3次元不均質場での波動伝播と強震動のシミュレーション
Numerical simulation of seismic wave propagation and strong ground motions in 3-D heterogeneous media
古村 孝志 (東京大学地震研究所)
Takashi Furumura
3次元的に不均質な媒質中の地震波動伝播と強震動生成の数値シミュレーションを実施する。プレート境界や内陸活断層の破壊に伴い放射される地震動が、複雑な地殻・上部マントル構造を伝播し、さらに地殻表層部の堆積層によって強く増幅され、構造物に被害をもたらす強震動を生成する物理過程を数値シミュレーションにより明らかにする。
大地震の揺れを予測し地震災害軽減に資するために、3次元的に不均質な地下構造の地震波動伝播と地表の強震動生成過程を、大規模数値シミュレーションにより評価する。シミュレーション結果を、現在日本列島に展開されている高密度の地震観測網データ、および古地震記録との比較検証により地震波動伝播モデル（震源断層、地下構造）の高精度化を進める。これを用いて、将来発生の恐れのある都市直下地震や海溝型巨大地震の揺れを高精度に予測する。
2008年度には、2007年度に開発した「地震―津波連成シミュレーション」コードを用いて、1896年明治三陸津波地震および、1933年昭和三陸津波地震などの、地震―津波災害の再現を行なうとともに、地震―津波予測の高度化のための、予測の実用化をはかる。また、震源の動的破壊過程と、地震波伝播、津波発生、構造物被害の一連の地震災害現象を予測するための、統合シミュレーションを実施する。
本共同研究プロジェクトでこれまでに開発した、高分解能地下構造モデルと、震源断層滑りモデルを用いた、次世代の地震動予測シミュレーションの完成を目指し、近年の大地震の地震動シミュレーションの事例を増やす。この目的のために、1) ランダム媒質における地震波の散乱現象と高周波地震動の伝播特性の研究、2) 高分解能の物理探査手法(反射法探査・データ処理、波形インバージョン法など)の開発研究、3) 構造物の応答（弾塑性解析）との連成シミュレーション法の開発、4) 個体地球プラットホーム(GeoFEM, 可視化)に関する研究を一層推進する。
中国四川大地震(Mw7.9)では、震源から1500km以上も離れた北京、上海、台北などの平野において、揺れの周期が数秒～十数秒を超える「長周期地震動」が強く発生したことにより、超高層ビルが大きく長く揺れて避難騒ぎが起きた。四川大地震の揺れの伝播と北京・上海における地震動を評価するために、コンピュータシミュレーションを実施した。計算領域を2048km*2048km*400kmに選び、CRUST2.0地殻構造モデルとETOPO30標高モデルを用い、震源から揺れが広がる過程を、地球シミュレータの64ノード計算により評価した。計算より得られた北京の地震動は、周期10～20秒の卓越周期を持ち、最大震幅が５cm、そして１cmを越える大きな揺れが１～２分間以上長く続いたことがわかった。この揺れは2004年新潟県中越地震(M6.8)において東京で観測した長周期地震動の２倍以上の大きさであった。四川地震の規模(M7.9)に加えて、表面波を伝えやすい大陸構造が大きな長周期地震動を生成したことが考えられる。
2007年度に開発した、「地震―津波連成シミュレーションコード」を用いて、南海地震・東南海地震・東海地震の3つが連続発生した場合の、津波の発生と伝播を評価した。このような連動発生には1707年宝永地震があげられるが、古文書の調査研究によると、まず東南海地震が発生して、それから30分～１時間遅れで南海地震が発生した可能性も考えられている。同時発生の場合と、30分の時間差発生の場合の2つのシナリオに基づき津波高を計算したところ、時間差を持って発生した場合には、津波の重ね合わせ現象により、紀伊半島西岸から高知にかけての広い地域で津波高が最大2倍程度大きくなることが確認できた。時間差発生は、津波災害を考える上で、また地震発生後の救援・復旧活動を進める上で重要な問題である。
稚内の地下400kmで発生する深発地震の地震波形記録には、P波初動から５秒程度遅れて、10～20倍以上の大震幅の後続層が出現することがこれまで知られているが、その生成メカニズムは謎であった。防災科学技術研究所の高感度地震観測網(Hi-net)データと、海洋研究開発機構のえりも沖海底ケーブル地震計データの統合解析から、この後続層の特徴と発生条件を詳しく評価するとともに、太平洋プレートの深部構造の最新の知見を取り入れた、地震波伝播の高解像度シミュレーションを実施した。その結果、この後続層が、プレートにより深部(300km以深)に引き込まれた水が作り出した「低速度層(蛇紋岩化層)」にトラップされた地震動であることを初めて示すことに成功した。これまで地球深部への水の輸送の可能性は、物質循環シミュレーション等により議論されてきたが、本成果は別の観測データから仮説を強化することとなった。
次世代スパコンに向けて、並列化度を高めるために「3次元領域分割並列FDMコード」を開発し、地球シミュレータのFlat MPI並列計算によるテストから、最大10000コアまでの並列計算の有効性(スケーラビリティ)を確認した。演算性能を地球シミュレータと、東大オープンスパコン(T2K)で比較したところ、地球シミュレータでは60%程度の実効性能を達成できたのに対して、T2Kでは8%程度しか性能を得ることができなかった。現時点では、T2Kの1コアあたりの実効性能は、地球シミュレータのPEの1/6程度になる。今後、地球シミュレータを用いて大規模並列計算コードの効率を一層高めるとともに、将来のスカラーCPU向けのコードチューニングもさらに進める。
達成度：70 %
本年度は9月末日までの半年間の研究プロジェクトであったが、当初計画を欲張りすぎ、1年分の計画を半年で集中して進めようと意気込んだが、実際は70%程度しか達成できなかった。