(1)課題番号：0120
(2)実施機関名：東京大学地震研究所
(3) 課題名：地殻応力・歪変化シミュレーション手法に関する研究
(4) 本課題の5ヵ年計画の概要とその成果
(4-1) 「地震予知のための新たな観測研究計画の推進について」（以下、建議）の項目：
3.地殻活動シミュレーション手法と観測技術の開発 (1)地殻活動シミュレーション手法
(4-2) 関連する「建議」の項目 (建議のカタカナの項目まで、複数可)：なし
(4-3) ５ヵ年計画全体の目標
本研究課題では，これまで地震研究所が蓄積してきた地殻の不均質構造に関する資料とその変形過程の理解にもとづき，他大学の研究者とも協力し，全国基盤観測網資料を取り込みつつ，計算機上で数値シミュレーションを行って，日本列島の地殻応力・歪変化のモデルを構築する．このモデルによって得られた結果を実験や実際の観測値に照らし合わせて妥当かどうかを検証し，予測モデルを逐次改善しながらシミュレーションを繰り返し実施し，地殻活動や大地震についての予測モデルを構築することをめざす．
(4-4) 5ヵ年計画の実施状況の概要と主要な成果
応力逆解析手法に基づきGPSデータから地殻応力変化を推定する手法を平成１３年度までに開発した（Hori et al., 2000; 2001）．この手法を日本列島に適用して応力変化の空間分布を推定し，これを歪変化の空間分布と比較した結果，剛性率の小さい領域で地震活動度が高いことがわかった．しかし，応力逆解析手法を適用する際に，体積変形は弾性的であること，列島の海岸線の応力が一様であること，という二つの大きな仮定を設けており，問題点もある．そこで，平成１５年度には変位増分の時系列データから構成則パラメータを推定する手法，弾性係数逆解析手法，を開発した．変位増分に伴う歪増分と応力増分の間に線形性を仮定しているものの，弾性係数逆解析手法は，それ以外の仮定や境界条件を設定する必要がない．また，列島の小さな地域を他と切り離して解析することができるため，地域の地殻変動をモニタすることには適している．弾性逆解析手法を用いたＧＰＳデータの解析の第一歩として，地域毎のポアソン比の分布の推定を試みた（図１）．データに含まれる誤差により，ポアソン比が有意に決まらない地域では，ポアソン比を0としている．図に示すように，ポアソン比が地域によって変わるものの，その値は0.25前後になっており，弾性逆解析手法の有効性が伺える．歪増分から地域毎の応力増分が計算できるため，応力逆解析手法の解析結果との比較を行う予定である．平成13年度からは断層面の摩擦にすべり速度・状態依存摩擦構成則を仮定した地震サイクルシミュレーションの研究をスタートさせた．エピソディックな非地震性すべりに関する数値シミュレーションを行い，様々な時定数をもつ非地震性すべりイヴェント（Kato, 2003b），地震発生層よりも深部で発生する先駆的すべり等を理解するのに役立つ結果を得た（図２; Kato, 2003a）．さらにアスペリティの相互作用に関するシミュレーションを行い，非地震性すべりがトリガーする遅れ破壊や複雑な地震サイクルを再現することに成功した（加藤，2003a）．このモデルを用いて，1968年十勝沖地震と1994年三陸はるか沖地震が発生した三陸沖でのプレート境界地震発生サイクルシミュレーションを行った（図３; 加藤，2003b）．２つのアスペリティが同時に破壊される巨大地震と１つのアスペリティだけが破壊されるやや小さめの地震とが交互に発生し，アスペリティの外側では顕著な余効すべりが発生するなど，三陸沖での地震サイクルについてのいくつかの特徴を再現することができた．このような過去の地震サイクルを再現するようなモデルを構築する研究をとおして，プレート境界面上の摩擦構成則パラメターの推定がある程度可能なると考えられる．さらに，2003年十勝沖地震の余効すべりの時空間変化をGPSデータから推定し，その結果を用いてプレート境界面上の応力とすべり速度の時間変化を調べた．これに基づいてプレート境界面上の摩擦構成則パラメターの推定を試みた（Miyazaki et al., 2004）．
(4-5) ５ヵ年計画で得られた成果の地震予知研究における位置づけ
測地データに基づいて応力の時間変化を推定する手法の基礎が確立されたことにより，地震発生ポテンシャルを評価する際に重要な情報が得られるようになると期待できる．摩擦構成則を用いたシミュレーションはプレート境界面における様々なすべり現象を理解するうえできわめて有用であることが示され，地震発生予測のためのシミュレーションモデルの基礎が得られた．
(4-6) 当初目標に対する到達度と今後の展望
GPSデータから地殻応力変化を推定する手法の開発に成功し，これを実際の観測データに
適用して日本列島の応力変化についての議論が可能になるところまで研究は進んだ．しか
し，この手法では平面応力問題を仮定していることや適切な境界条件をどのように与える
かなど問題点もある．そこで，ひずみと応力の時系列データから構成則パラメータを推定
する手法を新たに開発した．これを応力推定の手法と組み合わせることにより，構成則パ
ラメータと応力変化の妥当な値が得られるようになる．平成16年度以降は，応力変化の推
定のための手法の改良を行い， GPSデータを利用した，より信頼性の高い日本列島の地殻
応力変化のモデルを構築することをめざす．摩擦構成則を利用したシミュレーションに関しては，エピソディックな非地震性すべりのメカニズム，アスペリティの相互作用など，プレート境界のすべり過程を理解するために重要な結果を得た．すべり過程をもっともらしく再現するモデルの構築には成功したが，地殻変動や大地震の予測のために欠かせないプレート境界面の摩擦構成則パラメターの推定については研究に着手したところである．平成16年度以降は，摩擦構成則パラメターの推定のための研究を一層推進し，現実的な予測モデル構築をめざす．
(4-7) 共同研究の有無
地震研究所堀研・加藤照研共同研究
地球シミュレーター共同プロジェクト，複雑断層系の地震発生過程シミュレーション，名古屋大学，海洋科学技術センター等
(5-1) 過去５年間に公表された主要論文（５編程度以内）
Hori, M., T.
Kameda, and T. Kato, Prediction of stress field in
Hori, M., T.
Kameda, and T. Kato, Application of the inversion method to a GPS network for
estimating the stress increment in
Kato, N. and T. E. Tullis,
Numerical simulation of seismic cycles with a composite rate- and state-dependent
friction law, Bull. Seismol. Soc. Am., 93, 841-853, 2003.
Kato, N., A possible model
for large preseismic slip on a deeper extension of a seismic rupture plane, Earth
Planet. Sci. Lett., 216, 17-25, 2003a.
(5-2) 平成15年度に公表された論文・報告
Kato, N. and T. Seno, Hypocenter
depths of large interplate earthquakes and their relation to seismic coupling, Earth
Planet. Sci. Lett., 210, 53-63, 2003.
Kato, N., Repeating slip
events at a circular asperity: Numerical simulation with a rate- and
state-dependent friction law, Bull. Earthq. Res. Inst., Univ.
加藤尚之，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，月刊地球，25, 699-703, 2003a.
加藤尚之，プレート境界面の摩擦パラメターの推定について –三陸沖のアスペリティを例として-，地学雑誌，112,
857-868, 2003b．
(6) この課題の実施担当連絡者
氏名： 加藤尚之
電話： 03-5841-5812
FAX： 03-5689-7234
E-mail： nkato@eri.u-tokyo.ac.jp
図１．弾性逆解析手法に基づきＧＰＳデータから推定した日本列島のポアソン比の分布．
図２．地震発生層よりも深部で発生する顕著な前駆的すべりのシミュレーション結果．地震発生直前のプレート境界面上でのすべりの時空間変化を示す．深さ約30km以浅では，高速度まですべり弱化の摩擦特性を仮定しているため，地震間は強く固着し，地震時に高速すべりが発生する．深さ30km付近では，高速で速度強化，低速で速度弱化の摩擦特性を仮定しているために，エピソディックな非地震すべりや前駆的すべりが発生する．これは，東海地震の想定震源域の深部延長や1944年東南海地震に先行する異常地殻変動を説明する可能性がある．
図３．三陸沖のプレート境界を想定した地震サイクルシミュレーションの結果．プレート境界面のすべり速度のスナップショットを示す．すべり速度はプレート相対運動速度で規格化し対数をとっている．(a)ですべり速度が小さく強く固着している２つの楕円状領域がアスペリティである．(e,f)では右下のアスペリティが破壊される地震が発生する．(p-u)では２つのアスペリティがともに破壊され巨大地震が発生する．
