ポスト「京」（現在の「富岳」）を有効に活用するため，ポスト「京」で重点的に取り組む社会的・科学的重要課題のひとつとして「地震・津波による複合災害の統合的予測システムの構築」を2019年度までに実施し，この過程で，大規模シミュレーションを可能とする先端的数値解析の研究開発のための基礎的な数理研究と計算科学研究の学理が涵養された．2020年度以降においては，「富岳」成果創出加速プログラムにおいて，「富岳」の性能を引き出すように計算科学・計算機科学の最先端技術を駆使して地殻変動・地震動・地盤震動・都市地震応答等の地震に関する高性能大規模シミュレーション手法を開発した．
上記の過程を通して，首都直下地震を対象とした山手線内の30万を超える構造物の地震動応答解析や10Hzまでの精度保証が可能な1000億～1兆自由度級の有限要素法モデルを用いた断層から地表までの地震動解析や地表近傍の堆積層による地盤震動解析を行うための数値計算技術が整備されつつある．また，地殻構造の幾何形状が地殻変動の弾性・粘弾性挙動に大きな影響を及ぼすことが指摘されていることから，これらの問題への展開も進められている．これらの解析技術は上記の基礎的な数理研究と計算科学研究に立脚する成果であり，ハイパフォーマンスコンピューティング分野における世界的な賞のひとつであるゴードンベル賞の最終選考論文5編に2014年・2015年・2018年・2022年に選ばれるとともに，2016年・2017年においてはハイパフォーマンスコンピューティング分野における世界的な国際会議のひとつであるSCにおいて受賞，2021年には富岳上で人工知能により物理シミュレーションを高速化する方法を開発することで，断層から都市までを単一の有限要素モデルにてモデル化し地殻中の波動伝播から地表付近での地盤増幅，構造物の応答までを高分解能で連成して解く世界で初めてのシミュレーションを実現 (HPC Asia 2022 Best Paper賞受賞)するなど，計算科学の分野においても高い評価を受けている．2022年においては高詳細3次元地殻構造モデルを対象に地殻の物性の曖昧さを考慮した地殻変動解析を計算可能とする，富岳全系までスケールする高効率確率有限要素解析手法を開発した．確率応答問題の数値解の信頼性の担保のためには空間方向に高詳細なメッシュを使うだけでなく，確率応答分布の収束のため10000回オーダーのモンテカルロシミューレーションが必要となり，膨大な計算コストが必要となる．本手法を使うことで1回の計算で確率応答分布を計算でき，従来手法比で100倍以上の計算速度向上を実現した(この研究は先述のゴードンベル賞の最終選考論文に選ばれた)．また，データ駆動型手法を活用して高詳細3次元粘弾性地殻変動解析を高速化する手法も開発するなど，人工知能・データ駆動型手法と従来からのequation-basedな数値シミュレーション手法の融合などの新しい研究アプローチの開発も実施した．以上のように，新しい分野を開拓するとともに，継続的に高い国際的評価を受けている．
（1）革新的データ同化の創出を目指して
科学研究を進める上において，物理・化学法則等に基づく数値モデルと，観測・実験に基づくデータの比較が重要であることは論をまたない．しかしながら，近年の巨大スパコンの登場や大規模地球観測網・実験設備等の整備に伴い，大規模数値モデルと大容量観測データを突き合わせることすら容易ではなくなってきた．数値モデルと観測データをベイズ統計学の枠組みで統融合するための計算技術であるデータ同化は，時々刻々と入力する観測データに基づいて各時刻における状態の逐次推定を行う「逐次データ同化」と，予め決められた時間窓において観測データと最も整合する状態を探索する「非逐次データ同化」とに大別される．大規模数値モデルへデータ同化を実装する際には，4次元変分法を始めとする非逐次データ同化を用いるのが常套であり，例えば気象予報は主に4次元変分法に基づいて行われている．
従来の4次元変分法は，事後分布の局所最大を与える状態を推定するのみであり，その不確実性を推定することが原理的に不可能であるという大きな欠点があった．我々は，2nd-order adjoint法を採り入れ，不確実性評価が可能な4次元変分法を開発することにより，これを解決した（Ito et al., 2016）．このようにして得られた不確実性は，観測デザイン最適化のためのフィードバックともなる極めて重要な情報である．
2022年はこの不確実性評価法を，豊後水道沈み込み帯を模擬した境界要素モデルに適用し，断層面内の摩擦パラメータを空間場として推定し，その不確実性を評価するアルゴリズムの開発を完遂した(Ito et al., 2023)．これにより沈み込み帯で発生するスロースリップ現象の物理と摩擦パラメータ空間場の関係の定量的評価が可能となる．その際，必要なメモリを最低限に抑え，さらにヘッセ行列の数値誤差を計算機誤差まで抑えることを可能にする2nd-order adjointモデルの最適な数値積分法の選択法（Ito et al., 2021）を利用した．本手法は，2nd-order adjoint法に登場する微分方程式群に内在する保存量を離散化後も保存するような数値積分法を構築し，高精度なヘッセ行列計算を可能にする．
（2）情報と計測の融合に資する数理的手法の開発
本センターは，科学技術振興機構 戦略的創造研究推進事業CRESTの研究領域「計測技術と高度情報処理の融合によるインテリジェント計測・解析手法の開発と応用」において，平成29年度に採択された研究課題「ベイズ推論とスパースモデリングによる計測と情報の融合」に参画し，本学大学院新領域創成科学研究科，統計数理研究所，海洋研究開発機構との協働により，ベイズ推論に基づいて実験計測効率を最大限に高める「ベイズ計測」を実現するための情報数理基盤の開発研究を実施している．
2022年は，2.5次元古典スピン系の磁化ダイナミクスを双極子間相互作用を含む時間依存 Ginzburg-Landau (TDGL)方程式によって実現した，平衡状態で見られるドメインの空間パターンを分類する方法論（Anzaki et al., 2021）をテストベッドに，複雑なモデルから少数モードで構成される有効モデルを抽出する数値実験を継続実施した．
断層-構造系システムとは，対象とする断層と構造物から成る地殻と構造物のモデルである．断層から生成される強震動と，その強震動に対する構造物の地震応答を計算するために使われる．開発されてきた独自のマルチスケール解析手法を改良し，大規模化・高速化を実現し，断層-構造系システムの解析を行っている．なお，大規模化・高速化の結果，従来の手法を凌駕する時間・空間分解能で，断層から伝播する地震動に対する構造物の地震応答を計算することに成功した．断層-構造系システムの根幹である地震波動の計算では，地盤・地殻構造の幾何形状を詳細にモデル化することが重要であり，このためには有限要素法を用いる必要がある．しかし，有限要素法は差分法に比べ，計算コストが膨大となる．数理的な観点から分析し，計算コストを低減させる効率的なアルゴリズムを考案し，マルチスケール解析手法の計算コードに実装した．実装に際して並列化性能を上げることにも成功した．また，断層-構造系システムの応用として，広域都市の震災想定を高度化することを目的として，広域都市をモデル化し，その地震時応答をシミュレーションする統合地震シミュレータ（IES）の開発を進めてきた．断層-構造系システムの大規模数値解析手法の開発では，このように基礎的な数理研究と計算科学研究にも重点が置かれている．断層-構造系システムの具体的な対象として，大規模地下トンネルや原子力発電所といった実際の大規模構造物も挙げられる．実構造物に忠実な大自由度の解析モデルを構築し，改良されたマルチスケール解析手法を適用し，地震応答を計算している．構造物の特性を理解するためには，民間企業等の協力が必須であり，共同研究を介することで実構造物のより現実的な地震応答解析手法の構築をすすめている．
断層-構造系システムにおける地震波動の計算の高性能化を目指し，大規模で複雑な断層系の震源過程をシミュレーションするために，三次元不均質体内のき裂伝播を効率的にモデル化可能なPDS-FEMをベースとした高性能計算シミュレーション手法の開発を行っている．これにより，複雑な断層形状，不均質な摩擦特性，不均質で非線形な材料などを含む大規模な三次元モデルにおいて，super-shear ruptureを含む多様な震源過程をより詳細にモデル化出来るようになり，強震動シナリオ構築に寄与すると期待される．2022年においてはPDS-FEMに基づく動的な断層破壊の数値解析手法とその並列実装を開発した．既存の断層破壊モデルのほとんどは経験則に基づいて初期応力を設定しているが，本モデルにおいてはクーロン摩擦と遠方境界条件下での断層の静的平衡を考慮し初期応力を計算することで断層の複雑形状や断層強度・材料の不均一性と整合した初期応力を設定する．FEMベースの断層破壊シミュレータにおいては断層表面での摩擦の計算のために高コストな接触解析を必要とするが，PDS-FEMにおいては要素中にあらかじめ設定した亀裂面を用いて断層面をモデル化することで接触解析が不要となるため，FEMに比べて低コストで計算できる．適用例としてPalu Koro断層の動的破壊シミュレーションを行い，試行錯誤により2018年のsuper-shear ruptureを再現するための境界条件を特定し，応答スペクトルを求めることでsuper-shear ruptureによる地震動が建物に与える影響を分析した．
| 教授 |
市村 強 (センター長)，古村孝志（兼務），佐竹健治（兼務），田島芳満(工学系研究科，兼務) |
| 准教授 |
ラリス・ウィジャラットネ，長尾大道，鶴岡 弘（兼務）, 中川茂樹（兼務），藤田航平 |
| 助教 |
伊藤伸一 |
| 特任助教 |
熊澤貴雄 |
| 特任研究員 |
桑山靖弘，徳田智磯，平田 直 |
| 学術専門職員 |
長﨑由美子，吉田美和 |
| 外来研究員 |
堀 宗朗，大塚悠一，桑谷 立，椎名祐太，高橋勇人，前根文子，三橋祐太，森川耕輔，山本 実，吉田健太，Gill Amit |
| 大学院生 |
日下部亮太（D3），村上颯太（D2），Dharmasiri Migel Arachchillage Kasun （D2），Colombera Giorgia（D1），Jeffrey Michael Church（D1），山名祐輔（M2），Cong Dai Doan（M2），安久岳志（M2），金子亮介（M2），Elia Nicolin（M2），Julian Palacios Espinoza（M2），Joshua Panganiban（M2），Li Wenrui（M2），麻生豊大（M2），金川航希（M1），Khatiwada Pramod（M1），Sayson Stanley Brian（M1），Shi Yuxian（M1），柳田真輝（M1） |
| 学部学生 |
中尾 魁(B4) |
| 地震研特別研究生 |
Xu Dong |
計算地球科学研究センターは，東日本大震災を契機として2012年4月に設立された巨大地震津波災害予測研究センターで培ってきたシミュレーション技術等の計算科学分野における知見を十分に活用しうる目途がついたことにより，当該分野の研究体制をさらに強化するとともに，従来の地球科学との融合をより加速していくため，巨大地震津波災害予測研究センターからの改組により2019年9月に設立された．本研究センターでは，地震研究所で培ってきた固体地球観測と高速計算によるシミュレーション技術を融合した計算地球科学の創成を目指している．関連する学内連携を強化しつつ，観測データを活かす高性能計算プログラムとそれを使った大規模シミュレーションの研究開発を行い，計算地球科学の国際的卓越性の確立を目指すとともに，地震・津波・災害の現象解明・予測研究分野での学際的・国際的に卓越した若手世代の育成を目指している．
Muographers 2022 General Assembly
2022年12月24-26日の日程で，東京大学・国際ミュオグラフィ研究所主催：Muographers 2022 General Assembly を開催した．米国、カナダ、ブラジル、チリ、英国、フランス、イタリア、ベルギー、スイス、ハンガリー、フィンランド、ロシア、インド、シンガポール、中国などから約200名の参加があった．
Nature Research Highlights
Nature Research Highlights「Cyclones’ inner lives revealed by invisible particles」に選定された。
Nature 610, 608 (2022), doi: https://doi.org/10.1038/d41586-022-03279-2
サイエンスアゴラ
ハンガリー大使館と共同でJSTサイエンスアゴラにおいて日・ハンガリー・フランス・チリ４カ国の国際パネル「国際的対話で繋ぐ宇宙・素粒子・災害・資源・考古学」を実施した。
国際拠点設置に関する打合会
イタリア国立測定学研究所並びにフェルミラボ（米国立フェルミ加速器研究所）において、国際ミュオグラフィ連携研究機構の国際拠点の設置に向けた打ち合わせ会を継続的に実施した。
国際メディア報道
National Tribune「Keeping Time with COSMOS」など欧米豪露アジア諸国から200件を超える国際メディア報道があった。
(a)ミュオグラフィ画像解析
高精細ミュオグラフィ画像自動診断による桜島火山活動状況の推移との相関評価を進めた。この噴火の推移に伴い、昭和火口の火道がマグマでプラグされた様子が透視画像に映し出された。この成果をベースとして、ミュオグラフィ画像を学習して、噴火判定を行う技術Mu-NETを東大病院と共同開発した。2020年度には、Mu-NETを用いて、2016年から2017年の間に記録されたミュオグラフィ画像を学習して、噴火判定を行った結果、この間に記録された画像と昭和火口からの噴火との間には密接な関係があることが見出された（南岳火口：AUC=0.678、昭和火口：AUC=0.726、その他の場所：AUC〜0.5）。成果を英ジャーナルScientific Reportsに発表した[2]。2021年度は日毎のミュオグラフィ画像データ（高解像度画像）を機械学習（CNN）することで噴火判定を導出する技術（MuNET-2）を開発した。昭和火口から南岳火口に噴火活動が移った2019年以降のミュオグラフィ画像にMu-NET-2を適用した結果、この間に記録された画像と南岳火口からの噴火との間に密接な関係があることが見出された（南岳火口 ：AUC=0.761、昭和火口 AUC=0.704、その他の場所：AUC〜0.5）。
2022年度は本グループ（地震研究所）並びに日本電気、ハンガリー（素粒子物理学）、イタリア（火山学）、英国（火山学）、チリ（火山学）との共同研究においてミュオグラフィ連続観測データと衛星SARデータを組み合わせることで、桜島山頂付近の隆起/沈降と噴火の活発期/平穏期との間に負の相関が、また、山頂付近の隆起/沈降と火口底直下の密度の上昇、減少との間に正の相関がありそうであることを発見した。この発見に基づき、噴火の平穏期には、火道中に高密度のプラグが形成されマグマ性ガスがトラップ、圧縮されることにより山体が膨張する。反対に、噴火の活発期には、プラグが存在しないことからガスが抜け、山体が収縮すると結論づけられた（図3.8.5）。
(b) 多方向ミュオグラフィによる伊豆大室山スコリア丘の3次元密度イメージング
ミュオグラフィ研究における重要な課題の一つは，観測方向を増やすことで高い三次元空間分解能を達成することである。今回火山周辺のような商用電源の確保が難しい場所への設置に適している原子核乾板検出器を用い，静岡県の伊豆大室山スコリア丘を10方向から調査した。
各観測点で得られた二次元角度空間における密度長データを，Nishiyama et al., (2014) などで用いられてきた三次元密度再構成手法を用いて解析を行い，結果図3.8.6のような三次元密度画像を得た。
この多方向ミュオグラフィの結果をもとに，これまで行われてきた地質学的調査の結果と合わせ，大室山スコリア丘の形成過程について考察した。大室山の中央部（山頂火口の直下）に高密度領域が存在し，西と南南東，北北東にも高密度領域が見られる。中央部は溶結の進んだ主火道である。西に延びる高密度構造は山体西側の溶岩流の跡と一致するため，ダイクが貫入したものであると解釈できる。南南東，北北東の高密度領域も同様にダイクの貫入であるとするならば，溶岩湖の形成とマグマ供給の増圧によって主火道の壁が割れ，放射状3方向にダイクが伸びた力学的な結果と考えられる。同様の3方向のダイクやダイク群は，シップロック（Townsend et al.2015），ハワイの火山（Wyss, 1980），カナリア諸島（Carracedo and Troll, 2013）など，世界の他の火山でも確認されている。
(c) 宇宙線電磁成分の減衰を用いた土壌水分量の測定
マグマの移動に伴う質量移動を検出する方法として，ミュオグラフィの他には，地表面での重力の時間変動を追う方法がある．重力計によって得られた重力値の時系列データを眺めていくと，降雨に追随した明瞭な変動が見られることがある（振幅にして約10マイクロgal）．これは，雨水の質量による万有引力の効果を重力計が受けるために生じる．このような雨水擾乱の効果を正しく補正しなければ，マグマの質量移動を正しく議論できない．こうした雨水の効果を，別の物理探査手法から定量的に把握するための方法として，宇宙線に含まれる電磁成分（電子・陽電子・ガンマ線の総称）を用いたラジオグラフィ手法の開発に取り組んできた．
宇宙線に含まれる電磁成分は，ミュオンと比べると物質の貫通能は乏しいものの，その分，雨水による僅かな質量変動に応じて大きく減衰されることが期待されるため，土壌水分量の測定に有用であろう．このアイデアの実証のため，国土交通省大隅河川国道事務所・有村観測坑道（桜島）の中に，シンチレーター型検出器を設置し測定を行ってきた（図3.8.7a）．2021－2022年度は，2014～2019年にかけて断続的に測定されたデータの解析に取り組んだ．電磁成分強度の時系列変化から大気圧や水蒸気圧による変動分を取り除くと，降雨に応じて電磁成分強度が有意に減少していることが分かった（図3.8.7cd）．こうした降雨に伴う電磁成分強度の減少は，坑道上の土壌に浸透した降水によって電磁成分が吸収された結果である．プールを用いた較正試験（図3.8.7b）とモンテカルロ・シミュレーションの結果もこの解釈を支持する．2022年度は，検出器を別の坑道（京都大学防災研究所・郡山観測室＝鹿児島市）に移設し，さらなる実証試験を実施した．
(d) ニュートリノ振動を用いた，地球深部の化学組成・密度構造測定
ニュートリノは伝播中に別のニュートリノに変化することが分かっている（ニュートリノ振動，本学梶田教授２０１５年ノーベル賞）．ニュートリノが他の種類のニュートリノに変化する割合は，ニュートリノと他のニュートリノの質量の差，エネルギー，伝播距離，及び媒質中の電子数密度で一意に決まる．したがって，電子ニュートリノが他のニュートリノに変化する割合を，エネルギー毎に測定すれば，地球内部の電子数密度分布を測定できる．ニュートリノ振動測定で得られた電子数密度と，地震波測定等で得られている物質密度とを組み合わせることにより，地球内部の平均的な化学組成(原子番号と原子量との比)をイメージングすることも可能である．
ハイパーカミオカンデは，次世代のニュートリノ観測装置であり，スーパーカミオカンデの８倍の巨大な有効体積と，高いエネルギー・角度分解能を備える．これを用いることで，地球液体核やマントルの化学組成に制限を与えられることが，これまでの研究から明らかとなっている．ハイパーカミオカンデは，2020年度より建設が開始され，現在，様々な建設作業が行われている．
地震研究所では，ハイパーカミオカンデの主要構成要素である，光検出器の研究開発を，宇宙線研究所ほかと共同で行ってきた．ハイパーカミオカンデに取り付けられる光電子増倍管は約20000本であり，受入検査・品質検査には多くの労力を要する．今年度は検査能力の向上及び不良検出精度の向上に取り組んだ(図3.8.8)．
| 教授 |
横山将志（兼任）, 田中宏幸(センター長), |
| 助教 |
宮本成悟，武多昭道，西山竜一（兼任） |
| 特任研究員 |
OLÁH László |
| 学術支援専門職員 |
市川雅一 |
本センターの設置目的は，宇宙線ミュオンやニュートリノ等の高エネルギー素粒子を用いて，これまでにない高い分解能（10-100m程度）で断層や火山などの固体地球内部を透視し，地震・火山現象の解明と防災・減災に貢献することである．そのためには素粒子透視技術（ラジオグラフィー）の一層の高度化が必要となる．とくに素粒子検出デバイス開発に対しては，小型・軽量・低消費電力という野外観測からの要求に応えつつ，一方で空間的にも時間的にも高い解像度を確保することが，世界の中でのリーディング・エッジを今後も確保することが欠かせない．また，一方でこれまでは火山に限定されてきた応用分野を，地震断層等にも広げていくことが望まれてきた．これらのことを念頭に，当センターで進めてきた研究活動を以下に述べる．