第７章 「地殻活動シミュレーション手法」研究計画
１．はじめに
地殻活動シミュレーション研究の目標は，隣接するプレート同士が複雑に相互作用する日本列島域の地殻活動のシミュレーション・モデルを構築し，広域GPS観測網や地震観測網等からの膨大な地殻活動データをリアルタイムで解析・同化することにより，プレ−ト相対運動によって駆動されるテクトニック応力の蓄積から準静的な破壊核の形成を経て動的破壊の開始・伝播・停止に至る大地震発生過程の定量的な予測を行うことにある．
上記の目標を達成するためには，全国の大学及び関係諸機関が適切な役割分担の下に連携・協力し，複数の要素モデルをシステム結合した日本列島域を対象とするプロトタイプの地殻活動統合シミュレーション・モデルを構築する一方，大学等の研究グループが中心となって，以下に挙げるようなモデリング及びシミュレーション手法の高度化のための基礎研究を重点的に推進し，その成果を統合シミュレーション・モデルに逐次組み込むことで地殻活動予測シミュレーション・モデルを継続的に改良・発展させていく必要がある．
［大学等の研究グループが重点的に推進すべき基礎研究項目］
１）断層破砕帯の素過程
２）断層間相互作用
３）内陸活断層の地震発生過程
４）地殻活動データの解析・同化
５）特定地域に於ける地震発生サイクル・モデルの開発
６）日本列島域の広域変形・応力場のシミュレーション
２．平成14年度の研究成果
平成14年度の地震予知研究事業では，大学等の研究グループが重点的に推進すべきモデリング及びシミュレーション手法高度化のための基礎研究項目の内，１）の断層破砕帯の素過程に関する研究，２）の断層間相互作用に関する研究，３）の内陸活断層の地震発生過程に関する研究，５）の特定地域に於ける地震発生サイクル・モデルの開発，及び ６）の日本列島域の広域変形・応力場のシミュレーションに関する研究が実施され，以下に示すような成果が得られた．
2.1 断層破砕帯の素過程に関する研究
平成12年度からの継続課題として「地殻内流体の挙動とその地震発生に対する力学的効果に関する研究」（東京大学地震研究所[課題番号：0127]）を実施した．平成14年度は，断層内の流体の移動が地震破壊に及ぼす影響について数値シミュレーションを行い，以下の成果を得た（Yamashita, 2003）．
(1) 流体圧と流体移動速度の間の関係が非線形な場合の効果をシミュレーションにより調べたが，非線形効果は小さく，流体移動速度についてはDarcy則で十分良い精度の解が得られることを確かめた．
(2) 流体移動が地震破壊に及ぼす効果について，温度，空隙率，流体相密度，固体相密度の変化も考慮したモデル構築に向けて定式化を進めた．
2.2 断層間相互作用に関する研究
平成12年度からの継続課題として「断層間相互作用による断層成熟度の変化についての研究」（東京大学地震研究所[課題番号：0128]）を実施し，以下の成果を得た．
２つの亀裂間の動的相互作用を考慮して亀裂成長のシミュレーションを行い，形成される亀裂形状の時空間変化について考察した．主に初期亀裂の配置により，亀裂が互いに接近して合体する場合と離れていく場合があることがわかった（図１）．亀裂が合体するような配置の場合には，繰り返し発生する地震とともに断層が成長し，次第に大きな地震が起こるようになると考えられる（安藤・山下, 2003）．
2.3 内陸活断層の地震発生過程に関する研究
平成12年度からの継続課題として「下部地殻流動特性とプレート内応力の蓄積・解放過程のシミュレーション研究」（東京大学大学院理学系研究科[課題番号：0703]）を実施し，以下の成果を得た．
(1) 日本列島域周辺域の３次元プレート境界形状スタンダードモデルを完成させた（Hashimoto et al., 2003）．また，このモデルを用いて，北米，太平洋及びフィリピン海の３つのプレートが相互作用する関東地域の長期的地殻変動を計算し，下末吉期及び完新世の海成段丘面高度から推定されるこの地域の地殻隆起速度の特徴的パターンが，太平洋及びフィリピン海の二つの海洋プレートの定常的な沈み込み運動によって合理的に説明できることを示した（図２および図３）．
(2) これまでに開発した，断層強度回復のメカニズムを内包する構成則（Aochi and Matsu’ura, 2003）を用いた横ずれプレート境界での３次元準静的地震発生サイクルモデル(Hashimoto and Matsu’ura, 2003)を全長1200kmのサン・アンドレアス断層系に適用できるように拡張した．また，準静的地震発生サイクルモデルと動的地震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を行うためのモデル（Fukuyama, Hashimoto and Matsu’ura, 2003）をより大規模断層に適用するためのシミュレーションコードの改良も開始した．
2.4 特定地域に於ける地震発生サイクル・モデルの開発に関する研究
平成13年度に課題内容を一部修正した「海溝型巨大地震の地震サイクルモデリング研究」（名古屋大学[課題番号：0908]）を継続して実施し，以下の成果を得た．
(1) 西日本における準静的な応力の蓄積過程
スーパーコンピューター用大規模有限要素法ソフトウエアGeoFEM（Iizuka et al., 2002; Hirahara, 2002a; Suito et al., 2002）により西日本の海溝沿いの巨大地震発生サイクルが，内陸の地震発生におよぼす影響を考察した．とくに上部マントルの粘弾性的性質によって濃尾地震や兵庫県南部地震断層の震源域での応力の変化は，これまで弾性的モデルから予想されるものとは異なり，複雑な変化をすることが明かとなった(兵藤・平原，2002)．また，西南日本内陸での東西圧縮場およびＧＰＳ観測で発見された歪集中帯の成因について定量的解析を行った．海溝において系の緩和時間よりも長期にわたりプレート境界地震を生じないで固着しており，地殻の不均質性を考慮すれば，歪集中帯があらわれることを示した（図４）(Hyodo and Hirahara,
2003a; 2003b)．
(2) 速度状態依存摩擦則に基づく沈み込み帯３次元地震発生サイクルシミュレーション
速度状態依存摩擦則をもちいてバネ-質点系による巨大地震発生サイクルのシミュレーションを行ってきたが（光井・平原，2002;
Mitsui and Hirahara, 2003），これを発展させて，沈み込み帯３次元地震発生サイクルシミュレーションを行った．その結果，摩擦構成則パラメター等の不均一性を導入しなくても，限られたマグニチュード範囲ではあるが，Gutenberg-Richter則に近い地震規模頻度分布が得られた．これらのすべりの多様性は自発的に発生した不均質な応力分布によって生み出されているとの結果を得た(Hirose and Hirahara, 2002)．
2.5
日本列島域の広域変形・応力場のシミュレーションに関する研究
平成11年度からの継続課題として「地殻応力・歪変化シミュレーション手法に関する研究」（東京大学地震研究所[課題番号：0120]）を実施し，平成14年度は，(1)逆解析手法に基づく地殻応力変化の推定および (2)断層摩擦構成則に基づく地震サイクルシミュレーションに関して以下の成果を得た．
(1) 応力逆解析手法に基づく地殻応力変化の推定
ＧＰＳデータと応力逆解析手法に基づいて日本列島の地殻応力変化を推定し，地震活動との比較を行った．歪変化と応力変化の空間分布の食い違いから地殻の剛性率が推定できるが，剛性率が小さい地域で地震活動度が大きいことがわかった（Iinuma et al., 2002）．さらに，弾性逆解析手法に基づく応力増分推定手法の開発に着手し，数値シミュレーションにより有効性を検証している．また，GPSデータに基づいてプレート境界のすべり等を検出する新手法の開発も行った（Fukuda et al., 2002; Jin et al., 2002）．
(2) 断層摩擦構成則に基づく地震サイクルシミュレーション
平成１３年度から継続してすべり速度・状態依存摩擦構成則を用いたプレート境界地震サイクルのシミュレーションを行っている（Kato, 2002a; Kato and Tullis, 2003; Kato and Seno, 2003）．エピソディックな非地震性すべりの発生メカニズムに関連して以下の成果を得た（加藤，2003）．1)２次元断層面上に摩擦特性がすべり速度弱化を示す半径rの円形領域と，その周囲のすべり速度強化領域を仮定して，すべり過程のシミュレーションを行った．すべり速度弱化域での破壊核臨界の半径をrcとするとき，r/rcが１よりもやや小さいときにエピソディックな非地震性すべりが発生することがわかった．図５に示すようにr/rcの値が小さくなるほど発生するイヴェントの継続時間は長くなる．2)1944年東南海地震に先行する異常地殻変動は地震発生域よりも深部のエピソディックな非地震性すべりによるものと考えられているが，すべり速度・状態依存摩擦法則を用いた従来のモデルでは，地震に先行する非地震性の前駆的すべりは地震発生域の一部で発生するため上記の観測事実を説明することはできない．これを解決するために，速度VTよりも低速で速度弱化，高速で速度強化になるような摩擦特性を仮定し，深さ25 km以浅ではVT=
1 m/s，25 km以深では深さとともにVTが減少するとして地震サイクルシミュレーションを行った．図6に地震発生直前のすべり変化を示す．深さ約30 km付近で顕著な前駆的すべりが発生するが，地震性すべりはより浅部でのみ発生する．
また，断層面上にすべり速度弱化域を複数おいて地震サイクルシミュレーションを行ったところ，すべり弱化域におけるすべりの相互作用により地震発生サイクルに顕著な乱れが生じ，地震の繰り返し間隔が不規則になるような結果が得られた（Kato, 2002b）．
３．まとめ
平成14年度は，プレート沈み込みによる長期的地殻変動や内陸の歪集中帯形成メカニズムなど比較的大きなスケールの現実的モデルについて成果が得られたほか，エピソディックな非地震性すべりの発生メカニズムなど地震学的に興味深い課題に関してもシミュレーションに基づいて理解が進んだ．また，平成14年度からは，これまで開発してきたシミュレーションコードを地球シミュレータに移植する作業も始まり，今後，より大規模で現実的なモデルをによるシミュレーション研究の発展が期待される．
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図の説明（PDFﾌｧｲﾙ・152KB）
