飯高隆₍₁₎，平松良浩₍₂₎，濃尾地震断層域合同地震観測グループ
₍₁₎東大地震研，₍₂₎金沢大学

Earth, Planets and Space (2016)68:164
DOI 10.1186/s40623-016-0540-z

　1891年に発生した濃尾地震は，マグニチュード８というひじょうに大きな地震でした。日本の活断層で発生した内陸地震としては，観測史上最大規模の地震といえます。この発生原因を調べるために地震研究所は，全国の大学や関係機関と共同で臨時の観測点を展開し，様々手法を用いて解析をおこないました。この研究では，S波偏向異方性解析という手法を用いて，この地域の地殻やマントルの構造を調べることを行いました。

異方性というのは，地震波の伝播速度が伝播方向によって異なる現象を言います。S波偏向異方性解析は1つの振動方向の波が異方性媒質を伝播することにより，直交する２つの方向の波に分離する原理を用いて異方性構造を検出するものです。マントルの異方性構造を調べることによって，マントル内の対流の方向や不均質構造を知ることができます。日本列島の下には，太平洋プレートが東から西に向かって沈み込み，西日本においてはフィリピン海プレートが沈み込んでいます。これらのプレートが沈み込むことによってマントル対流がおこることが知られています。濃尾地震断層域下のマントルの異方性を調べると，フィリピン海プレートが沈み込んでいる北東側では，北東-南西方向の異方性が観測され，太平洋プレートの沈み込みが卓越している南側では東北東-西南西方向の異方性が観測されました。これらの異方性は，フィリピン海プレートや太平洋プレートの沈み込みに関係するマントルの対流によって説明できました。しかしながら，濃尾地震断層域では東南東-西北西方向の異方性が観測され，沈み込む海洋プレートが引き起こすマントルの流れでは説明できませんでした。この地域では，他の研究グループの研究により，地殻やマントルに地震波の伝播速度のひじょうに遅い領域や電流が流れやすい低比抵抗域が検出されています。今回観測された異方性の領域と，低比抵抗である領域が存在する場所がよく一致します。これらのことから，この異方性がマントルを上昇する流体によって作り出された不均質構造によるものとすると，観測結果を説明することができました。このようなマントルを上昇するマグマや流体によって引き起こされる異方性構造については，これまでに他の地域においても観測されています。今回の観測結果も，沈み込むプレートから脱水した水によって不均質構造が形成され，そのために異方性構造をもつようになったと考えると観測データをよく説明できます。

これまでに発生した内陸地震の解析から，活断層によって引き起こされる内陸地震は断層域近傍に存在する水によって引き起こされるという説が提唱されており，多くの地震発生域において地殻下部に存在する流体の証拠が示されてきています。この研究は，これらの成果と調和的で，1891年の濃尾地震の発生もマントルから排出した水が断層下部に到達し，その水が地震発生に大きく関係していることが考えられます。

加納将行(1)、長尾大道(1,2)、石川大智(2)、伊藤伸一(1)、酒井慎一(1)、中川茂樹(1)、堀宗朗(1)、平田直(1)

(1)東京大学地震研究所　(2)東京大学大学院情報理工学系研究科

Geophysical Journal International (2017), 208 (1), 529-545, doi: 10.1093/gji/ggw410

　巨大地震が発生した際に、都市部における構造物の揺れを即時的に評価することは、構造物の被害の推定だけでなく、地震後の迅速な復旧活動や二次的な災害の軽減につながります。構造物の揺れの計算には、基盤面における地震動が入力となりますが、都市部において密集しているすべての構造物において地震動を観測することは困難です。しかしながら、関東地方では、首都圏における地震像の解明を目的として、2007年度以降、首都圏地震観測網（MeSO-net）が整備されています。都心部を中心に数kmの観測点間隔でおよそ300点の地震計が設置されており、稠密な観測網の一つといえます。本論文では、今後MeSO-netで得られた観測記録を利用することを念頭に、限られた地震観測記録から、レプリカ交換モンテカルロ（REMC）法により観測機器のない場所での地震動を推定する手法（「地震動イメージング」手法）を開発しました。さらに、数値計算に基づいて提案手法の有効性を検証しました。

本論文では、地震波伝播の数値シミュレーションに必要となる地下構造と震源に関する情報を未知のパラメータとし、REMC法を用いて観測波形を定量的に説明可能なパラメータを推定しました。推定したパラメータを用いて地震波伝播の数値シミュレーションを行うことで、任意の場所における地震動を計算することが可能になります。

REMC法は、未知のパラメータの確率密度関数から実現値を得るマルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）法の一手法です。MCMC法の中でも一般的に使用されているメトロポリス法に比べて、効率的に広範囲のパラメータ探索を行うことが可能な手法のため、パラメータが複数の局所的な解を持つ場合に、強力な手法です。本論文で行う地震動イメージングは、複数の局所的な解を持つ例であり、REMC法が有効であると考えられます。REMC法を用いた地震動イメージング（中央左図）により、メトロポリス法（中央右図）による結果に比べて、より真の波動場（左図）に近い地震動が得られることが分かりました。また、従来用いられた観測データのみを用いた補間法（クリギング法、右図）と異なり、波動方程式や地下構造・震源情報といった物理的な拘束条件を加えることが可能になり、REMCを用いて、より現実的な波動場のイメージングを行うことが可能になりました。今後、本手法をMeSO-net観測波形に適用することで、首都圏における将来の地震発生時の応急的な被害評価や二次災害の軽減につながることが期待されます。

本研究は文部科学省受託研究費「都市の脆弱性が引き起こす激甚災害の軽減化プロジェクト」の一環として行われました。

図：地震動イメージング結果の比較。左図は真のパラメータで計算した波動場で、三角印で示した観測点における波形のみを観測波形として使用し地震動イメージングを行う。中央左、中央右、右にそれぞれREMC法、メトロポリス法、クリギング法で推定した地震動イメージング結果を示す。

伊藤伸一₍₁₎、長尾大道_(1,2)、山中晃徳₍₃₎、塚田祐貴₍₄₎、小山敏幸₍₄₎、加納将行₍₁₎、井上純哉₍₅₎

₍₁₎東京大学地震研究所 ₍₂₎東京大学大学院情報理工学系研究科 ₍₃₎東京農工大学大学院工学府 ₍₄₎名古屋大学大学院工学研究科 ₍₅₎東京大学 先端科学技術研究センター

Physical Review E 94, 043307 (2016), https://doi.org/10.1103/PhysRevE.94.043307

　データ同化は、ベイズ統計学に基づいてシミュレーションモデルと観測データを融合する計算技術であり、定量的な将来予測を可能にします。もともとは気象・海洋分野で発展したものでしたが、原理的に広く一般の科学分野に用いることができるため、近年その有用性が認知されはじめており、固体地球科学分野では、地震の理解に重要な断層の摩擦力の推定や、マグマなどの液状物質が冷え固まっていく際の成長過程の推定などに利用されてきています。さらにデータ同化は、ただ推定を行なうだけでなく、その推定値の不確実性を評価することもできます。推定値の不確実性を端的にあらわす身近な例として、台風の進路予測図があげられ、推定値は台風の中心で、そのまわりの予報円が不確実性をあらわします。定量的な将来予測のためには、推定を行なうだけでは不十分で、不確実性の評価を行うことにより、より多くの情報をもたらすことができます。

しかし、従来のデータ同化では、シミュレーションモデルが大規模になるにつれて計算量が極端に増大し、現実的な時間内での不確実性の計算が不可能になるという問題がありました。不確実性の評価を行う際には、その精度を犠牲にする代わりに、さまざまなアドホックな工夫を凝らしていました。そこで私たちは、その問題を解決するために2nd-order adjoint法という計算法を利用し、大規模なシミュレーションモデルに対しても高精度な不確実性の評価を可能にするアルゴリズムを開発しました。図は、提案手法を検証するために、液体中の固体核形成の問題に適用した結果です。提案手法により、固体核の成長速度および成長過程の推定と、その不確実性の評価に成功しています。

私たちの構築した手法は、これまでシミュレーションモデルが大規模であるために難しかった物理現象に対しても定量的な将来予測を可能にします。それによって、例えば、地震波伝播の時空間推定、津波の波高・波速の高精度予測、地球内部の岩石の成長にともなう地殻構造変化の履歴評価・将来予測など、さまざまな分野での応用が期待されます。