金曜日セミナー 2014 年度の予定／記録

断層面で繰り返し発生する相似地震は、その場所に固着・滑りを繰り返す性質のパッチが 存在していると解釈するのが自然であり、天然断層が不均質である事を示す一例であろ う。繰り返し相似地震は、例えば Chen and Lapusta [2009] らにより、速度・状態依存 摩擦構成則（RSF）と動弾性の相互作用によるモデリングがなされている。東北地方太平 洋沖地震後の大規模な余効滑りの時期に、日本海溝沈み込み帯において数多くの繰り返し 相似地震が発見された[Kato and Igarashi, 2012]。沈み込み帯の地震に関する物理モデ ルの構築とその大規模数値計算は言うまでも無く重要課題である。しかし実験室で （ひょっとしたら）拘束可能かも知れない cm スケールの摩擦構成則を用い、これら繰り 返し相似地震全てを解像する数値計算を行う事は現実的では無い。そこで重要となるの は、天然断層の摩擦構成則のスケール効果の理解と、取得可能な情報から大規模数値計算 に用いる事のできる巨視的摩擦構成則を制約する手法の開発である。これらが未知のまま では、天然の再現はパラメータのチューニングに依るのみであり、可調性の高い系を扱う 上ではモデルの妥当性・パラメータ分布の信頼性を議論する事は困難であろう。また、小 スケールの素過程の理解を巨視的挙動の制約に用いようとするアプローチの正当性を議論 する上でも、スケール効果の理解は決定的に重要である。本研究では以上の現状を鑑み、 摩擦のスケール効果の理解を進める為に発表者が行っている数値実験を紹介し、その予察 的結果を議論する。平面断層を仮定し、断層面は微視的には実験室で得られるような摩擦 構成則（RSF, Aging law）に従うとする。状態変数の発展の滑りスケール（L）はサブミ リメートルとする。その上で繰り返し相似地震の発生する円形の速度弱化パッチ（直径 100 m 程度）が速度強化の断層面に周期的に分布している場合を考え、その様な内部不均 質を含む断層を遠方から与えた背景応力（垂直応力 σ、剪断応力 τ₀）で駆動す る。即ち、内部に不均質を含む断層に対し、応力をコントロールした摩擦実験を動的地震 サイクルの計算[e.g., Noda and Lapusta, 2010]を用いて数値的に行う。τ₀ を固定 した場合、微視的には速度弱化パッチにおける地震サイクル（固着→剥がれの進行→不安定 挙動破壊核形成→動的破壊伝播→再固着）が繰り返すが、十分長い時間スケールと空間平均 の滑りを見ると、断層は定常滑り速度 Vpl で変位する。計算結果として得られる Vpl と 与えた背景剪断応力 τ₀ の関係は微視的に仮定したのと同様の対数的な物となる。し かし巨視的断層挙動は微視的に与えた摩擦パラメータ（f₀, A-B）の空間平均から予想さ れる物と比べ（わずかではあるが）より弱く、より速度強化となる事がわかり、その度合 いは地震性パッチの脆性度（半径/破壊核半径）が高くなるにつれ顕著になる事がわかっ た。内部不均質に依る断層の弱化は、剪断応力の空間積分がほぼ拘束されている点と摩擦 則の非線形性から理解が可能である。背景剪断応力 τ₀ を時間的にステップ状に変化 させた場合、巨視的定常状態間の遷移が起こるが、その遷移を RSF に応力ステップを与 えた場合と比較する事によって、遷移に関するパラメータ（A, B, L）の実効的な値を見 積もる事ができる。数値実験の結果、巨視的断層は微視的なパラメータに比べて実効的に 低い A, Bと長い L を持つ事がわかった。L は教科書的には「微視的アスペリティが更新 する滑りのスケール」と解釈されるが、本数値実験のシステムでは繰り返し相似地震を発 生するパッチが「微視的アスペリティ」として働いている物と思われる。本システムはパ ラメータが多く、空間周期性の緩和やより複雑な微視的摩擦則の導入等、多数の今後の課 題が存在するが、本研究が「cm スケールの摩擦則」、「巨視的摩擦則」、「地震学的可 観測量」の関係（もしあれば）を明らかにする端緒となれば幸いである。

Finite-fault source inversions estimate kinematic rupture parameters of earthquakes using a variety of available data sets and inversion approaches. Rupture models are obtained by solving an inherently ill-posed inverse problem, subject to numerous a priori assumptions and noisy observations. Despite these limitations, near real-time source inversions are becoming increasingly popular, while we still face the dilemma that uncertainties in source inversions are essentially unknown. Yet, the accurate estimation of earthquake rupture properties, including proper uncertainty quantification, is critically important for earthquake seismology and seismic hazard analysis, as they help to adequately characterize earthquake complexity across all scales. The "Source Inversion Validation" (SIV) project (http://equake-rc.info/sivdb/wiki), a collaborative international multi-institutional effort, attempts to quantify the intra-event variability in rupture models (see for example the SRCMOD database, http://equake-rc.info/srcmod), and to propose robust uncertainty metrics for earthquake source inversions. The SIV efforts include a rigorous testing platform to examine the current state-of-the-art in earthquake source inversion (http://equake-rc.info/sivdb), and to develop and test novel source inversion approaches. In this presentation, I will describe the SIV-efforts, past and current SIV-benchmarks, and summarize SIV results obtained so far. I will also present the latest benchmark, and outline planned developments. In addition, I will describe several quantitative metrics that we have developed to quantify the similarity (or dissimilarity) of kinematic source properties (e.g. slip on the fault) that help to assess the quality and model robustness of finite-fault source models.

これまで、建物の地震災害軽減、特に鉄筋コンクリート構造の地震被害軽減に向 けて研究を実施してきた。具体的には、個々の建物部材の部材性能 試験のみな らず、構造物を組み上げて実施する振動台実験や建物の強震観測を行い、建物全 体としての耐震性能評価について研究を重ねてきた。ま た近年では、先端研究 としてJ-PARCを用いて、中性子によるコンクリート内の鉄筋応力の計測について の研究も実施している。更に、日本建 築学会災害委員会での活動を中心に、国 内外での地震被害調査を実施してきた。また、国際的には、JICAを通じて、ペ ルー・エルサルバドル・ トルコ・ルーマニア・フィリピン・メキシコ等におい て共同研究を含む現地活動を行ってきた。 本セミナーでは、これまでの自己の活動を振り返るとともに、今後の展望と予定 している研究活動について紹介したい。

私はこれまで、不均質媒質内における地震波伝播と媒質の物性や状態、およ びそれらの時間変化に対する地震波の応答、地震波動データの解析手法や波 動場を用いた構造イメージング手法に関する研究を行ってきた。地震・火山 噴火現象の理解、および地殻活動の予測に向けた物理モデルの構築という大 問題に対しては、波動現象の理解を通じた地下の構造と物性の推定と監視と いう観点から、(1)地殻の浅部から深部に至るマルチスケールな構造の解明、 (2)プレート境界や断層の形状と物理特性の空間分布の推定、(3)プレート境 界や断層の固着特性と応力蓄積の推定とモニタリング、といった課題に対し て寄与することを目指している。 最近は、地殻深部およびプレート境界へアクセスするために、自然地震の波 形から構造情報を抽出する解析法、特に実体波を用いた決定論的地震波干渉 法の研究を行っている。地下のモニタリングには、自然地震や雑微動を信号 源に用いる方法も目的に応じて利用可能であるが、精密制御定常信号システ ム（ACROSS）を用いた能動的モニタリングが精度および信頼性の観点から有 力であり、東海地域においてフィリピン海プレート境界におけるスロースリ ップイベントや深部低周波微動などを対象とした長期連続モニタリングを継 続している。また、高度な構造解析手法である波形インバージョンについて も、人工地震探査記録だけでなく、自然地震やRF、干渉法、ACROSSとの融合 を視野に入れて研究を再開した。これらにより、プレート境界の物性やその 不均質性、空間分布に地震学的観点から制約を加えることができるかもしれ ないと考えている。 セミナーでは、これまで実施した主に東海地方における人工地震探査、自然 地震観測による構造解析、およびACROSSを用いた能動的モニタリングの成果 を紹介し、今後の展望について議論したい。

Insights on the rupture process of earthquakes can come from exhaustive analyses, where the number of earthquakes enables the extraction of generic behaviours, or from detailed studies of well-instrumented earthquakes, where specific or unusual characteristics can be determined.

An exhaustive view of the earthquake source can be based on the study of the moderate-to-large magnitude seismicity (above magnitude 5.5-6), well recorded by the global broadband networks (IRIS, Geoscope…) since the beginning of the 1990’s. This represents today a representative catalogue of several thousands of earthquakes, for which the behaviour of the earthquakes can be studied as a function of - for example - magnitude, depth or tectonic context. The detailed analysis of each event of this catalogue is likely out of reach, but some robust characteristics can be extracted from the moment rate functions (or source time functions – STFs). We will here briefly explain one of the techniques able to retrieve these STFs (SCARDEC method; Vallée et al., 2011), before showing how these STFs inform us about generic behaviours of the rupture process. Stress drop, strain drop or seismic energy are physical quantities that can be robustly estimated from STFs, and we will explore how the earthquake context affect these values. A special focus will be put on the influence of depth, which indicates that the strain drop does not change significantly with magnitude and depth (Vallée, 2013).

The latter approach finds its limits when we want to detect more than integral characteristics of the rupture process. In this case, other approaches (array analysis, empirical Green function techniques…) and geophysical data (strong motion records, geodesy) can be used in order to finely describe how rupture developed on the fault plane. These detailed analyses are able to detect specific properties of the earthquake process, as the existence of supershear velocities (e.g. Vallée and Dunham, 2012), the delayed rupture of some seismic asperities or the fact that simple earthquake recurrence models may fail in predicting earthquake repeat times (Vallée and Satriano, 2014).

References :

Vallée, M., J. Charléty, A.M.G. Ferreira, B. Delouis, and J. Vergoz, SCARDEC : a new technique for the rapid determination of seismic moment magnitude, focal mechanism and source time functions for large earthquakes using body wave deconvolution, Geophys. J. Int., 184, 338-358, 2011.

Vallée, M., and E.M. Dunham, Observation of far-field Mach waves generated by the 2001 Kokoxili supershear earthquake, Geophys. Res. Lett., 39, L05311, 2012.

Vallée, M., Source time function properties indicate a strain drop independent of earthquake depth and magnitude, Nature Communications, doi: 10.1038/ncomms3606, 2013.

Vallée, M., and C. Satriano, Ten-year recurrence time between two major earthquakes affecting the same fault segment, Geophys. Res. Lett., 41, 2312-2318, 5, 2014.

Ambient noise is made of seismic waves whose sources are not controlled, and provides a continuous excitation of the material at test : the subsurface. When operated together, ambient seismic noise correlation, passive image interferometry, seismic doublets and coda waves interferometry are techniques that can monitor very tiny mechanical changes occurring in the subsurface. These changes develop as variations of apparent seismic velocity, which are connected to external forcing including: temperature, moisture and hydrological content… Internal forcing include tectonic, stress, damage and aging... In this paper we will review different examples of application of ambient noise monitoring in different domains and scales, including rock fall, landslides, basin, ….

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