takenaka et al., 2009）。

課題と展望

　「地震破壊過程と強震動」研究計画の最終目標は、大地震の破壊過程を詳しく理解し、アスペリティ破壊の繰り返し性と連動発生条件を知り、将来の大地震の発生様式と強震動、そして津波を正確に予測することである。
　この目標に向けて、近年および過去に発生した大地震の震源過程を地震、津波、及び地殻変動データを駆使して逆解析により詳しく評価する解析事例の積み重ねが着実に進行中である。今後、過去の地震についても、二重時間差トモグラフィ法等の最新の震源決定技術や、3次元不均質構造に対応したグリーン関数を用いた震源モデルの逆解析法を利用した再解釈を進める必要もあろう。釜石沖の地震や種市沖の相似地震、そして茨城県沖で繰り返し発生するM7地震を対象とした詳しい震源解析により、アスペリティ破壊の規則性や、他の地震の影響を受けない自律的な地震繰り返し性が確認された一方で、同様のアスペリティが破壊しても応力降下量は1.5倍程度異なるという地震パラメータの多様性も浮き彫りとなった。このことは強震動予測の不確定性とバラツキを考える上で重要な示唆であり、今後他の地域を含めて震源解析事例を増やすことが急務である。
　近年の観測技術とデータ通信技術の進歩により、震源過程解析手法も大きく変わろうとしている。まず、海底ケーブルを用いた沖合津波計の設置により、湾や海底地形の影響を受けない生の津波記録が得られるようになった。これはサイト増幅の小さい岩盤観測点に設置された広帯域強震計のようなものであり、津波記録から震源過程を理解し、そして沿岸の津波予測を行う上で重要な武器となる。津波波形記録と近地強震記録を併合処理することにより、震源過程解析の精度の強化も期待される。また、海底ケーブル津波計と陸のGPS観測データ、強震計データを併合したリアルタイム津波予測のアルゴリズム開発への期待は大きい。強震観測データもリアルタイムで入手できるようになった現在では、大地震発生の直後に自動的に震源破壊過程の逆解析を進めるシステムの実用化も近い。
　2009年8月11日に発生した駿河湾の地震（M6.5）は、東海地震の想定震源域で発生したスラブ内地震であった。短周期地震動の強い放射が原因と考えられる土砂災害や住宅被害のほか、最大数十センチメートルの津波が発生したことを受けて、震源過程の詳細な解析と津波発生メカニズムの検討が行われた。将来の想定東海地震に向けて、本地震観測データを生かした強震動と津波の生成プロセスの検証は次年度以降も継続して進める必要があろう。これまでは、プレート境界で発生する巨大地震を主な研究対象としてきたが、スラブ内地震は規模が小さくとも都市直下で発生することや、高い応力降下量により短周期地震動が強く励起する可能性が高いことから、スラブ内地震についても震源過程解析を詳しく進め、事例を集めてアスペリティの存在と破壊の繰り返し性やプレート境界型地震との連関性について検討を進める必要があろう。
　このほか、強震動予測の面では特に、周期1～2秒以下の短周期地震動の高精度評価のために、日本列島の地下構造モデルとローカルトモグラフィの解析結果を融合した不均質地下構造モデルや、地震波散乱解析に基づき推定した短波長不均質構造を地盤・地殻・マントル構造に付加した広帯域地震動シミュレーションを今後一層進める必要があろう。短周期地震動は震源近傍の大加速度を作り出し、またプレートに沿って遠地まで良く伝わり異常震域を作り出すなど特異な波動伝播を示す。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は着実に進展しており、震源破壊過程の詳しい理解と不均質地下構造モデルの整備、そして大規模シミュレーションの実現により短周期から長周期地震動を含めた広帯域の強震動予測の実用化は遠い未来ではない。強震及び津波観測と解析、そしてシミュレーション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ることが重要である。

参考文献

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図1.（上）2009 年駿河湾の地震の津波波形解析から推定された海面変動、（下）観測津波波形（青）と計算津波波形（赤）の比較（北海道大学［課題番号：1006］）。

図2.3次元地下構造モデルの高度化
Tajima et al. （2009） のトモグラフィモデルに基づく不均質構造に、表層地盤の3次元層構造を組み合せた統合モデルの概念図（上）と、統合地下構造モデルによる波形シミュレーション（下）。新潟県中越地震の余震 に対するK‐NET 観測点NIG019（震央距離10km）の観測速度波形（黒線）と合成速度波形（桃色線）の比較（東京大学地震研究所［課題番号：1422］、Tajima et al., 2009]）。

図3.陸上GPS 観測データを用いた2003 年十勝沖地震津波に対する津波予測の結果
（a） 陸上GPS 観測点における観測変位ベクトル（黒矢印） と計算変位ベクトル（赤矢印） の比較。白星印は震央、白四角は相対変位ベクトルの基準観測点を示す。（b） 逆解析によって推定された地震時すべり分布。紫三角は逆解析で用いたGPS 観測点、緑ひし形は津波観測点をそれぞれ示す。（c）（d） 逆解析で推定されたすべり分布から計算された津波波形（赤線）と観測津波波形（黒線） の比較。（c） 北海道の太平洋沿岸の津波観測点、（d） 海底水圧計においての比較（東北大学［課題番号：1212］、Tsushima et al., 2009）。

図4.2004 年紀伊半島南東沖の地震の波源解析
海底ケーブル津波計記録の逆解析により求めた波源モデル（図下、白い長方形）と、海底ケーブル津波計記録の例（図下、白三角印）と非線形長波方程式に基づく津波シミュレーションの計算波形の一致度の比較。津波の初動だけでなく、後続する津波の分散波を含めて正しく再現されることがわかる（東京大学地震研究所［課題番号：1424］、Saito et al., 2010）。

図5.地球シミュレータによる大規模並列地震波伝播シミュレーションの性能テスト
新型地球シミュレータ（ES2） と地球シミュレータ（ES）を用いた地震動計算コード（Seism3D3）の並列計算性能（FLOPS） の測定。実線はES2 とES でのチューニングコードの並列計算性能の比較。点線はES2 のチューニング前の性能を表す（東京大学地震研究所［課題番号：1424］）。