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 大学院情報学環総合防災情報研究センター/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そして津波発生伝播の数値シミュレーションを実施する。陸海プレート境界地震や内陸活断層の地震に伴って放射される地震動が、不均質な地殻・上部マントルを伝播し、地殻表層部の軟弱な堆積層により強く増幅され、そして構造物に被害を引き起こす強震動が生成される一連の物理過程を、運動方程式の大規模計算により理解する。加えて、海溝型巨大地震が引き起こす海底地殻変動と、津波発生伝播を高精度に評価するための、地震と津波の連成シミュレーションを実施する。
地球シミュレータによる計算結果を、日本列島に展開された高密度強震・津波観測データ、そして過去の大地震の古記録と直接比較することにより、シミュレーションモデルを検証し、そしてモデル物性値の調整を進めてモデルの高精度化をはかる。こうして、将来発生が予想される大地震の強震動と津波を高い精度で予測し、災害軽減に活用するための強震動・津波予測シミュレーションを実現する。
H22年度に新規開発した地震―津波同時シミュレーションコード（Maeda and Furumura, 2011）のES向けチューニングを進め、不均等領域分割に基づく計算バランスや、領域分割のブロック化とMPI集合通信の効率化をはかり、100ノード（800CPU）以上の大規模並列計算の実用化をめざす。本シミュレーションコードを用いて2003年十勝沖地震や2004年紀伊半島南東沖の地震の地震動、海中音波、地震地殻変動、津波の同時シミュレーションを実施し、JAMSTEC海底津波計・地震計記録等との比較からモデルの検証を行なう。海底津波計記録のリアルタイム観測データを用いた津波予測の高度化や津波地震の発生予測に向けた基礎研究を進める。
地表地形と海底地形、海水を組み込んだ高精度シミュレーションモデルを用いた、周期１秒以下（周波数1 Hz以上）の短周期地震動～長周期地震動を含む、広帯域の地震動シミュレーション実施し、地形による地震波の散乱や減衰などの現象を正しく評価できる新しいシミュレーションモデルを開発する。周期十数秒以上から1秒以下の広帯域地震動に有効な無反射（吸収）境界条件として、新しいPML型の境界条件をテストする。空気／海水／固体の複雑な境界での地震波の反射・屈折、界面波の生成を正しく評価し、高精度の地震動シミュレーションを実現するための境界条件の高度化研究を進める。2000年鳥取県西部地震の再現を通じて、本シミュレーションコードの有効性を検証する。
上記研究計画1), 2) に沿って、以下を実施した。
地震―津波同時シミュレーションコード（Maeda and Furumura, 2011）をESに移植し、ESの内部構造に適用するようにループ分割/融合、変数融合によるメモリアクセス回数の低減などの観点からコードチューニングを行い、最終的に30%程度の実効性能を得た。
地震動～水中音波～津波～地殻変動をカバーする、周波数数Hz～DCの広帯域波動場の吸収境界として有効な、PML吸収境界条件を地震－津波同時シミュレーションコードに実装した。
液体／固体境界である、海底下を伝わる長周期地震動（表面波）の高精度評価に向け、低次FDM演算を用いた固体/液体境界条件の高精度化を図った。
大規模並列計算の効率化のために、２次元および３次元領域分割の二つの並列計算の特質を評価し、最終的に100ノード（800CPU）以上の大規模並列計算の実用化の目処を得た。
2011年3月11日に発生した東北地方太平洋沖地震（M9.0)の強震動生成過程を理解するために、東北日本～関東の地殻・マントル構造を太平洋プレート構造を250mの分解能で3次元モデル化し、本地震の震源モデルを用いて地震波伝播・強震動生成シミュレーションを行った。まず、シミュレーション結果を可視化し、日本列島に展開された高密度強震観測網（K-NET, KiK-net）により捉えられた地震動伝播の可視化画像と地震波形記録との直接比較によりシミュレーションモデルの有効性を確認した。次に、関東平野で発生した長周期地震動のレベルが、過去に発生した南海トラフの巨大地震（1944年東南海地震など）に比較して小さかった原因が、日本海溝から関東平野にかけての沈み込み帯構造に起因することを二つのシミュレーション結果から確認した。
釜石沖の50～80 kmの地点に設置されていた釜石沖海底ケーブル津波計に記録された、東北地方太平洋沖地震の特異な津波成長過程の記録をもとに、本地震の巨大な津波生成過程を理解するために、上記の高分解能地下構造・震源モデルを用いた地震－津波同時シミュレーションを行った。この結果、プレート境界深部から始まった本地震のプレートの急激なズレ動きが日本海溝付近の浅部プレート境界にまで拡大し、その結果、10mを越える海底地殻変動（隆起）が発生し、5 mを越えるパルス状のの大津波が生み出されたことが確認された。また、海底ケーブル津波計観測点は、地震時に170秒をかけて徐々に沈降し、その直後に周囲から海水が流入が始まり、そして大津波が到来するという、地震発生から時間を追って起きた現象をシミュレーションにより確認することができた。
東北地方太平洋沖地震の発生を受け、東海・東南海・南海地震の３連動発生シナリオを見直した。従来の震源域に加えて、南海トラフ軸付近の浅部プレート境界までプレートの急激なズレ動きが起きることをモデル化した、新しい「大連動」シナリオに基づく地震動と津波シミュレーションを実施した。大連動モデルによる地震動シミュレーション結果は、最大地動や震度は大きく変化しないものの、地震動の継続時間が1.5倍以上長くなること、そして震源域の拡大とともに強い揺れに見舞われる範囲が拡大する問題を提起した。また、津波シミュレーション結果から、従来の３連動地震に比べて沿岸波高が1.5～2倍大きくなること、ただし、瀬戸内海や大阪湾、伊勢湾など水深が浅く固有周期が数十分以上に長い湾内では浅部プレート境界のズレ動きにより生まれる波長の短い津波の影響は小さく、波高は高くならないことが確認できた。
周期１秒以下の短周期地震動を含む広帯域地震動シミュレーションの実現に向け、地下構造探査からは直接推定が難しい、短波長（数百～キロメートル）不均質構造の分布特性を、1) 高密度地震観測網を用いた地震波解析と、2) 地震波伝播のコンピュータシミュレーション、の両面から進める基礎研究を、昨年に継続して実施した。今年度は、不均質地下構造において強い散乱を繰り返した周波数1Hz以上の短周期P波がTransverse成分に現れる特徴に着目し、T成分の相対強度の周波数・距離変化を高密度地震観測データ解析と、不均質地下構造をモデル化した地震波伝播の3次元FDMシミュレーション結果の比較から、地殻・マントルの不均質地下構造パラメータ（相関距離、揺らぎの強度、分布特性など）を推定する研究を進めた。標準地球モデル（多層構造）、地震波走時トモグラフィモデル（分解能：数十km）、そして短波長不均質構造モデル（分解能：数km以下）を結合した統合地下構造モデルを構築し、周波数1Hz以上の広帯域強震動シミュレーションを実施して、観測波形との比較（震幅、走時、後続層の包絡線形状、継続時間など）から、開発した広帯域強震動シミュレーションモデルの有効性を確認した。本研究の成果は、武村俊介が東京大学理学系研究科に博士論文として提出した（博士論文題目：Study of high-frequency seismic wave propagation in heterogeneous structure inferred from dense array observation and numerical simulations）。
(年度当初の研究計画を全て達成した場合を100%として数値で示してください。複数の目標があった場合は、それぞれについて達成度を数値で示してください。)
計画1)と2) 両方について、当初計画の80%を達成し、年度末までに残りの計画を完了見込み。
26,000ノード時間積の割り当てに対し、24,695ノード時間積を使用した（12月30日現在）。
(ベクトル化、並列化チューニング等、計算機資源を有効利用するために行ったこととその効果を記載してください。)
該当なし。
該当なし。
テレビ報道
2011年4月 2日 NHKサイエンスゼロ 「東日本大震災何が起こったのか」
2011年6月15日 NHKニュースウオッチ9 「3連動地震で想定を越える津波」
2011年9月 1日 NHKスペシャル 「巨大津波が都市を襲う～東海 東南海 南海地震」
2011年9月 2日 NHK視点・論点 「東日本大震災から考える、次の東海・東南海・南海地震への備え」
2011年9月10日 NHKサイエンスゼロ 「巨大津波の謎を探る～解き明かされる新メカニズム～」