第５章 「地震時及び地震直後の震源過程と強震動」研究計画
１．はじめに
地震の破壊過程や強震動の生成を考える上で断層の不均質性は重要なファクタであり、地震予知の観点からは破壊の開始域とアスペリティ域、さらにはその周辺領域の摩擦すべり特性の違いなどが特に重要である。本研究計画では地震時の震源破壊過程を詳しく調べることにより、断層面上のアスペリティ分布を解明するとともに、この分布より地震発生前の震源域の状態（応力や強度の分布）の再現をめざす．このような詳細な破壊過程を調べるために近地の強震計データは必要不可欠であり、その解析において不均質構造の影響を定量的に評価することが重要である。高精度の震源のモデル化と同時に、地下構造の不均質性のモデル化を平行して行い、強震動発生のメカニズムを明らかにする。
２．成果
2-1．アスペリティに関する研究
本研究計画の推進により、アスペリティの分布が時間的に変わらないことが明らかになった（永井・他, 2001; 山中・菊地, 2002a; 図１）．このことは，アスペリティを場の一つの特性として捉えることが可能であることを示し，構造に起因する様々な物理量との相関を示唆するものである．この観点から解析結果の整理を行い，以下の知見を得た．(1)近接する複数のアスペリティは連動することがある．(2)余震はアスペリティの周辺域に多い．(3)アスペリティは非地震性すべり域（常時すべり・間欠すべり・余効すべりを含む）と隣り合わせであることが多い．(4)アスペリティは地震活動度の低い領域，ｂ値の小さい領域と良い相関をもつ（Kikuchi et al., 2003; Yagi and Kikuchi, 2003）．これらの知見は主に東北地方や南海トラフのプレート境界地震の解析結果に基づいている。北海道地方も同様のアスペリティ仮説が成り立つことがわかったが（山中・菊地, 2002b）、浅い部分ではアスペリティの大きな地震が起こるのに対し，プレートの沈み込み角が急になっている部分ではＭ７程度の比較的規模の小さい地震しか起きていないなど，地域に特有の性質も明らかになった。このほか、動的モデルに基づく断層破壊の解析的研究も行った（東京大学地震研究所［課題番号：0111］）。
内陸の活断層については，海溝型プレート境界の地震と同様のこうした考え方が適用できるかどうかは不明であり，現状では事例を蓄える段階にある．2001年崑崙地震（Lin et
al., 2003）や，2002年アラスカ・デナリ地震の震源過程解析を行った．一方、2000年鳥取県西部地震 (Mw6.6) では本震前の地震活動と本震の破壊過程の不均質性について重要な情報が得られた。地震後に設置された59カ所の臨時観測点からは多数の余震の記録を得ることができた。本震の前後の地震の震源は3-D速度モデルを使って高い精度で決定された。本震の前の地震活動は本震の震源近くと本震による大きなすべり（アスペリティ）の縁に集中している（Shibutani et al., 2002; 図２）。一方、余震ははっきりと北西方向の断層に沿って起きており、発震機構は主として本震と同様の横ずれを示している。しかし、P軸の方位分布には地域性がある。また、震源断層近傍の不均質構造と本震時のすべり分布を比較した結果、大きなすべりを持つ領域は高速度異常域を避けるように伝播したことがわかった。本震に近い場所の高精度記録を解析すると、本震は比較的小さな活動 (Mw5.5) から始まり、約2.5秒後に南東に５キロの地点で大きなすべりが起きてほとんどのモーメントが解放されたことがわかった（京都大学防災研究所〔課題番号：0210〕）。また，2000年鳥取県西部地震の運動学的震源過程モデルから動的パラメータの推定を行い，特性化震源モデルのアスペリティ及び背景領域の応力降下量についての知見を得た（岩田・関口, 2002）．
2-2．活断層における地震活動の評価
山崎断層、および近畿地方の人口集中地域に被害をもたらす可能性のあるいくつかの場所でいろいろな観測を行なった。特に断層の不均質性を解明するために微小地震と歪の観測に重点をおいた。山崎断層では新しく井戸の水位と水温の観測が行われ、大沢に新しい伸縮計が設置されたほか、微小地震のhydrophone記録がとられるようになった。これらは、これまで行われてきた地震活動の記録と安冨の歪み計に新たに加えられたものである．大沢では2002年６月にわたって小さな歪みの変化が観測され、これは山崎断層の一部地域で数ミリのすべりが起きているものと解釈された。歪計のある安冨と小沢では、遠い地震による歪みステップの分析から、山崎断層の物質的構造に由来すると思われる不均質性が示された。毎年行われるGPS観測によれば、山崎断層では年に数ミリの動き（おそらく左横ずれ）が見られる。高い精度での微小地震の震源決定とｂ値の研究は将来の大地震の際にどこで大きなすべりが起きるかを探るために行われている。また、重力と密度の観測は歴史的な断層運動を考慮しつつその構造を探ることに貢献している。花折断層（京都市東端）では年２回GPS観測が行われ、1〜3mm/年程度の不均質な動き（おそらく回転）が見られた。また井戸の水位と水圧の観測は近畿地方の5カ所において、産業総合研究所と協力して行われている（京都大学防災研究所〔課題番号：0210〕; 渡辺, 2002）。
2-3．震源過程解析手法の高度化
震源過程の解析手法を高度化するため，３次元不均質地下構造でグリーン関数を並列計算する強震動シミュレーション法を，擬似スペクトル法と差分法のハイブリッド（Furumura et al., 2002）およびボクセル型有限要素法（Koketsu and Ikegami, 2002）に基づいて開発した．このシミュレーション法で計算されるグリーン関数を用いて，まず，この高度化の精度の確認のために，震源過程の波形インバージョンの数値実験を行った．その結果，震源直下の速度構造を仮定することにより，１次元構造のグリーン関数でもＰ波，Ｓ波は説明できるが後続波は説明できないこと，従って，精度の高い震源過程を得るためには３次元構造の考慮が必要であることが示された（八木・古村, 2002）．
また，大阪平野の三次元地下構造モデル（Afnimar et al., 2002）に対して地殻変動と強震動のグリーン関数を計算し，1995年兵庫県南部地震の震源過程を再解析した．グリーン関数はボクセル型有限要素法による並列計算で求めた．得られた結果を，水平成層構造または半無限媒質のグリーン関数を用いた結果と比較すると，地殻変動はグリーン関数の変化が小さく，そのインバージョン結果も変化が小さい．これに対して強震動は，地下構造モデルによりグリーン関数が大きく変化するため，インバージョン結果も大きく変化した．その結果，図３のように，被害の集中した神戸市街地の真下で大きなすべりが復元された．このことは地震被害が単に地下構造だけの問題ではないことを示唆している（東京大学地震研究所［課題番号：0111］；大野・他, 2002）．
2-4．強震動シミュレーション
精度良い強震動予測のためには，アスペリティの位置や大きさを適切に仮定することが必要であるが，地震活動や歪み観測などから推定できると考えられる歪みの蓄積の不均質性は，その仮定のために重要な情報を提供する．山崎断層と琵琶湖西岸断層の地震シナリオについて、アスペリティの位置や大きさを仮定し，波形とその結果としての震度が計算された。シミュレーションによるとMw7.1の地震の場合、山崎断層付近では震度６、山崎町では震度５となっている（図４）。琵琶湖西岸断層ではMw6.5の場合、琵琶湖西岸に沿って震度６強、大津地区で震度５となる。また、和歌山県で行われた小さいアレイ観測はサイト・リスポンスの研究に使われ、Ｑ値と散乱によるサイト・レスポンスが決定された。これは地震の際の揺れのレベルに影響を与える重要な要素である（京都大学防災研究所〔課題番号：0210〕）。
３次元的に不均質な地殻・マントル構造と、不均質な断層滑りモデルを組み込んだ，高精度並列シミュレーション法を開発し、地球シミュレータを用いた波動伝播と強震動の大規模並列計算を行った。また、波動伝播と強震動の生成過程をよく理解するための３次元波動場の可視化技法の開発を行った。並列波動計算コードを用いて、2000年鳥取県西部地震、（Furumura
et al., 2003; 図５）と1944年東南海地震や想定東海地震の強震動シミュレーションを実施し、震源域近傍の震度や関東平野の厚い堆積層での周期5〜10秒の長周期地震動の生成を詳しく評価した。数値シミュレーションから逆に過去の被害地震の震源モデルを推定する試みとして、1855年安政江戸地震（Ｍ７）の震度計算を行った。計算から求められた震度分布と観測値との比較から、浅い地殻内地震を仮定したものが観測をよく説明することを示した。
このほか、首都圏における各種強震ネットワークを糾合するシステム構築を行った。このシステムにより得られた波形記録を解析し、不均質な地下構造が強震動の伝播に及ぼす影響を明らかにした（Koketsu and Kikuchi, 2000）．また、国府津松田断層帯・足柄平野をテストフィールドとし、震源モデルの特定と周辺部の三次元不均質構造の解明を目的とした地下構造探査を実施した．平行して開発を進めたインバージョン手法を用いて屈折法探査データの解析を行ったり、国府津松田断層に起因して発生した地震波をシミュレーション波形と比較するなどにより断層形状を考察して、三次元的に不均質な地下構造モデルを構築した（東京大学地震研究所［課題番号：0111］）。
３．まとめ
大地震の複雑な破壊過程を詳しく調べた結果を通して、震源域及びその周辺の状態を評価することを可能とし、地震発生予測の基礎研究に貢献した。また、地震の破壊過程の複雑さの予測や、震源域で生成される強震動の推定への道筋を示した。地震予知研究の大きな課題の一つは強震動のレベルを予測することである。強震動は断層ゾーンの不均質性と破壊過程によって規定される。われわれはこの問題に様々な角度から取り組んだ。大地震が予測される断層ゾーンの不均質性を調べるために地震活動と歪みの蓄積を研究するとともに、実際の地震の破壊過程で得られた波形をもとに不均質性を調べる研究も行った。
文献
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