測地データと物理モデルを融合した断層摩擦特性の推定手法の構築

• Project/Area Number: 18K03776
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 17040:Solid earth sciences-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 福田 淳一 東京大学, 地震研究所, 准教授 (70569714)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2021: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2020: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2019: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2018: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
• Keywords: 余効変動 / 逆問題 / 余効すべり / 粘弾性緩和 / レオロジー / パラメータ推定 / 事後確率分布 / インバージョン / データ同化 / 物理モデル / 測地データ / 断層摩擦特性 / GNSS / 断層すべり

Outline of Annual Research Achievements

測地学的に観測される余効変動は主に断層における余効すべりとマントルの粘弾性応力緩和の寄与の和であると考えられている。本研究では、応力によって駆動される余効すべりと粘弾性緩和の物理モデルを用いて、これらのプロセスを支配する断層の摩擦構成則やマントルのレオロジーのパラメータの空間変化を測地データに基づいて推定する手法の構築を行っている。パラメータの最適値のみならず、その不確実性も併せて推定するために、本研究ではパラメータ推定の逆問題をベイズ的に定式化し、パラメータの事後確率分布を近似推定する手法の構築を行った。この問題では未知パラメータが数千個以上あり、未知パラメータと観測データの関係が非線形であるため、現実的な計算コストで事後確率分布を推定することは簡単ではない。この困難を克服するために、iterative ensemble smoother (IES)に基づき事後確率分布を近似推定する手法を開発した。計算コストをできる限り軽減するために、パラメータ空間の次元削減とIESを組み合わせた手法を開発した。また、次元削減を行わずに元のパラメータ空間でIESを用いる手法も開発し、両者を数値実験により比較した。その結果、後者の手法により、前者と同程度の計算コストでより良い推定結果が得られることが分かった。また、当初に開発したIESのアルゴリズムでは、数値的にやや不安定な部分があったが、この部分を安定化させるためにアルゴリズムを改良した。さらに、事前分布の与え方や事前分布を近似する粒子の数などの様々な要因が手法の振舞いや推定結果に与える影響を人工的な余効変動の観測データを用いた数値実験により調べた。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

2023年度は開発中の手法の改良や手法の振舞いを調べるための数値実験などを行ったが、数値実験が進むにつれ、当初の予想以上に実装上改良すべき点や手法の振舞いの複雑さが明らかになった。そのため、想定していた以上に多数の数値実験を行う必要があった。その結果、研究の進捗はやや遅れている。

Strategy for Future Research Activity

2023年度に手法の振舞いを調べるための数値実験を行ったが、検討が不十分であるため、さらに数値実験による検討を行う。その後、2022-2023年度に開発してきた手法を論文としてまとめ、学術誌に投稿する。さらに、この手法を現実の余効変動の観測データに適用する。

Research Products

• [Journal Article] Bayesian Inversion for a Stress‐Driven Model of Afterslip and Viscoelastic Relaxation: Method and Application to Postseismic Deformation Following the 2011 Mw 9.0 Tohoku‐Oki Earthquake (2021)
  • Author(s): Fukuda Junichi、Johnson Kaj M.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Solid Earth Volume: 126 Issue: 5
  • DOI: 10.1029/2020jb021620
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Ensemble Kalman inversion for estimating spatially variable parameters: Application to physics-based model of postseismic deformation (2023)
  • Author(s): J. Fukuda and S. Barbot
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2023年大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Bayesian inversion for spatially variable fault frictional properties and mantle rheology using postseismic geodetic measurements (2022)
  • Author(s): J. Fukuda and S. Barbot
  • Organizer: 2022 Americal Geophysical Union Fall Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ベイズ統計学による測地データの非線形逆解析 (2021)
  • Author(s): 福田淳一
  • Organizer: 日本地震学会2021年度秋季大会
  • Invited
• [Presentation] Bayesian parameter estimation of a physics-based model of postseismic crustal deformation (2019)
  • Author(s): J. Fukuda and K. M. Johnson
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Variability of the space-time evolution of slow slip events off the Boso Peninsula, central Japan, from 1996 to 2018 (2019)
  • Author(s): J. Fukuda
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Bayesian inverse modeling of postseismic deformation following the 2011 Tohoku-oki earthquake using mechanically coupled models of coseismic slip, stress-driven afterslip, and viscoelastic relaxation (2019)
  • Author(s): J. Fukuda and K. M. Johnson
  • Organizer: 2019 American Geophysical Union Fall Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Coupled frictional afterslip and viscoelastic relaxation following the 2011 Tohoku-oki earthquake (2018)
  • Author(s): J. Fukuda and K. M. Johnson
  • Organizer: 2018 American Geophysical Union Fall Meeting
  • Int'l Joint Research