文部科学省委託事業
平原和朗・久家慶子・宮崎真一・鹿倉洋介（京都大学大学院理学研究科）、橋本学・後藤裕之（京都大学防災研究所）、吉岡祥一（神戸大学）、他
次世代地震発生シミュレーションの完成に向けて、現状のシミュレーションで十分考慮されていない、３次元不均質性や間隙流体等の様々な媒質モデルについて、準動的地震発生サイクルや動的破壊伝播シミュレーションに及ぼす影響の評価を行った。
また、GPS（全地球測位システム）及びInSAR（合成開口レーザ）データを組み合わせた新たな固着－すべりデータ解析手法及びデータ同化手法の検討を含む摩擦パラメータ推定法の開発を行った。大容量メモリ・超大計算を要する、データ同化や大規模マルチスケール地震サイクルシミュレーションを実現するため、シミュレーションの省メモリ化・高速化を図った。
さらに、粘弾性セルモデルを用いて、南海トラフ巨大地震サイクル中における西南日本内陸地震の発生予測モデルを構築することを目的として研究を進めた。 なお、2011年東北地方太平洋沖地震の発生を受け、開発した手法を用いてこの地震のシミュレーションも実施した。
媒質モデルの高度化に関して、まず、熱構造モデルについては、2次元箱型熱対流モデルを用いて、フィリピン海プレートの沈み込みに伴う温度分布の数値シミュレーションを行った。その結果、フィリピン海プレートの年齢の時空間変化、形状、運動様式を考慮した沈み込みのみのモデルでは、地殻熱流量観測データを説明することはできず、プレート境界面での摩擦発熱および、陸域で第四紀地殻変動浸食による温度変化を考慮する必要があることが分かった。また、間隙水圧比は0.95と比較的大きな値が推定された。今後は、このような知見をふまえて、3次元沈み込みモデルの構築を進めていく必要がある。
地形の浸食による温度変化、及びプレート境界面での摩擦熱を考慮した沈み込みモデルでの温度分布の数値シミュレーションによる、紀伊半島を通る測線C-C'における(上図)温度分布と震源分布。(下図)表面の地殻熱流量の計算結果。黒線は温度分布から計算した表面の地殻熱流量、ピンク色の線はABIC最小によって求めた観測値の分布に対する最適曲線を表す。トラフ軸付近での地殻熱流量の観測値は約80mW/m2となり、約50 mW/m2まで緩やかに減少している。計算値も約80 mW/m2となり、そこから約50 mW/m2まで緩やかに減少し、トラフ軸付近から陸域に向かう地殻熱流量の緩やかな減少がみられ、観測値と調和的である。
GPSに加えInSAR解析により、電離層や大気の影響を除去して、沈み込みに伴う空間的に連続な広域変動を捉える試みが行われた。残念ながら平成２３年５月を持ってALOSが運用停止となったため、データの追加が望めなくなったが、蓄積された画像の再解析や時系列解析の適用など、既存のデータを用いて徹底した解析を行うことが重要である。
四国東部パス417および419の４年間のデータから作成した干渉画像の内,短基線のもの18ペアをスタッキングして得られた平均視線距離変化の分布．（左）GEONETデータから合成した平均視線距離変化．（右）PALSAR干渉画像から作成したもの．四国北岸がほぼ0cm/yrになるように調整している。【図2】
データ同化手法の開発では、大気・海洋分野で開発されたアジョイント法による摩擦パラメータ推定および物理パラメータの初期値推定法の開発に取り組んできた。2003年十勝沖地震余効変動（余効すべり）データを模した、簡単なモデルの双子実験などにより開発を進めた。今後は、大規模問題への対応が課題となろう。
不均質場での動的破壊シミュレーションでは、主として有限要素法（FEM）および境界要素法（BIEM）による手法開発、及び２次元弾性不均質性が動的破壊に及ぼす影響を調べた。具体的な手法として、拡張有限要素法(X-FEM)、応力を高精度に評価するためのBIEM-FEM、FDM練成解析、要素サイズ可変型有限要素法（h-adaptive FEM）、マルチドメイン境界要素法（ BIEM）、境界領域法（BDM）によるコードを試作した。東北地方太平洋沖地震で観測された２つの破壊の生成メカニズムを考察するため、２次元pBDM法による動的破壊シミュレーションを実施し、第１の破壊によって励起された地震波が地表付近で反射し再び断層面に達することによる影響で第２の破壊が生じたことが分かった。
摩擦力は摩擦係数と有効法線応力（法線応力―間隙流体庄）の積で表される。現状は摩擦係数の変化を考慮したシミュレーションが多いが、間隙流体庄は動的破壊および地震サイクル中に変化し、影響を及ぼす。まず、動的破壊への影響は、断層すべりによる発熱により間隙流体が膨張・間隙流体庄が上昇し（TP: Thermal Pressurization）、摩擦が低下し破壊を促進する。この効果を３次元差分法による動的破壊伝播シミュレーションにより調べ、TPにより大きな応力降下・すべり量となることが分かった。
また、地震サイクルを通して、間隙流体庄は変動する。地震時TPに加え、裁荷による間隙増加（地震時ダイラタンシー）により引き起こされる間隙圧減少、また地震間での圧力溶解等の化学反応による間隙減少により引き起こされる間隙圧上昇が、地震発生間隔等の地震サイクルに影響を及ぼす。簡単なモデルではあるが、これらの影響を調べ、速度・状態依存の摩擦則に従う摩擦係数の変動に加えて、地震サイクルにおける間隙流体圧の変動の重要性を示した。
さらに、2011年東北地方太平洋沖地震サイクルシミュレーションにより、日本海溝近傍浅部における特大すべりは強い固着域ではなく、TPにより地震時に摩擦力が低下し、大きな応力降下および特大すべりとなった可能性を示した。
階層型行列法によりシミュレーションの省メモリ化・高速化に取り組んだ。プレート境界面をNセルに分割すると、すべり応答関数とすべり遅れ速度ベクトルの積に必要なメモリ及び計算量はO(N*N)となるが、階層型行列法を用い、O(N)〜O(NlogN)のメモリ及び計算量となり大幅な省メモリ化・高速化を図ることができた。
また、この手法を2011年東北地方太平洋沖地震に適用して準動的大規模地震サイクルシミュレーションを行なった。
宮城沖海溝近く(MYG_S）の特大地震時すべり域はサイクル中固着しており、宮城沖深部(MYG_D1,D2,D3）、茨城沖（IBK）ではM７地震が発生している。
両モデルとも、観測された超巨大地震サイクルモデルの特徴を再現するが、サイクルの前半で大きな違いが見られる。HAモデルでは、M9地震後震源域が固着し、M7地震が起こらなくなるが、次第に剥がれて、M7地震が発生するようになる。SAモデルでは、震源域では余効すべりに加え定常すべりが発生し、M7地震が頻発するが、やがて数十年間隔に落ち着いていく。（右下）HAモデルによる地震時すべり分布。