3次元不均質場での波動伝播と強震動シミュレーション
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。
H22～23年度に開発した「地震―津波同時シミュレーションコード（Maeda and Furumura, 2011; submitted）」のES向けチューニングを進め、２次元または３時領域分割に基づくMPI通信負荷バランスの検討や、PML吸収境界条件、固／液境界条件の実装と計算の負荷バランスの検討を進め、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2011年東北地方太平洋沖地震の強震動、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。続いて、発生が想定される東海・東南海・南海地震の連動による地震津波と、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。
H21～23年度に開発した、短波長不均質地下構造と不規則な地表・海底地形を組み込んだ、周波数1～2Hz以上の高周波数（広帯域）地震動シミュレーションの実用化をはかる。これにより、堆積平野での長周期地震動の生成や、不均質な地殻・プレートにより高周波数地震動が散乱して、長い継続時間を持つ地震波の特性や、散乱による地震波の減衰特性を正しく表現し、広帯域の強震動・被害予測に資するシミュレーションコードを整備する。複雑な地震波動場の特性を理解し、人口の集まる平野に強い揺れと被害が生じるまでの過程を地震発生から時間を追って理解することを助ける、不均質波動場のボリューム可視化と、CAVEシステム等を用いた効果的な可視化表現の研究を、神戸大学陰山教授らと共同で進める。
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）のESへの移植と性能チューニングをH23年度に引き続き行なった。今年度は、大規模並列計算における領域分割の形状を、従来の３次元から２次元領域分割に変更し、①隣接ノード間通信の負荷、②分割領域間での計算負荷バランス、③分割モデルサイズとベクトル長、の観点から性能チューニングを進め、ESの128ノード（1024CPU）計算において41%程度の実効性能を得ることに成功した。
平成23年度に開発した、①地震動～水中音波～津波～地殻変動の評価に有効な広帯域地震波動場のPML吸収境界条件、および、②海底面（液体／固体境界）の高精度境界条件を組み込んだ３次元地震動シミュレーションコードを用いて、日本海溝の厚い海水層にトラップされて伝播する長周期表面波のシミュレーションを実施し、広帯域地震観測網に記録された特異な地震波形の説明に成功した。
上記シミュレーションコードを用いて東海・東南海・南海地震の長周期地震動シミュレーションを実施し、計算結果を神戸大学のπ-CAVE没入型可視化システムを用いて可視化し、複雑な震源破壊過程により放射された地震波が南海トラフの不均質な地下構造を伝播し、そして人口の集まる平野に強い揺れと被害が生じるまでの過程を理解するための可視化教材を作成した。
2011年東北地方太平洋沖地震（M9.0)において、関東平野、濃尾平野、大阪平野などで長周期地震動が発生し、超高層ビルが10分間以上にわたって長く揺れたことが問題となった。しかし、このレベルは1944年東南海地震(M7.9）における東京の揺れや、2004年紀伊半島南東沖の地震(M7.6）における大阪の揺れと同程度と小さかった。この原因を確認するために、日本列島周辺の３次元地下構造モデルを用いた地震動（長周期地震動）シミュレーションを実施し、プレート上面の柔らかく厚い堆積物（付加体）が発達し、長周期地震動を誘導させる効果が大きな南海トラフに対して、付加体がなくしかもプレートが急角度で沈み込む日本海溝の地震では長周期地震動の生成レベルが低くなることを確認した。また、東海・東南海・南海地震の数分の時間差発生により、長周期地震動の継続時間が10～20分以上に長くなる恐れがあること、このとき、同時発生に比べて長周期地震動に共振した超高層ビルの累積変異が2～3倍大きくなることをシミュレーション結果に基づき確認した（古村・前田、2012）。
近年、日本列島に高密度に展開された地震計のデータ解析（レシーバ関数解析など）に基づき、新たなフィリピン海プレートの深さ分布形状が提案されている。これは、プレート上面で起きた微小地震の震源分布解析から推定された従来のスムーズなプレートモデルと大きく異なる複雑な形状を持つ。本研究では、新・旧二つのプレートモデルを用いて、プレート内で発生した地震（2006年豊後水道の地震、2006年大分県西部の地震など）の高周波数地震動シミュレーションを実施し、高密度地震観測網（防災科学技術研究所Hi-net）の観測データと比較から、新しい複雑プレートモデルの確からしさを検証するとともに、プレート形状の変化が南海トラフ地震の地震動評価に与える影響、およびHi-netと西南日本の地殻内で発生する自然地震の反射波を用いたプレートの詳細形状の推定の可能性について地震動シミュレーションに基づく検討を行った（Furumura, Maeda and Padhy, 2012）。
岩手県の沖合の日本海溝付近で発生した浅発地震（h=10-20km）の際に、伊豆ー小笠原諸島の青ヶ島観測点において、S波到着の10分後に周期10秒前後の特異な長周期の表面波が観測される。こうした、海域の地震に伴う長周期の後続層の成因を確認するために、日本海溝付近の３次元地下構造モデルを用いた地震動シミュレーションを実施し、長周期表面波の再現を試みた。海水や堆積層の影響や、震源の位置、深さを変えた多数のシミュレーションを実施し、長周期表面波が海溝にトラップされて伝播する波であること、房総半島沖のプレートの３重会合点付近の海溝の屈曲地点において、トラップ波が表面波（Rayleigh波）へと変換して、陸上観測点でに向かうメカニズムを明らかにした（Noguchi, Maeda and Furumura, 2013）。
1707年宝永地震（東海・東南海・南海地震の３連動）の長周期地震動シミュレーション結果を、神戸大学の没入型可視化システム（π-CAVE）を用いて可視化し、南海トラフ地震の巨大な震源域の破壊過程により放射された地震波が、沈み込むプレート上面に厚く覆う付加体を伝わって伝播し、人口の集まる平野に強く長い揺れを生み出すまでの一連の物理過程を、研究者のみならず一般の方が良く理解できるような、地震波伝播の可視化教材を作成した。現在は、地表面の揺れ（２次元波動場）の可視化を対象としているが、今後は地下の波動場を含む３次元波動場のボリューム可視化の実現に向けて研究を進行中である。
(年度当初の研究計画を全て達成した場合を100% / 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記載)
計画1)と2) 両方について、当初計画の70%を達成し、年度末までに残りの計画を完了見込み。
13,000ノード時間積の割り当てに対し、4,593ノード時間積を使用した(12月24日現在)。1月～2月期に集中的に上記(1)(3)課題の継続実施に際して残る計算機資源を利用予定。
(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)
該当なし。
該当なし。
2012年4月30日 NHKニュース9 「長周期地震動 20分以上続く予測も」
2012年12月3日 NHKニュースおはよう日本 「“歴史証言と科学”で巨大地震に迫れ」