「地殻活動シミュレーション手法」研究計画に関する自己評価
1) 実施計画
1-1) 実施計画の概要
地震予知に於ける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予測を行うことにある．
上記の目標を達成するために，全国の大学及び関係諸機関が連携・協力して，複数の要素モデルをシステム結合した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，「新たな観測研究計画」では，大学等の研究グループが中心となって以下に挙げる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，その成果をプロトタイプ・モデルに逐次組み込むことで地殻活動統合シミュレーション・モデルを継続的に改良・発展させていく．
［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の解明とモデル化
２）断層間相互作用に関するシミュレーション
３）内陸活断層の地震発生過程のモデル化
４）地殻活動データの解析・同化手法の開発
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
1-2) 計画の必要性および建議との関連性
地震発生に至る地殻活動の全過程を把握し，地震予知の精度を向上させるためには，「新たな観測研究計画」の建議の４本柱の一つとして明記されているように，観測から得られる膨大なデータを総合的に活用して地殻活動の現在の状況を明らかにすると同時に，その推移を予測するための大規模シミュレーションの手法を開発する必要がある．
こうしたシミュレーション研究の最終目標は，プレートが複雑に相互作用している日本列島域の地殻活動シミュレーション・モデルを構築し，基盤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，地震発生の物理過程に関する基礎研究の推進並びに広域地殻活動モニタリング・システムの高度化に加え，膨大な観測デ−タの同化と複雑な理論モデル計算の併合を可能とする大容量情報通信網及び超高速並列計算機の整備・開発が不可欠である．幸いなことに，我が国では「地球シミュレーター計画」の下に現在のスーパー・コンピューターの約1000倍の能力を持つ超並列計算機の開発が平成13年度末の完成を目標に進められている．更に，この計画に関連して「高精度の固体地球変動予測のための並列ソフトウェア開発に関する研究」が平成10年度からの５ヶ年計画で科学技術振興調整費総合研究として進められており，その中には「日本列島域の地殻活動の並列シミュレーションに関する研究」及び「３次元不均質場での地震発生過程と地震波動伝播の並列シミュレーションに関する研究」が中心的な研究項目として位置づけられている．
しかしながら，科学技術振興調整費総合研究で開発中の地殻活動統合シミュレーション・モデルはあくまでもプロトタイプ・モデルであり，その地震予知への応用を目指した高度化に向け，大学及び関係諸機関が適切に役割を分担しつつ密接に連携・協力していく必要がある．具体的には，現在進行中の科学技術振興調整費総合研究では，複数の要素モデルをシステム結合して日本列島域を対象とする統合シミュレーション・モデルを構築する．一方，「新たな観測研究計画」では，大学等を中心とする中小規模の研究グループが1-1）で挙げた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推進し，その成果を改良要素モデルとしてプロトタイプ・モデルに逐次組み込むことで地殻活動統合シミュレーション・モデルを継続的に改良・発展させていく必要がある．
1-3) 具体的目標
「新たな観測研究計画」の建議が半年ほどずれ込んだため，特に新研究項目であるシミュレーション手法の開発に関しては，建議の内容を実施する体制が充分整わないままスタートせざるを得なかった．実際，初年度（平成11年度）から予算措置された研究課題は，1-1）で挙げた基礎研究項目の内で，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のみであった．その後，平成12年度は内部措置により，平成13年度からは正規に予算措置されて，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及び３）の内陸活断層の地震発生過程に関する研究が実施されるようになった．これらの研究課題の具体的目標は，以下の通りである．
(1) 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
断層破砕帯内の流体移動が地震活動に及ぼす影響の解明は，見かけ上複雑な地震破壊現象を統一的視点に立ってモデル化し，前震や余震の発生過程を理解する上で重要である．このような基本的認識に立って，３次元的に分布した流路や破壊要素の効果を考慮に入れた流体移動と地震破壊発生の間の相互作用についてのシミュレーション手法の開発と計算を行う．
(2) 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
幾何学的に複雑な形状をした断層で地震破壊が繰り返し発生すると，断層要素間の複雑な相互作用により，場合によっては分岐や結合が生ずる．その結果として，大地震の発生様式は時間と共に変化するはずである．このような考えに基づいて，断層形状の複雑さを正面からモデル化する手法を開発し，断層間相互作用による断層成熟度の変化に関するシミュレーションを行う．
(3) 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
内陸活断層での大地震の発生過程をモデル化するには，活断層の深部構造と下部地殻の力学的特性を解明する必要がある．これ迄の地震学的・測地学的・地形学的観測事実から，下部地殻は水平方向と鉛直方向で異なる流動特性を持つ粘弾性物体であると考えられる．下部地殻のこのような異方的流動特性と活断層深部の現実的な構造及び摩擦特性を考慮に入れ，内陸活断層での応力蓄積・解放過程のシミュレーション・モデルを構築する．
(4) 地殻応力・歪変化シミュレーション手法に関する研究
等価介在物法などの工学的手法に基づく応力の推定法を開発し，その手法を国土地理院のGPS全国観測網データに適用して日本列島域の応力場の推定を行う．また，その推定結果を地震のメカニズムやS波の偏光異方性データ等と比較することにより，日本列島域の地殻内応力場を解明する．更に，３次元有限要素法等の工学的手法を用いて，プレートの相対運動による３次元応力場・変位場の数値シミュレーションを行う．
2) 主要な成果の概要
2-1) 主たる成果
(1) 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（平成12年度
から開始）
・余震の発生に流体が及ぼす影響について数値シミュレーションを行い，大森公式およびグーテンベルグ・リヒターの式が統一的に再現できることを示した．
・グーテンベルグ・リヒターの式を満たす地震は繰り返しすべりを起こしている破壊であることがわかった．
・余震系列については，初期には比較的大きなイベントが起きる傾向があるなど，観測事実と調和的な結果が得られた．
・複数の流体源があったり，未破壊領域の透水性がゼロに近いような場合は，二次余震が生じ得ることがわかった．
(2) 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（平成12年度から開始）
・互いに平行ではあるが同一平面上にはない亀裂の動的な合体過程のシミュレーションを行い，一定速度で進むSH型亀裂の場合の相互作用を明らかにした．
・強度や応力降下量分布に不均質がある場合，或いは亀裂が任意形状をしている場合の数学的定式化を進めた．
(3) 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（平成12年度後期から開始）
・内陸活断層の地震発生過程のモデル化に向けた基礎研究として，異方的な流動特性を持つ粘弾性物体の力学的応答の定式化とそれに基づく数値計算アルゴリズムの開発を進めた．
・比較のために，既に開発済みの弾性−粘弾性成層構造モデルのプログラムを用いて，薄い粘弾性中間層が介在する場合の内部変形シミュレーションを行った．
(4) 地殻応力・歪変化シミュレーション手法に関する研究（平成11年度から開始）
(a) 逆解析手法に基づく地殻応力場の推定
・GPS観測網データから日本列島域の地殻応力を推定するためのグリーン関数のスペクトル分解に基づく逆解析理論を構築した．
・応力成分を生成する応力関数を推定するための逆解析理論を構築し，最小二乗法推定による平滑化では消去される局所的な変形の変動を計算できるようにした．
(b) ３次元有限要素法に基づく日本列島の応力場の推定
・日本列島域の３次元有限要素法モデルを構築し，プレート運動を外部境界条件としてGPS観測網データから推定される日本列島域の変位速度場を再現した．
・上記モデルを用いて，日本列島域の地殻及び上部マントルの３次元応力場を推定した．
2-2) 大学以外の機関による重要な成果
科学技術振興調整費総合研究の第I期（1998-2000）では，全国の大学（東京大学理学系研究科，同地震研究所，千葉大学理学部）及び関係諸機関（防災科学技術研究所，建築研究所国際地震工学部，国土地理院，気象庁気象研究所）に所属する研究者が共同して，日本列島域を対象とする地殻活動統合シミュレーション・モデルの開発に関する研究を推進し，以下の成果を得ている．
(a) 地殻活動予測の統合並列シミュレーション・モデルの開発
・日本列島域の地殻・マントル構造に関して，中解像度（6分メッシュ）のプレート境界形状モデルを開発する一方，プレート境界の摩擦特性を規定する構成則の環境条件依存性を実験的に定量評価し，地震発生場における構成パラメータの深さ分布モデルを作成した．
・地震発生サイクル過程に関しては，強度回復メカニズムを内包する断層構成則を導入し，横ずれ型プレート境界での３次元準静的地震発生サイクル・シミュレーション・モデルを完成させた．
・動的地震破壊過程に関しては，半無限弾性体中の屈曲・分岐断層での動的破壊伝播の３次元シミュレーション・モデルを開発し，準静的地震発生サイクル・モデルとシステム結合することで，地震発生サイクルの全過程のシミュレーションに成功した．
(b) 地殻活動データの解析・同化並列ソフトウェアの開発
・離散的データから連続的地殻変動の時空間分布を推定する解析ソフトウェアを開発した．
・アセノスフェアの粘弾性の効果を考慮して地殻変動データからプレート境界面のすべり履歴を推定するインバージョン解析ソフトウェアを開発した．
3) 成果の自己評価
3-1) 成果の地震予知研究に対する位置づけ
科学技術振興調整費総合研究の第I期（1998-2000）では，地殻活動統合シミュレーション・モデルの基本構成要素である日本列島周辺域の地殻・マントル構造モデル，準静的な地震発生サイクル・シミュレーション・モデル及び動的地震破壊伝播シミュレーション・モデルを開発した．第II期（2001-2002）では，これらの要素モデルをプラットフォームを介してシステム結合することにより，プレ−ト相対運動に伴う日本列島域の地殻変動及びプレート境界でのカップリングによ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に至る大地震発生サイクル全過程の定量的な予測を目的とする，大規模並列シミュレーション・システムを超高速並列計算機「地球シミュレータ」上に組み上げる予定である．このシミュレーション・システムが地震予知研究に果たす役割は，それが日本列島域の地殻活動予測の全体的枠組みを与えるものであるという意味に於いて，極めて大きい．
しかしながら，現在開発中の地殻活動統合シミュレーション・モデルはあくまでもプロトタイプ・モデルであり，その地震予知への応用に向けては，1-1）で挙げた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推進し，その成果を改良要素モデルとしてプロトタイプ・モデルに逐次組み込んでいく必要がある．「新たな観測研究計画」で予算措置されて現在実施中のものは，以下の４研究課題である．
(1) 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
(2) 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
(3) 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
(4) 地殻応力・歪変化シミュレーション手法に関する研究
これらの研究課題は，いずれも，現在開発中の地殻活動統合シミュレーション・モデルを地震予知への応用に向けて高度化していくために不可欠な基礎研究である．
例えば，(1) 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は，断層破砕帯内の流体移動と地震破壊発生の間の相互作用のモデル化を目標としているが，このことによって，断層の巨視的振る舞いとして表現される構成関係の環境（特に流体の関与する）依存性が定量化され，現実的な地震発生シミュレーションに大きく近づけることが可能となる．
(2) 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は，複雑な断層の巨視的力学特性が地震破壊の繰り返しによって時間発展していくメカニズムを解明しようとする研究で，このことにより，日本列島域のプレート境界或いは活断層の地域的力学特性（構成関係を規定するパラメータ）の違いをそこでの断層のすべり履歴からある程度推定することが可能となる．
(3) 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が目標としている内陸活断層での大地震の発生過程のモデル化は，プレート境界地震を対象とする現在開発中の地殻活動統合シミュレーション・モデルを，より現実的なものへと改良・発展させる上で不可欠である．
(4) 地殻応力・歪変化シミュレーション手法に関する研究の内の (a) 等価介在物の概念に基づく逆解析手法による地殻応力場の推定は，現在開発中の地殻活動統合シミュレーション・モデルではプレート間相互作用による地殻変形のみを扱っているのに対して，地殻内の強度不均質に起因する非弾性変形を定量的に扱えるという点で優れており，これらの互いに相補的な手法を組み合わせることでより現実的な地殻変形・応力場の解析が可能となる．また，(b) ３次元有限要素法に基づく日本列島の応力場の推定は，弾性ム粘弾性の平行成層構造モデルを用いた現在開発中の地殻活動統合シミュレーション・モデルに，より現実的な地殻・マントル構造を取り入れていくために必要な研究である．
3-2) 目標の達成度
既に1-3）で述べたように，シミュレーション手法の開発に関しては，建議の内容を実施する体制が充分整わないままスタートせざるを得なかったため，(4) 地殻応力・歪変化シミュレーション手法に関する研究を除いては，5ヶ年計画の途中からの実施となっている．初年度から実施された (4) 地殻応力・歪変化シミュレーション手法に関する研究に関しては，2-1) の主たる成果の項で述べたように，ほぼ順調に進展しており，当初に掲げた目標を5ヶ年計画の最終年度までには達成できる見通しである．
残りの３研究課題，(1) 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，(2) 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及び (3) 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，に関しては，実質的な研究実施期間が１年ということもあって，現時点ではまだ基礎的な研究段階にとどまっている．しかし，今後の研究を加速することにより，当初に掲げた目標を「新たな観測研究計画」の最終年度までに達成することは，充分可能である．
参考までに，科学技術振興調整費総合研究による地殻活動統合シミュレーション・モデルの開発に関しては，2-2) の大学以外の機関による重要な成果の項で述べたように，ほぼ計画通り進捗している．第II期（2001-2002）での要素モデルのシステム結合による地殻活動統合シミュレーション・モデルの組上げは，平成13年度末に完成予定の超高速並列計算機「地球シミュレータ」がいつの時期から一般使用できるかにかかっている．
3-3) 計画の妥当性と今後の方針
全国の大学及び関係諸機関が連携・協力し，科学技術振興調整費総合研究では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，「新たな観測研究計画」では地震発生過程の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，その成果をプロトタイプ・モデルに逐次組み込むことで改良・発展させていくという全体計画は，現在の研究推進環境の下では合理的で妥当なものである．
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，地震予知への応用に向けて発展させていくためには，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網羅的且つ重点的に推進していく必要がある．
１）断層破砕帯の素過程の解明とモデル化
1-1. 断層破砕帯の微視的な構造と物理化学過程の研究
1-2. 断層破砕帯での流体の挙動と巨視的効果に関する研究（＊）
２）断層間相互作用に関するシミュレーション
2-1. 屈曲や飛びのある断層系での破壊伝播過程の研究
2-2. 複雑断層系の自己組織化と地震活動に関する研究（＊）
３）内陸活断層の地震発生過程のモデル化
3-1. 下部地殻の流動特性とプレート内応力の蓄積過程に関する研究（＊）
3-2. 内陸活断層に於ける地震発生サイクルのモデル化に関する研究
４）地殻活動データの解析・同化手法の開発
4-1. 地殻変動データの同化手法に関する研究
4-2. 地震活動データの同化手法に関する研究
５）特定地域に於ける地震発生サイクル・モデルの開発
5-1. 南海トラフに於ける地震発生サイクルのモデル化に関する研究
5-2. 三陸沈み込み帯に於ける地震発生サイクルのモデル化に関する研究
5-3. 駿河トラフに於ける地震発生サイクルのモデル化に関する研究
６）日本列島域の広域変形・応力場のシミュレーション
6-1. プレート運動に起因する日本列島の地殻変形に関する研究（＊）
6-2. 日本列島の地殻内応力場の推定に関する研究（＊）
しかしながら，「新たな観測研究計画」で平成13年度迄に予算措置化された研究課題は，この内の星印をつけた研究項目に関するもののみである．その意味で，当初計画は不十分なものであった．
「新たな観測研究計画」で実施中の４研究課題について，現時点で方針を変更する必要はない．しかし，次期計画では，シミュレーション研究に関する以下のような基本方針の変更が必要である．
(1) 科学技術振興調整費総合研究（平成10〜15年度）で「地球シミュレータ」上に組み上げる大規模シミュレーション・システムを，地震予知研究事業の中に位置づけ，日本列島域の地殻活動予測の基本的枠組みとして活用できるようにする．
(2) 地震予知への応用に向けて上記シミュレーション・システムを発展させていくため，大学等の研究グループによる地震発生過程のモデリング及びシミュレーション手法に関する基礎研究を幅広く重点的に推進する．
このことにより，地震予知への応用に向けた「地殻活動予測シミュレータ」開発のための全国規模のネットワーク組織を形成することが可能となる．
