4.実施状況、成果及び今後の展望 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

2.1.目的

 建議で設定された研究目的は以下のとおりである。
 地殻活動の推移予測を行うために、媒質の変形特性やプレート運動等に関する現実的な条件及び岩石の破壊・摩擦の物理を考慮した数値シミュレーションモデルを開発する。過去から現在までの様々な観測データを利用して、現実的なモデルとなるようモデルパラメータを調整し、観測されているプレート境界や断層の滑りの時空間変動を説明し、さらには予測を可能にするシステムの開発を目指す。また、現在稠密な観測が行われている特定の地域を対象にして、地震発生に至る地殻の準備過程が地震発生サイクルのどの段階にあるかを定量的に示すシミュレーションを試行する。
 本計画では、地震調査研究推進本部(以下、「推進本部」という。)が策定した基盤的調査観測としての高感度・広帯域地震観測及びGPS観測といった日本列島全域を対象とした基盤的調査観測に加え、有用なその他諸観測を整備し、日本列島域の地殻活動モニタリングシステムの高度化を更に推進することを目指している。大地震発生が想定される特定の地域における地殻活動モニタリングの高度化も重要であり、高密度諸観測を一層整備する必要がある。特に、想定東海地震震源域及びその周辺、想定東南海・南海地震震源域及びその周辺は重要であるため、東海地域、東南海・南海地域については、その他特定の地域と区別して計画を実施する。
 地殻活動予測シミュレーションモデルの開発の基礎となるデータベースを構築するために、日本列島域を対象として、これまで蓄積されてきた地形、重力、地殻構造、地殻変動、地震活動等の基礎データを整理・統合する。また、地殻活動モニタリングシステムからの大量で多項目のデータを処理して有効な情報を取り出すためには、効率的なデータ解析手法を開発し、ほぼ実時間で更新される日本列島域の地殻活動情報のデータベース構築を図る必要がある。このデータベースに一元化された情報は、データ同化の手法により地殻活動予測シミュレーションに取り込むことが必要である。また、こうしたデータをシミュレーション結果の検証においても活用する。

2.2.実施状況

(1)地殻活動予測シミュレーションモデルの構築

ア.日本列島域

 大学は、新たに作成した日本列島域の三次元プレート境界面形状標準モデルと三次元地殻構造モデルを用いて、粘弾性滑り応答関数の計算を行い、日本列島域の地殻活動シミュレーションモデルの原型(プロトタイプ)を構築した。これを用いて、1968年(昭和43年)十勝沖地震(マグニチュード7.9)の震源域における、歪蓄積から動的破壊伝播に至る巨大地震発生予測シミュレーションを試みた。また、このモデルを用いて日本列島域の長期地殻変動を計算し、地殻隆起速度やフリーエア重力異常の観測データと比較した。さらに、東北日本弧の地殻応力に関するシミュレーションを行い、第四紀の活断層運動から推定される地殻応力を説明できることを示した。
 大学は、GPSデータの逆解析により、日本列島周辺域の滑り遅れ分布(固着域の分布)を推定した。直接的及び間接的に得られている既知の情報を利用して地殻変動データを解析する新しい逆解析手法を、関東地域の様々な時間スケールの地殻変動データに適用し、1923年(大正12年)関東地震(マグニチュード7.9)の滑り分布など、相模トラフ沿いのプレート境界滑りについて調べた。CMT(セントロイド・モーメント・テンソル)データから応力場を推定する逆解析手法を開発し、東北地方の地震発生応力場を推定した。

イ.特定の地域

 大学は、プレート境界面を少数のセル(要素)で表現する不連続セルモデルを用いて南海トラフ沿いの巨大地震発生サイクルのシミュレーションを行い、ゆっくり滑りを含む多様な滑りの再現に成功した。大学と海洋研究開発機構は、現実的な摩擦構成則とプレート境界面形状を考慮し、南海トラフ沿い巨大地震発生サイクルのシミュレーションを行った。その結果、過去の巨大地震発生系列の特徴を再現するとともに、応力増加率と破壊の開始点の関係について議論した。国土地理院は、東海地域のプレート沈み込みモデルを作成し、有限要素法を拡張した計算手法でシミュレーションを行い、パラメータの適切な設定によりゆっくり滑り発生の再現に成功した。さらに、2000年(平成12年)の神津島・三宅島周辺の地殻活動のような擾乱がゆっくり滑りの発生に及ぼす影響を調べた。気象庁は、三次元モデルによる東海地震発生のシミュレーションを行い、摩擦パラメータの深さ方向の不均一性を導入することにより、長期的ゆっくり滑りを再現した。さらに、東海地震の想定震源域周辺で大地震が発生した場合に、それによる応力変化が東海地震の発生にどのような影響を及ぼすかをシミュレーションにより検討した。大学は、三次元粘弾性構造を考慮して、フィリピン海プレートの沈み込みによる西南日本の変形を有限要素法により計算し、内陸での応力の変動や、それが内陸地震発生に及ぼす影響について議論した。
 大学は、1968年十勝沖地震と1994年(平成6年)三陸はるか沖地震(マグニチュード7.6)の震源域を含むプレート境界面での地震発生サイクルシミュレーションを行い、地震発生サイクルや余効滑りの特徴を再現した。大学と海洋研究開発機構は、1952年(昭和27年)と2003年(平成15年)の十勝沖地震(それぞれマグニチュード8.2とマグニチュード8.0)の震源域を含む千島海溝南部のプレート境界における地震発生サイクルのシミュレーションを行った。
 大学は、岩石実験に基づく摩擦構成則を用いたシミュレーションにより、様々な時定数を持つ滑りを再現し、時定数を支配するパラメータを明らかにした。平面断層面上の複数のアスペリティの相互作用に関する数値シミュレーションを行い、相互作用が地震発生サイクルの不規則性に及ぼす影響等を調べた。二つのアスペリティが連動破壊するときの前駆的滑りの地震規模依存性について調べた結果、地震発生直前(数日)の前駆的滑りの規模は地震規模に依存しない場合があること、中期的(数年)な前駆的滑りについては地震規模依存性が見られることが分かった。

ウ.予測シミュレーションモデルの高度化

 大学は、二つの亀裂の相互作用や、主破壊の成長に伴う多数の小破壊発生を考慮した動的破壊の数値シミュレーションを行った。また、間隙流体圧変化が震源核の形成過程に及ぼす影響や、動的破壊時の間隙流体圧変化の影響を評価するためのシミュレーションを行った。
 大学は、断層破壊の数値計算によく用いられる境界積分方程式法の高速計算手法の開発や精度評価、さらに、三角形の断層要素上の滑りに対する変位応答履歴・応力応答履歴の厳密解の導出を行った。破壊進展の数値解析に有効な粒子的変位場の離散化による定式化を用いた有限要素法を開発した。これを利用して、不均質な媒質中での面内せん断破壊の進展と破壊面の形成に関する理論的研究を行った。
 大学は、GPSデータからプレート境界面上の滑り・応力の時空間変化を推定し、それらの関係からプレート境界面の摩擦パラメータを推定した。

(2)地殻活動モニタリングシステムの高度化

ア.日本列島域

 地震活動に関しては、基盤的調査観測の整備及び観測データの一元化処理によるモニタリングの高度化を推進するために、各機関が次のような観測研究を実施した。
 防災科学技術研究所は、基盤的調査観測として、高感度地震観測(Hi-net)、強震観測(K-NET、KiK-net)、広帯域地震観測(F-net)を実施している。この間、新規に98か所の高感度地震観測施設と基盤強震観測施設、及び7か所の広帯域地震観測施設の整備を行うとともに、地表設置の既存高感度地震観測施設については観測井の新規掘削を含む改修を施し、観測方式の高度化を実現した。基盤強震観測施設については、平成15年度から新型K-NETシステム(K-NET02)への更新を進め、より効率的なデータの収集と処理が実現されるようになった。また、防災科学技術研究所は、Hi-netに併設されている高感度加速度計水平動成分データを用いた長周期地震(超低周波地震)のモニタリングを全国的に行った。
 気象庁は、陸域及び海域における一元化震源の精度の向上を目的として、観測点の高度補正及び海底地震計の堆積層補正の検討を行い、これによる震源決定精度の改善効果を評価した。また、P波及びS波の三次元速度構造の暫定版を構築するとともに、震源及び発震機構解を決定するプログラムの開発を行った。
 震源や発震機構解などの実時間決定システムの開発に関連しては、大学、気象庁及び防災科学技術研究所において開発した高感度地震観測データ流通システムの運用が開始された。これにより、我が国の高感度地震観測データのほぼ全てが、全国どこでもリアルタイムで利用可能になった。気象庁では、初動発震機構解決定のため、自動処理を導入し業務の効率化と決定能力の向上を図った。大学では、衛星通信によってリアルタイム配信される広帯域地震波形データを用いて、太平洋プレート沿いの活動域のモニタリングのため長周期波動場の自動検出と発震機構解自動解析システム(GRiD MT)を開発した。
 地殻変動に関しては、広域地殻歪の時空間変動を把握するため、国土地理院が基盤的調査観測としてGPS連続観測網(GEONET)を運用している。平成17年度末までに全国1,231点の電子基準点(GPS連続観測点)の整備が進み、全国で点間距離20~25キロメートルの観測点密度が実現した。離島などの一部の観測点を除きほぼ全点のデータ取得間隔を1秒とし、実時間データ伝送を実現した。観測データは、広く公開されて多くの研究者に活用されている。実時間解析のシステム整備も行われた。また、VLBI測量、高精度三次元測量(水準測量)、高度地域基準点測量(GPS測量)等を実施しGEONETによる観測データを補完する詳細な地殻変動情報を取得し公開している。GPS連続観測データについては、「GPSデータクリアリングハウス」を作成し、各機関が公開している連続観測データの所在情報の集約を開始した。
 海上保安庁海洋情報部は、同庁が運用している沿岸・離島のDGPS局を用いた地殻変動監視を実施し、2005年(平成17年)福岡県西方沖の地震(マグニチュード7.0)に伴う地殻変動を検出するなど地殻変動解析結果の公表、及びデータの公開を行っている。また、銭洲等の伊豆諸島海域の島嶼・岩礁において観測を実施した。
 大学では、GEONETデータを用いた地殻変動モニタリング手法の高度化として、GEONETデータの自動収集処理解析装置を整備し、状態空間モデルに基づく断層滑り速度の推定手法の改良を行った。
 海底地殻変動観測については、海上保安庁海洋情報部及び大学が、GPS-音響測位システムを用いた海底地殻変動観測システムを開発し、宮城県沖、東海・東南海地震の想定震源域等での海底地殻変動観測を実施している。
 また、海洋研究開発機構では、海底ケーブルで結んだ多数のセンサーからなるリアルタイム長期総合海底観測システムの研究開発を行い、室戸沖、釧路十勝沖の観測点において地震観測と津波観測を実施している。
 地殻上下変動のモニタリングについては、国土地理院、気象庁及び海上保安庁海洋情報部が全国122か所の潮位観測施設で潮位連続観測を実施し、潮位データは各機関のウェブサイト等で公開されるとともに、海岸昇降検知センターのデータベースにアーカイブされている。
 また、GPS連続観測では十分な精度が得られない地殻の上下変動を監視するために、国土地理院では、全国の約20,000キロメートルの水準路線を対象に約8年周期で繰り返し水準測量を実施している。平成17年度には、9回目の全国改測が完了し、10回目の全国測量が開始された。
 重力観測によって、大学は2003年十勝沖地震時のえりも・帯広・厚岸地域の重力変動を検出し、国土地理院は2003年十勝沖地震時の帯広の上下変動及び2004年(平成16年)新潟県中越地震(マグニチュード6.8)時の長岡の上下変動、御前崎の経年的な上下変動などの検出を行った。
 その他の日本列島全体を対象とした諸観測として、地磁気の連続観測があり、気象庁、国土地理院、海上保安庁が実施している。
 気象庁は、日本列島域における地磁気基準点(柿岡、女満別、鹿屋、父島)の観測を実施し地磁気変化観測装置の精度向上を進めた。また、年報の電子媒体化を行った。国土地理院は、全国11点の基準磁気点で地磁気連続観測及び絶対観測を行うとともに、全国の一等磁気点での絶対観測等を実施し、観測データをホームページ等で公開している。海上保安庁海洋情報部では、伊豆諸島(八丈島)において地磁気全磁力、地磁気三成分の連続観測を行い、観測データを年報として刊行したほか、海洋情報部ホームページに掲載した。また、データは世界地磁気データセンターに送付し、同センターのホームページにおいても公表されている。

イ.東海地域

 東海地域においては、列島規模のモニタリングに加えて、より詳細な地殻活動モニタリングが実施されている。また、この地域を対象として地殻活動モニタリングの高度化や精度向上の観測研究計画が進められている。
 気象庁は、既存の陸上観測点網及びケーブル式海底地震計による定常的観測に加えて、自己浮上式海底地震計観測を繰り返し行った。また、精密制御定常震源システム(ACROSS)の波形記録の解析を進めるとともに、新たな送信装置を整備した。東海地震の発生直前過程の把握のため展開されている歪計のノイズ軽減のため各種補正を新たに施すとともに、他機関から分岐されている地殻変動データについても各種補正パラメータの調整を進めた。さらに、地殻変動量からプレート境界における滑りの位置・規模を即時に推定する手法や、GPSの監視を面的に行う手法を開発した。
 国土地理院は、GPS観測や衛星SARを通して、東海地域での地殻変動の面的分布の把握を進めている。特に、2000年後半頃から2005年頃まで続いた浜名湖周辺のプレート境界での長期的なゆっくり滑りの推移の監視が継続して行われた。さらに、高精度三次元測量(水準測量)・800メートル深井戸の歪計・傾斜計・長距離水管傾斜計等の連続観測を実施している。大学と国土地理院は、御前崎において共同で絶対重力の繰り返し観測を継続し、経年的な重力変動を検出した。SARについては、利用可能なデータとしてENVISAT衛星が地殻変動検出に適していることを確認した。
 長期的ゆっくり滑りが継続している時期に、2004年紀伊半島南東沖の地震(マグニチュード7.1、マグニチュード7.4)が発生したが、国土地理院と気象庁は、ゆっくり滑りの解析に与える影響について検討を行った。この長期的ゆっくり滑りに関しては、大学、防災科学技術研究所及び気象庁でも、国土地理院GEONETデータ、あるいは独自の観測網によるデータを用いた解析や、過去の繰り返しについての検討が進められた。
 防災科学技術研究所は、微小地震観測及び地殻変動観測を継続し、東海地震の固着域での状況の変化や長期的ゆっくり滑りのモニタリングを行っている。これらの観測に基づき、長期的ゆっくり滑りと地震活動変化の関係を考察し、東海地震の発生予測を目標とする研究を推進した。
 産業技術総合研究所は、地殻変動に伴う地下水位のモニタリングを続けている。地震に伴う地下水位変化メカニズムの考察を深め、前兆的地下水位変化検出システムを構築した。気圧変化に対する水位変化の周波数特性を求め、地下水位観測を用いたプレート境界の滑り検出能力を取りまとめる一方、データ転送のリアルタイム化を進めている。
 大学は、水温及び地下水中の化学成分の変化のモニタリングのために、地球化学観測を行った。循環型の地下水溶存ガス測定システムを開発し、地震に関連する地殻内の化学変化を地下水に溶解するラドンだけでなく他のガス成分の変化からも検知することを試みた。その結果、メタンを始めとして酸素や窒素などの地下水溶存ガスに潮汐応答が観測された。
 地震予知のための新たな観測研究計画では、東海地方を含む西南日本のフィリピン海プレートの沈み込みに沿って、低周波の地震や微動が発生していることが明らかになっている。本計画では、防災科学技術研究所と気象庁でその原因の解明が進められている。東海地域では、2005年7月及び2006年(平成18年)1月に愛知県東部において低周波地震や微動を伴う短期的なゆっくり滑りがあったことをほぼリアルタイムで検知し、さらに、過去の同様な現象について調査した。
 なお、気象庁は、東海から東南海の海域における地震活動のモニタリングの強化のため、既存のケーブル式海底地震計の西側に、新たなケーブル式海底地震計の整備を進めている。

ウ.東南海・南海地域

 大学は、「東南海・南海地震等海溝型地震に関する調査研究」(文部科学省委託事業)により、平成15年度より東南海・南海地震の想定震源域において自己浮上式海底地震計による長期繰り返し海底地震観測を実施している。気象庁は、地震活動によるプレートの詳細構造の解明のため、紀伊半島南東沖で実施した海底地震観測のデータについて、定常観測点のデータとの併合処理を行った。防災科学技術研究所は、南海トラフ沿いで発生する超低周波地震について、Hi-netに併設されている高感度加速度計水平動成分(傾斜計)及びF-net観測波形記録の解析を行った。また、紀伊半島から伊勢湾にかけて発生した深部低周波微動活動と同期した短期的ゆっくり滑り現象についても詳細な解析を行った。さらに、東南海地域のプレート形状に関して、変換波の波形解析結果等、新たに得られた情報の検討を行った。
 国土地理院は、東南海・南海地震の震源域周辺におけるGEONET観測点の密度を東海地域と同程度までに高めることを目標として、紀伊半島から四国にかけての地域に電子基準点を平成17年度までに31点増設した。また、紀伊半島の東側と南部、及び室戸岬周辺で高精度三次元測量(水準測量)を実施した。御前崎において、800メートル深井戸の歪計・傾斜計・長距離水管傾斜計等の連続観測を実施した。また、GEONET、測地測量、衛星干渉SARの観測結果について、統合した解析を実施した。
 産業技術総合研究所は、過去の南海地震において、繰り返し湧出量や水位の低下を生じてきた愛媛県道後温泉や和歌山県湯峯温泉で地下水の調査・観測を行った。気象庁や大学は、南海地震の前に太平洋沿岸で観察された潮位の変化や地下水位の低下について調べた。

エ.その他特定の地域

 大地震の発生が想定されているその他特定の地域において、列島規模のモニタリングに加えて、より高度化された地殻活動モニタリングのための研究開発が実施された。
 大学及び気象庁は、「宮城県沖地震に関するパイロット的な重点的調査観測」(文部科学省委託事業)と連携し、宮城県沖及びその周辺海域において自己浮上式海底地震計による長期繰り返し海底地震観測を実施した。気象庁は、過去の宮城県沖地震に対する余震の震源の再決定を行った。国土地理院は、有限要素法により宮城県沖のプレート境界域におけるプレート間結合状態の時間的変化をシミュレーションにより再現することを試み、牡鹿地区で水準測量を107キロメートル実施するとともに、牡鹿半島沖の網地島にGPS連続観測点を設置し、観測を実施した。大学は、宮城県沖地震の発生機構の解明のために、GPSと相似地震の準リアルタイム処理システムを開発した。
 気象庁及び防災科学技術研究所は、「糸魚川-静岡構造線断層帯における重点的な調査観測」(文部科学省委託事業)等の一環として、糸魚川-静岡構造線地域周辺に11地震観測点を新設し、大学等は地震活動調査、地震学的・電磁気学的地下構造調査を実施した。国土地理院は、糸魚川-静岡構造線地域において各年度1回ずつGPS繰り返し観測を実施し、また、衛星干渉SAR解析を実施して、地殻変動の検出を試みた。
 大学は、「大都市圏地殻構造調査研究計画」(文部科学省委託事業)によって、房総半島に設置された多数の地震計(地震計アレイ)のデータを活用して、南関東とその周辺域の地震活動をモニタリングする手法を開発した。防災科学技術研究所は、関東平野において深さ2,000メートル級の調査観測ボーリングを実施し、関東平野南部の基盤を構成する地層のP波・S波速度構造を計測し、基盤地質構造を解明した。さらに、そのボーリング孔を利用し、高感度地震観測施設(Hi-net)を整備した。茨城県つくば市南部においては、深さ1,000メートル級の調査ボーリングを実施し、VSP検層等によって堆積層の物理特性を解明した。
 国土地理院は、伊豆半島東部の川奈地区において、精密辺長測量(光波測距儀による測量)、多項目観測を実施した。また、2006年1月~4月に発生した伊豆半島東方沖の地震活動の地殻変動を把握するため機動GPS連続観測点を設置した。大学は、伊豆半島東部の群発地震の活動と多項目観測データとの関連の把握を目的として、電話回線網を用いた面的な地電位変化連続観測、人工制御電流源を用いた比抵抗の連続観測、プロトン磁力計観測網を用いた全磁力連続観測を実施した。気象庁及び防災科学技術研究所は、2002年5月と2006年1月から4月に発生した伊豆半島東方沖の地震活動で、地震活動が活発化する数時間前から地殻変動を観測した。産業技術総合研究所でも、この地震前地殻変動によって生じたと考えられる地下水位変化を一部で観測した。
 大学は、「東南海・南海地震等海溝型地震に関する調査研究」(文部科学省委託事業)により、青森沖(三陸沖北部)及び根室半島沖において1年弱の長期海底地震観測を実施し、震源決定を行った。国土地理院は、北海道東部にGPS連続観測点を設置し、観測を行った。
 気象庁、大学及び海洋研究開発機構は、房総沖、三陸沖及び釧路・十勝沖において、海底ケーブルを用いた地震、津波等の観測を行った。国土地理院は、地殻変動機動観測として、特定観測地域及び重点地域の高精度三次元測量(水準測量)を、根室地区、松本地区(牛伏寺断層周辺)で実施した。変動地形調査として、活断層等における精密辺長測量やGPS辺長測量を、切山、跡津川(精密辺長測量)、浦河、牡鹿(GPS辺長測量)の各地区において実施した。また、大学は、走査型震源決定法を用いて、深部低周波地震の震源分布を推定することを試みた。

(3)地殻活動情報総合データベースの開発

ア.日本列島地殻活動情報データベースの構築

 大学は、2000年までの地震の震源データ及び験測値データを収集して全国大学地震震源データベースを完成し、また古い地震の強震動記録と津波記録のデータベース作成を開始した。気象庁は、古い地震の紙記録のマイクロフィルム化、過去の地震の震源見直しによる全国地震カタログの改訂を進めている。また、一元化処理による全国震源カタログの作成を継続して行っている。防災科学技術研究所は、全国の高感度地震観測施設、広帯域地震観測施設、強震動観測施設から得られるデータを効率的に収集・処理・蓄積し、インターネットを通じて公開している。
 大学は、重力データベースの整備を進め、気象庁は地磁気データベースの整備を進めている。産業技術総合研究所は、活断層データベースや地震に伴う地下水変化のデータベースを作成し、インターネットで公開している。国土地理院は、都市圏活断層図を作成し公表している。

イ.地殻活動データ解析システムの開発

 国土地理院は、地殻活動モニタリングシステムからのGPSや各種測量等の大量の地殻変動データを有効処理するために地殻活動データ解析システムを開発した。

2.3.成果

(1)地殻活動予測シミュレーションモデルの構築

ア.日本列島域

 日本列島域の三次元プレート境界面形状標準モデルを作成し、また、日本列島域の三次元地殻構造モデルに対する粘弾性滑り応答関数の計算を行った。これを動的破壊伝播モデルとシステム結合することにより、地震発生サイクル全過程のシミュレーションが可能になり、日本列島域の地殻活動シミュレーションモデルの原型(プロトタイプ)が完成した。このモデルを用いて、1968年(昭和43年)十勝沖地震(マグニチュード7.9)の震源域における大地震発生予測シミュレーションを行った結果、小さな破壊が大地震になるか否かは震源域の応力状態によることが示された。また、北米、太平洋、フィリピン海の三つのプレートが相互作用する関東地域の地殻隆起速度の特徴的パターンが説明できること、太平洋プレートの収束運動の約1割が地殻内変形で解消されるとすると第四紀の活断層運動から推定される東北日本弧の地殻応力を説明できることが、数値シミュレーションの結果から分かった。
 日本列島域のシミュレーションを行うためには、プレート境界面の固着状況の分布、広域応力場等の入力データが必要である。そのため、GPSデータの逆解析により、日本列島周辺域の滑り遅れ分布(固着域の分布)、1923年(大正12年)関東地震(マグニチュード7.9)の震源域及びその周辺域の地震時滑り分布、地震間の滑り速度分布、短期的ゆっくり滑りの滑り分布を求め、領域によって滑り様式が異なることが明らかになった。また、CMT(セントロイド・モーメント・テンソル)データから地震周辺の地震発生応力場を推定する新しい逆解析手法を開発し、太平洋プレートが北米プレートの下に沈み込む東北地方の地震発生応力場を推定した。この手法は、従来の手法に比べて、解析領域の分割方法の任意性が少ない点で優れている。

イ.特定の地域

 南海トラフ沿いや三陸沖など、マグニチュード8級のプレート境界地震が繰り返し発生し、近年の地震・測地観測からも顕著なプレート境界滑りが推定されている地域については、岩石実験に基づく摩擦構成則を利用したモデルを用いて、地震・測地による観測データの細部まで説明できるようなシミュレーションを行った。
 南海トラフ沿いについては、現実的なプレート境界面形状を考慮した三次元弾性体モデルを使って準動的地震サイクルシミュレーションを行い、東南海地震と南海地震の発生の時間差や二つの地震の連動等、過去の巨大地震発生系列の特徴を再現することに成功した。また、沈み込み角度の違いによる固着域の幅の違いの影響で、紀伊半島沖では応力増加率が高くなり、ここから破壊が開始しやすくなるという結論が得られた。南海トラフ沿いの巨大地震発生については、計算が容易で長期間の地震サイクルのシミュレーションが可能な不連続セルモデルを用いてもシミュレーションを行い、全てのセグメントが同時に破壊される場合や、東側のセグメントと西側のセグメントが交互に破壊される場合があることなど、長期的に見ると地震サイクルがより複雑である可能性が示された。1944年(昭和19年)の東南海地震(マグニチュード7.9)の前駆的滑りは地震発生層よりも深部で発生したとの報告があるが、これは従来の前駆的滑りのモデルでは説明できない。摩擦の滑り速度依存性に臨界速度の存在を仮定すれば、地震発生層より深部での前駆的滑りが説明できることがシミュレーションで示された。東海地震想定震源域の深部延長域で発生した長期的ゆっくり滑りについても、摩擦パラメータの適切な設定により、シミュレーションで再現することができた。また、三次元粘弾性構造を考慮して、フィリピン海プレートの沈み込みによる西南日本の変形を有限要素法により計算し、内陸地震の発生を促す応力の変動、歪集中帯の生成メカニズムについて議論した。
 三陸沖の地震サイクルのモデルについては、1968年十勝沖地震と1994年(平成6年)三陸はるか沖地震(マグニチュード7.6)を含むプレート境界面での地震発生サイクルシミュレーションを行い、二つのアスペリティでの摩擦パラメータを変えることにより現実とよく似た地震サイクルを再現することに成功し、1994年三陸はるか沖地震の余効滑りの特徴も再現することができた。また、1952年(昭和27年)と2003年(平成15年)の十勝沖地震(それぞれマグニチュード8.2とマグニチュード8.0)及び1973年(昭和48年)根室半島沖地震(マグニチュード7.4)の震源域を含む千島海溝南部のプレート境界における地震発生サイクルのシミュレーションを行い、複雑な大地震繰り返しに関する理解を得た。
 さらに、特定の地域を想定したモデルではないが、近年GPS観測等で検知されているゆっくりとした非地震性滑りに関連して、通常の地震から地震波を放射しない滑りまでの様々な時定数を持つ滑りをシミュレーションで再現することができ、時定数を支配する物理量についての理解も得られた。また、余効滑りの発生と余震域の拡大を結びつけるシミュレーションも行われた。

ウ.予測シミュレーションモデルの高度化

 日本列島域や特定の地域を対象とした大規模シミュレーションでは考慮されていない微視的な物理・化学過程を取り込んだモデルの開発や、シミュレーション結果と観測データを定量的に結びつける手法の開発により、現在の大規模シミュレーションモデルを改良して、次世代のより高度なモデルを構築することを目指している。
 既存弱面をもたない物質での破壊発生をモデル化するために、破壊進展の数値解析に有効な粒子的変位場の離散化による定式化を用いた有限要素法を開発した。これを利用して、不均質な媒質中での面内せん断破壊の進展と破壊面の形成に関する理論的研究を行った。二つの亀裂の動的相互作用や主破壊と多数の小破壊の相互作用を考慮することで、より現実的な破壊成長過程のシミュレーションが可能になった。また、断層滑りによる摩擦熱が間隙流体に及ぼす影響を考慮したシミュレーションにより、断層全体の滑り継続時間よりも局所的滑り継続時間が顕著に短いパルス状の断層滑りが生じる場合があることが分かった。間隙流体圧変化が震源核形成過程に及ぼす影響について、断層帯内の間隙の発展方程式を用いた準静的シミュレーションを行い、体積膨張による間隙流体圧の低下が原因で震源核は大きくなることが分かった。
 2003年十勝沖地震の余効滑り及び東海地方の長期的ゆっくり滑りについて、GPSデータを用いてプレート境界面上の滑り・応力の時空間変化を推定し、応力と滑り、応力と滑り速度の関係を得た。その結果からプレート境界面の摩擦パラメータの推定を試みた。

(2)地殻活動モニタリングシステムの高度化

ア.日本列島域

 地震活動については、Hi-netとK-NETの高度化によりこれらのデータをモニタリングすることで、日常的な地殻活動に対する監視能力が飛躍的に高まった。その結果、深部低周波微動と短期的ゆっくり滑りの関連性や、その時空間分布の推移に関する詳細な知見が得られるとともに、海溝近傍で発生する超低周波地震活動の特徴等が明らかになってきた。また、全国の高感度加速度計水平動成分データを用いた長周期地震(超低周波地震)のモニタリングからは、既に微動の存在が確認されている西南日本のプレート境界の固着域より深部側以外では、新たな活動は見出されないことが明らかになった。
 定量的地震活動解析としては、地震活動度の変化と応力変化を関連付けるパラメータの見積もり、地震活動の変化からの応力増減の推定、地殻内で発生する地震についての地震発生層の上限と下限の空間分布等に関する一元化震源を用いた調査など、新たに開発された手法による解析が行われ、これによって地殻内地震発生域の地域的な特徴が明らかにされた。
 地殻変動に関しては、GEONET観測データが公開されて多くの研究者に活用されている(東海地域、東南海・南海地域、その他の地域の項目を参照)。GEONETデータを用いた地殻変動モニタリング手法の高度化としては、GEONETデータの自動収集処理解析装置の整備により、状態空間モデルに基づく断層滑り速度の推定手法の改良が行われ、これにより、プレート間のゆっくり滑りの時空間変化をより詳細に解明することが可能となった。また、広域応力場をモニタリングする手法として、応力の逆解析法と微小地震活動度を併せて広域応力場を推定する手法が開発された。また、DGPS局や海域の観測により、伊豆諸島域の変動傾向が三宅島噴火活動以前の活動にほぼ戻ったこと、2004年(平成16年)紀伊半島南東沖の地震(マグニチュード7.1、マグニチュード7.4)による銭洲の地殻変動方向の変化などが検出された。
 海底地殻変動観測では、GPS-音響測距結合方式による海底測位により熊野灘沖において、2004年の紀伊半島南東沖の地震に伴う地殻変動を検出し、震源断層モデルを推定する上での重要なデータを取得することができた。また、宮城県沖の海底基準点においては、2005年(平成17年)の宮城県沖の地震(マグニチュード7.2)に伴う地殻変動を検出し、陸上のGPS観測により推定された断層モデルと整合する変動を検出することができた。
 地殻上下変動のモニタリングでは、2004年新潟県中越地震(マグニチュード6.8)の直後に行われた水準測量の結果、平成13年全国改測時の観測値と比較して断層付近の上下変動が詳細に明らかになった。重力測定については、絶対重力観測により2003年十勝沖地震時の帯広の上下変動及び2004年新潟県中越地震時の長岡の上下変動、御前崎の経年的な上下変動などの検出が行われた。

イ.東海地域

 東海地域においては、従来からの観測の継続、高度化や精度向上に加えて、より詳細な地殻活動のモニタリングに向け、新たな観測点の整備や臨時観測が行われ、これらにより地殻活動の把握が進んだ。
 精密制御定常震源システム(ACROSS)からの信号は、送信点からの距離が約80キロメートル以内であればP波、S波等がとらえられることが分かった。これは、このシステムで東海地域のプレート境界の状態を把握できる可能性を示している。また、循環型の地下水溶存ガス測定システムにより地下水溶存ガスの潮汐応答が観測されたが、これは、歪の蓄積を反映する変化が地下水溶存ガス成分に出る可能性を示している。
 地殻変動観測では、2000年(平成12年)後半頃から2005年頃まで続いた浜名湖周辺のプレート境界での長期的なゆっくり滑りの推移把握が行われ、2002年(平成14年)には一時的に減速したが2003年には再び加速したこと、また、滑りの領域が、当初の浜名湖周辺から北東方向に移動したが、依然として東海地震の想定震源域には及んでいなかったこと、また、2004年の紀伊半島南東沖の地震以後も継続していたことを明らかにした。また、同様な長期的ゆっくり滑りは、ほぼ10年の間隔をおいて繰り返してきたものであることが示された。
 東海地方を含む西南日本のフィリピン海プレートの沈み込みに沿って発生している低周波の地震や微動に関して、この低周波微動の活発な時期には短期的なゆっくり滑りも発生していることが分かり、さらに、この現象の過去の繰り返しの推移が明らかになった。これは、プレート境界において応力・歪が集中していく過程を解明するうえで重要である。また、東海地震の発生直前過程の把握のため展開されている歪計でも、低周波地震・微動を伴うゆっくり滑りをほぼリアルタイムで検知したことは、モニタリングの観点から意義がある。
 東海地震の発生直前過程の把握のため観測が続けられている地殻変動データのノイズ削減に関して、新たな補正やパラメータの調整が進められた。これらによって歪計の信号/雑音比が向上し、より微小な地殻変動の検知が可能となっている。また、三次元数値モデルによる東海地震発生シミュレーションでは、長期的ゆっくり滑りが再現できている。

ウ.東南海・南海地域

 東南海・南海地震の想定震源域における海底地震観測によって、海域に発生した地震の震源決定に関しては、陸域の観測網だけでは特に震源の深さ分解能が不足していることが明らかになった。また、気象庁一元化震源で深さ30~40キロメートル付近に分布する潮岬沖の地震活動は、海底地震観測の解析により、実際は深さ20~30キロメートルで発生していることが明らかになった。これらの地震は、沈み込むフィリピン海プレート内で発生していて、プレート上面の地震活動は見られない。また、南海トラフ沿いの微小地震活動は他の地域に比べて活動度が低いことが明らかとなった。2004年の紀伊半島南東沖の地震については、前震・本震がフィリピン海プレートのマントル内で発生していたこと、及び余震の震源が二群(フィリピン海プレートの地殻及びマントル内)に分かれていたことが明らかになった。一方、紀伊半島南東沖で実施した海底地震観測により、2004年の紀伊半島南東沖の地震発生前の観測(5月~8月)では、この地震の発生地域における地震活動は低調であったことが判明した。南海トラフ沿いで発生する超低周波地震については、CMT解の解析により、震源の深さは非常に浅く、発震機構は高角の傾斜角を持つ逆断層であることが推定された。したがって、これらの地震のほとんどは、トラフ陸側に厚く堆積する付加体内部で発生していると考えられるが、このことは反射法探査等から明らかになっている付加体内部の逆断層の発達とも整合する。また、2004年の紀伊半島南東沖の地震の発生後は、同震源域において超低周波地震が活発化したが、通常の地震活動域とは異なっているようにも見える。超低周波地震の発震機構解のほとんどは逆断層型であり、その断層面の走向は大局的には南海トラフに平行であるが、詳細に見ると海底地形の等深線によく一致していることが明らかとなった。陸側に向かって傾き下がる面を逆断層面だとすると、海溝軸より陸に向かうに従って、その傾斜角は次第に高角になるが、このことは、付加体内部の断層や分岐断層の幾何的形状ともよく合い、付加体内部での応力状態を反映したものと考えられる。また、深部低周波微動活動に伴って発生する短期的ゆっくり滑り現象については、詳細な解析の結果、微動源の移動に伴って、ゆっくり滑り域も移動していることが分かった。一方、東南海地域のプレート形状に対しては、変換波の波形解析等の新情報に基づき、紀伊半島中部におけるプレート上面の傾斜が、従来のモデルよりゆるやかとなる新たなモデルを提示した。
 GEONETと測地測量の統合解析により、2003年に豊後水道においてゆっくり滑りが発生し、その発生域が1996(平成8年)~1997年(平成9年)にゆっくり滑りが発生した領域とほぼ同一であることが明らかとなった。
 地殻活動に伴う地下水位の観測については、愛媛県道後温泉での調査によって、1946年(昭和21年)南海地震(マグニチュード8.0)の際の同温泉の水位低下は、地震時の体積歪変化で定量的に説明できることが分かった。また、和歌山県湯峯温泉での調査によって、同温泉における湧出量の激減は、1946年南海地震ではなく、1944年東南海地震によって生じた可能性が高いということが分かった。地震前の地下水位の低下については、昭和の南海地震だけでなく安政の南海地震前にも起きていたことが確認され、地震に先行するゆっくりとした滑りによるわずかな隆起によって大幅な地下水位低下が生ずる可能性が指摘された。また、1946年南海地震直前に和歌山県南部で検出された潮位変化も、地震に先行するプレート境界でのゆっくり滑りが生じたとして説明することが可能である。

エ.その他特定の地域

 宮城県沖及びその周辺海域における自己浮上式海底地震計による長期繰り返し海底地震観測のデータに堆積層補正等を施して、高精度な震源分布を求めた。「宮城県沖地震に関するパイロット的な重点的調査観測」(文部科学省委託事業)で得られた観測データを陸上観測点のデータと併合処理し、三次元地震波トモグラフィ解析を行って、宮城県沖地震の震源域における地震波速度構造を解明した。過去の宮城県沖地震に対する余震の震源の再決定を行った結果、1936年(昭和11年)の宮城県沖地震(マグニチュード7.4)とその余震について、震源決定法による震源の移動を確認した。1978年(昭和53年)の宮城県沖地震(マグニチュード7.4)については、気象庁のデータを補完するため国立天文台水沢観測所の地震計の記象紙から験測を行い、これを含めて震源を再計算した結果、震源は気象庁カタログの震源に比べ、概ね西側に求められた。有限要素法によりプレート境界域におけるプレート間結合状態の時間的変化をシミュレーションした結果、1978年宮城県沖地震以降の余効的変動からプレート間の固着状態の復帰によるバックスリップへの移行を再現することができた。2005年に発生した宮城県沖の地震時の地殻変動及びその後の余効変動については、原因となるプレート間滑りの時空間的広がりとその時間変化を地殻変動観測データから解明した。GPS観測の準リアルタイム処理については、GEONETと東北大学のGPS連続観測点を用いて半自動的に解析できるシステムが完成し、約2週間程度で北緯36度以北の全観測点の変位データが得られるようになった。プレート間滑り推定のための相似地震の準リアルタイム処理については、約3日後には解析結果が出せるようになった。
 糸魚川-静岡構造線地域における新設観測点と既存観測網の統合処理を行った結果、糸魚川-静岡構造線地域周辺の詳細な地震活動が明らかになり、一元化震源に比べて浅い地震活動の存在が明らかになった。GPS繰り返し観測の結果、糸魚川-静岡構造線地域における地殻変動の詳細な分布を明らかにした。5年間の観測データを衛星干渉SAR解析した結果、糸魚川-静岡構造線地域の地殻変動速度を推定し、その分布から変形の集中する領域の存在等を確認した。糸魚川-静岡構造線地域周辺では、諏訪湖をはさんで北と南で構造が大きく異なることが分かった。また、活動度の高い活断層の周辺でも、大部分の微小地震活動は活断層活動に直接関係づけられないことが分かった。ただし、詳細な三次元速度構造を用いた解析を行うと活断層活動と関連付けられる微小地震活動のあることも示され、活断層の活動をモニタリングするためは、高精度の震源決定が重要であることが確認された。
 南関東においては、房総アレイデータを用いた地震活動のモニタリングによって、沈み込む太平洋プレート、フィリピン海プレート、陸側のプレートの相互作用で発生する地震活動の詳細が明らかになった。2004年から2005年に南関東地域で発生した地震の詳細な震源分布と発震機構解の分布の解析、観測された地震波形の後続相の解析、地震波速度構造の解析等から、南関東地域の新しいプレート形状モデルが提唱された。また、地震規模の長期的平均と短期的平均の差から、地震活動の指標となるb値を用いて、南関東地域の地震確率が評価され、さらに、プレート境界の相似地震の分布が解明された。
 伊豆半島東部の伊東市奥野で行っていた直流法を用いた比抵抗連続観測値に、群発地震にやや先行して比抵抗が低下するという興味深い現象がとらえられた。
 北海道東部におけるGPS連続観測の結果、2005年以降の北海道太平洋側のゆっくり滑りのパターン変化を追跡し、余効滑りの時間的発展を解明した。
 鳥取県西部地域の低周波地震を例に、走査型震源決定法の有効性を検証した結果、従来の震源決定手法により求められた震源位置とほぼ同様の点が震源尤度最大の点として推定されることが判明した。

(3)地殻活動情報総合データベースの開発

ア.日本列島地殻活動情報データベースの構築

 地殻活動予測シミュレーションモデルの構築及びモデルの検証・改良のためには、日本列島域の地殻・上部マントル構造及び過去から現在までの地殻活動に関するデータは欠かすことができない。特に地震サイクル全体をモデル化するためには近年のデータだけでは不十分なため、過去のデータの活用は重要である。過去に得られたデータの整理では、地震記録、津波記録の整理、大学による地震震源データベースの整備に進展があった。過去の地震の震源の見直しによる全国地震カタログの改訂の進展も重要な成果である。また、活断層データベース、重力データベース、都市圏活断層図、地磁気データベースの整備が進んだが、これらは地震発生の場を理解するために有用なデータを提供する重要なものである。一元化処理による全国地震カタログや高感度地震観測、基盤強震動観測、強震観測等のデータベースは、地震に関するモニタリングの結果を準リアルタイムにデータベースに取り込むシステムになっており、地殻活動の監視・現状評価にも有用である。一部のデータベースは、研究者だけではなくインターネット等により一般にも公開されており、研究の社会への還元という点からも重要な成果になっている。

イ.地殻活動データ解析システムの開発

 地殻活動に関する観測データを地殻活動予測シミュレーションに取り込むためには、広域観測網からの新たな情報を取り込んで、日本列島域の地殻活動等に関する情報を実時間で更新していく必要がある。そのため、GPSや各種測量等の大規模な地殻変動観測データを、コンピュータネットワークを経由して利用し、データの表示、断層モデルの推定等を含む解析を行うことができる地殻活動総合解析システムを開発した。観測データを最新のものに更新するとともに、より使いやすいシステムになるように、毎年改良を重ねている。

2.4.今後の展望

 地殻活動予測シミュレーションモデルの構築、地殻活動モニタリングシステムの高度化、地殻活動情報総合データベースの開発の三つの小項目で、それぞれ重要な成果があった。とくに、過去の巨大地震発生系列の特徴を再現するシミュレーションが可能になったことや、プレート境界の滑りをほぼリアルタイムでモニタリングできるようになったことは、モニタリングとモデリングに基づく地震発生予測を目指す本観測研究計画の目標に向かって進展していることを示している。しかしながら、シミュレーションモデルの構築と検証のために膨大なデータを有効に利用するための手法が確立しておらず、信頼できる予測シミュレーション実現への課題は多い。今後は、個々の小項目での研究の進展とともに、小項目間連携研究がより重要になるであろう。

(地殻活動予測シミュレーションモデルの構築)

 日本列島域についても、特定の地域についても、摩擦・破壊構成則を利用した沈み込み域のプレート境界における地震発生サイクルのためのシミュレーションを行うことができるようになった。今後は、三次元粘弾性構造等も考慮して、プレート境界地震と内陸地震の相互作用を取り扱えるようなモデルに発展させることが必要である。現在の基本的なモデルを用いて、南海トラフ沿いの過去の巨大地震発生系列の特徴が説明可能であることなどの成果が得られている。また、シミュレーションと過去の地震サイクル・地殻変動データ等との比較から、プレート境界面上の摩擦パラメータの分布も推定されるようになった。
 シミュレーションから地震に先行する中短期の前駆現象に関する知見も得られたが、これらについては観測研究と連携して、実際にそのような現象がとらえられるかを調べる試みが必要である。地震発生予測のためのシミュレーションについては、いくつかの試みはあるものの、十分な信頼度を持つ予測シミュレーションができているとは言い難い。予測シミュレーション実現のためには、プレート境界面上の摩擦パラメータの正確な分布と、初期条件として与える滑りや滑り速度の分布が不可欠である。GPSデータからプレート境界面上の応力と滑り速度等の関係を計算し、これから摩擦パラメータを推定する研究などで進展があったが、プレート境界面上でのパラメータ、物理量推定に関する研究は、モニタリング等と連携して、より重点的に進めていく必要がある。さらに、破壊現象そのものに内在する非線形性に起因する現象の多様性を解明し、上に述べた予測の確からしさについての詳細な検討を進める必要がある。
 シミュレーションの高度化研究の結果、流体と破壊の相互作用を含む断層破壊の詳細な過程の理解は進みつつあるが、これを日本列島域や特定の地域などを対象とした大規模なモデルに組み込むための手法については未解決な点が多い。大規模モデルの改良につなげるという意識をより強くもって研究を進める必要がある。

(地殻活動モニタリングシステムの高度化と地殻活動情報総合データベースの開発)

 本観測研究計画期間において、高感度・広帯域・強震観測網(Hi-net、F-net、K-NET/KiK-net)、及びGPS観測網(GEONET)といった、調査観測に必要な基盤的施設の整備と拡充が行われたことに加え、これらの観測網から得られるデータをリアルタイムで研究機関間に流通する体制が確立されたことにより、日本列島全域を対象とする地殻活動モニタリングに関する各種の調査研究が飛躍的に進展した。例えば、大地震後の余効変動や、間欠的な長期的ゆっくり滑りや短期的ゆっくり滑り、さらには、深部低周波微動や超長周期地震などのような、様々な地学現象の時間的・空間的特徴が明らかとなってきた。今後は、こうした現象の発生メカニズムの解明に向けて、より高度な解析を実施していくためにも、本課題の重要性はますます増大していると言えよう。特に、将来にわたって安定した観測を継続し、良質なデータの生産と蓄積を行っていくことは、本観測研究計画全体にとって不可欠なことであり、推進本部によって進められている基盤的調査観測の役割は極めて重要である。
 東海地域や、東南海・南海地域を始めとする、特定の地域における地殻活動のモニタリングについても、地殻活動の現状把握の高度化等を目指した、推進本部による各種の重点的調査観測によって、着実な進展がみられている。特に、各海域で実施されている自己浮上式海底地震観測や海底地殻変動観測に加えて、東南海地震の想定震源域に展開される地震・津波観測監視システムの整備事業は、本観測研究計画にとっても、極めて重要な知見をもたらすものとして期待されている。また、従来から行われている地殻歪・潮位変化や地下水変動などの地殻活動観測から得られるデータを解析する手法についても、新たな補正やパラメータの調整等が進められている。その結果、短期的ゆっくり滑りをほぼリアルタイムで把握することも可能となっている。今後は、さらにプレート境界の様々な滑りについて、その位置、分布、変動等をより精度良くとらえられるような研究開発が必要となる。そのためには、従来の地殻活動モニタリングの継続、解析手法の高度化と精度向上、さらには、新たなモニタリング手法の開発が重要である。
 モニタリングシステムの高度化に伴い、観測されるデータの量が飛躍的に増加することで、注目すべき現象をその中から検出するための手法の開発・高度化が重要な課題となっている。特に、それらのデータに対する解析・検討が、広範な研究者によって円滑に実施されるようにするためには、基礎的な観測データだけでなく、モニタリングによって得られた様々な知見が、容易かつ効率的に参照・検索されるような地殻活動情報データベースの充実に向けての取り組みが、いっそう重要性を増していると言えよう。
 過去に得られた地殻活動に関するデータは順次整理されてきている。一部は、モニタリングシステムで得られているデータとともに、利用しやすいデータベースとして整備されており、インターネットなどを通じて一般にも公開され、研究成果の社会への還元に貢献している。
 地殻活動モニタリングシステムによって得られる情報は、地殻活動情報データベースとしてその利用効率が飛躍的に高まり、地殻活動予測シミュレーションモデルの構築やシミュレーション結果の検証に利用されることで、地殻活動予測の実現に寄与するものである。しかしながら、現状は、モニタリングシステムで得られ、データベースに蓄積されている膨大な情報を、地殻活動予測シミュレーションモデルの構築に十分有効に活用していない。これら膨大な情報の中から、シミュレーションモデル構築に有効なデータを抽出し、モデルに取り込む手法の開発を進める必要がある。シミュレーション、モニタリング及びデータベースの各研究課題間、研究実施者間でのより密接な連携が今後とも不可欠である。

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