(1) 課題番号：0908
(2) 実施機関名：名古屋大学大学院環境学研究科
(3) 課題名：海溝型巨大地震の地震サイクルモデリング研究
(4) 本課題の5ヵ年計画の概要とその中での平成14年度までの成果：
(4-1)対応する新建議の項目： ３． (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：
１．-(1)イ．； -(2)ア． イ． ウ． エ．； -(3)ウ．； -(4)ア． ；３．-(1)ア．；-(2)イ．；
(4-3) 5ヵ年計画全体の目標
すべり速度と状態に依存する摩擦構成則を用いて，日本海溝沿いの東北日本と南海トラフ沿いの西南日本を比較対照して，プレート境界面の摩擦パラメータ分布の第1世代モデルを模索し、プレート形状を考慮した2D及び3D粘弾性媒質中における地震サイクルモデルのプロトタイプを構築する．
1) スーパーコンピュタ用大規模計算GeoFEM地震サイクルモジュールの開発の一環として，WSレベルで海溝型巨大地震の地震発生サイクルの準静的モデリングを行う．すなわち，摩擦パラメータの分布並びにプレートの形状が地震サイクルに及ぼす影響の基礎的な評価を行い，地震活動パターンや地殻変動から推定されるプレート間ジオデティックカップリング等から摩擦パラメータの基本的空間分布パターンを抽出して，東北日本と西南日本における海溝型巨大地震発生サイクルのプロトタイプモデルを構築する．また，2)断層面に摩擦構成則を適用したシミュレーション実験を通じて，スロースリップと大地震の発生環境に関する知見を得て、南海トラフ沿いの巨大地震の震源過程の多様性の解明を目指す．
(4-4）5ヶ年計画の実施状況の概要と主要な成果：
日本海溝沿いの東北日本と南海トラフ沿いの西南日本を比較対照し，プレート形状を考慮した２次元及び３次元粘弾性媒質中における運動学的地震サイクルモデリング，および簡単なシステムにおける「すべり速度と状態に依存する摩擦構成則」を用いた準静的地震サイクルシミュレーションを行い，以下の長期の地震サイクルシュミレーションに関する基礎的検討を行った．
1) 運動学的地震サイクルモデリング
GeoFEM（文献[1]）地震サイクルモジュール開発の一環として，まず東北日本と西南日本における3次元粘弾性ＦＥＭモデル（図908-1）を構築し，運動学的地震サイクルモデリングを行ない以下の成果を得た．
1-1) 東北日本モデル
東北日本で観測されている最近100年間の水平歪み速度との比較から（図908-2）(文献[5])，1900年頃三陸沖でモーメントマグニチュード8.4に相当する大規模非地震性すべりが発生していた可能性を見出した(図908-3）．最近GPS観測により‘ゆっくり地震’や地震後のアフタースリップの存在が報告されているが，このように大規模の非地震性のすべりは初めての発見である．
1-2) 西南日本モデル
フィリピン海プレートの沈み込みと過去３回の南海トラフ巨大地震発生による内陸活断層面上におけるクーロン破壊応力の時間変化ΔCFFを計算し，粘弾性媒質の応答によって複雑に時間変化することが分かった（図908-4）．1995年兵庫県南部地震の発生はこのモデルで予測可能であったが，他の地震についてはモデルの高精度化を要することが分かった．次に、西南日本内陸での東西圧縮場およびGPS観測で発見されたひずみ集中帯（NKTZ:新潟—神戸変動帯）の成因について定量的解析を行った．粘弾性媒質の考慮により，関東沖から沈み込む太平洋プレートが，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ず固着していれば，内陸部へプレート沈み込みによる圧縮力を効率的に伝達することを示した．また，NKTZにひずみを集中させるには，地殻の不均質性も必要であることを定量的に示した(図908-5)(文献[2])．
2) すべり速度と状態に依存する摩擦構成則を用いた準静的地震サイクルシミュレーション
2-1)
ブロックバネモデルで単純化した南海トラフ沿いの巨大地震の発生シミュレーション
南海トラフにそって発生する巨大地震の発生サイクルをシミュレートするために，摩擦構成則に従う５つのセグメントから成るブロックバネモデルの挙動を，パラメータマッチングの方法でしらべた(図908-6)．図908-3右下の表にあるパラメータを用いて，地震サイクルのシミュレーションを行った結果，ブロックA〜Dがほぼ同時にすべる場合（図908-７左図）がかなりの頻度（２/３）で発生し，ある程度実際の南海トラフ巨大地震発生サイクルの特徴を再現することができた．図908-7右図に示したように交互にすべる場合が１/３程度発生する．南海トラフでのデータは1,000年程度であるので，定かではないが，大きく異なる地震発生サイクル状態が存在する可能性がある(文献[4])．
2-2)
沈み込み帯３次元地震発生サイクルシミュレーション
平面弾性モデルではあるが，海溝軸走行に均質な摩擦パラメータ分布を持つ沈み込み帯における，３次元地震発生サイクルシミュレーションを行い、海溝沿いの長さHと地震発生様式の変化を調べた．その結果，(1)海溝沿いの長さ(H) <300kmでは、走向方向の中央部で発生する固有地震が周期的に発生するのに対し，(2)400km<H<800kmでは、遷移的な傾向を示した（図908-8）．(3)H=1000kmでは、色々な場所で色々な大きさを持つ通常の地震とゆっくり地震が発生した．(2)と(3)の場合には、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, という結果を得た(文献[1])．
2-3) 南海トラフ巨大地震発生サイクルシミュレーション
平面弾性モデルではあるが，フィリピン海プレートの沈み込む3次元形状に対応した摩擦パラメータ分布を設定し，GPSで観測された2-6cm/年の沈み込み速度を与え,南海トラフ巨大地震発生サイクルシミュレーションを地球シミュレータを用いて行った．その結果，紀伊半島沖が破壊の開始点になる可能性が高いことを見出した．
(4-5）5ヶ年で得られた成果の地震予知研究における位置づけ：
地震予知研究では，観測研究の成果に基づき地殻活動の物理モデルを構築し，それに基づいて予測シミュレーションを実現することを目標にしている．本研究では，GeoFEMソフトウェアを用いて東北日本や西南日本における3次元粘弾性不均質FEMモデルを構築し3次元粘弾性不均質構造の影響を見積もり，アスペリティーを表す摩擦パラメータ推定法を簡単なシステムを用いて実現する手法を検討した．本研究は，海溝型巨大地震発生の長期予測を目指した準静的地震サイクルシミュレーションを高精度化するための基礎的研究と位置づけられる．
(4-6）当初目標に対する到達度と今後の展望：
すべり速度と状態に依存する摩擦構成則を用いて，プレート境界面の摩擦パラメータ分布の第1世代モデルを模索し、プレート形状を考慮した3D粘弾性媒質中における地震サイクルモデルのプロトタイプを構築することが当初目標であった．本研究では，運動学的地震サイクルモデリングにより3D不均質粘弾性の地震サイクルに影響を見積もり，簡単化したブロックモデルや弾性平面断層におけるすべり速度と摩擦構成則を用いた地震サイクルシミュレーションにより摩擦パラメータ分布による相互作用の見積もりを実行した．3次元不均質粘弾性構造における摩擦構成則を用いた地震サイクルモデル構築には至らなかったが，平成16年度以降そういったシステムを構築し，アスペリティーに対応する摩擦パラメータ分布を推定する手法への手がかりを得た．
(4-7) 共同研究の有無：
・主として「地球シミュレーター計画」によっている
(5) この研究によって得られた成果を公表した文献のリスト
(5-1）過去5年間に発表された主要論文（５編程度以内）：
Hirose, H. and K.
Hirahara, A model for complex slip behavior on a large asperity at subduction
zones, Geophys. Res. Lett., 29, 22,
2968, 10.1029/2002GL015825, 2002.
Hyodo, M. and K. Hirahara,
A viscoelastic model of interseismic strain accumulation in Niigata-Kobe
Tectonic Zone of central Japan, Earth Planets Space, 55, 667-675, 2003.
Iizuka, M., D. Sekita, H.
Suito, M. Hyodo, K. Hirahara, D. Place, P. Mora, O. Hazama and H. Okuda,
Parallel simulation system for earthquake generation: fault analysis modules
and parallel coupling analysis, Concurrency
Computat.: Pract. Exper., 14, 499-519, 2002.
Mitsui, N. and
K. Hirahara, Simple spring-mass model simulation of
earthquake cycle along the Nankai trough, southwest
Suito, H., M. Iizuka and
K. Hirahara, 3-D viscoelastic FEM modeling of crustal deformation in northeast
(5-2）平成15年度に公表された論文・報告：
Yamauchi, M.,
K. Hirahara and T. Shibutani, High resolution receiver function imaging of the
seismic discontinuities in the crust and the uppermost mantle beneath southwest
Japan, Earth Planets Space, 55, 59-64, 2003.
平原和朗・水藤尚・兵藤守・光井能麻・飯塚幹夫・殷峻・加藤尚之・宮武隆・堀高峰，GeoFEM地震サイクルシミュレーション, 月刊地球, 25, 694-698, 2003.
平原和朗, GeoFEM 地震サイクルシミュレーション，地球惑星科学関連学会2003年合同大会予稿集，CD-ROM，J-63-007、2003.5.27.
平原和朗, 複雑断層系の地震発生過程シミュレーション，地球惑星科学関連学会2003年合同大会予稿集，CD-ROM，U-062-008,
2003.5.27.
平原和朗，複雑断層系の地震発生過程シミュレーション，地球シミュレータ平成15年度利用報告会，東京,2004.
光井能麻・平原和朗、Rate- and State-dependent friction
law を用いた数値シミュレーション上で起こるスロースリップイベントの発生メカニズム、地球惑星科学関連学会2003年合同大会予稿集，CD-ROM，S044-P010、2003.
兵藤守・平原和朗, 中部日本内陸に存在する歪集中帯への歪・応力蓄積過程のモデル化，地球惑星科学関連学会2003年合同大会予稿集，CD-ROM，S075-006, 2003.
平原和朗・加藤尚之・宮武隆 ・堀高峰・兵藤守・和田義孝・光井能麻・殷峻・宮村倫司・仲間豊・金井崇・飯塚幹夫，複雑断層系の地震発生過程シミュレーション, 地球シミュレータ平成15年度利用報告会，東京,2004.
(6) この課題の実施担当連絡者：
氏名：平原 和朗
電話：０５２-７８９-３６５１ //FAX：０５２-７８９-３０３３
E-mail：hirahara@eps.nagoya-u.ac.jp
