2019 Fiscal Year Research-status Report
Estimation of stress accumulation under Hokkaido, Japan, using 3D finite element modeling and analysis of geodetic data
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19K04033
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
橋間 昭徳 東京大学, 地震研究所, 特任助教 (90600461)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 千島海溝 / 有限要素モデル / クーロン破壊関数 / 震源断層 / すべり速度欠損 / インバージョン / 北海道 / 測地データ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、(1) 申請者自身の過去研究にもとづく有限要素モデルによる千島海溝の固着のインバージョンと北海道下の応力計算、(2) 北海道下の現実的な地殻構造を取り込むための新たな有限要素モデルの構築、を並行して行った。2つの研究内容の詳細は以下の通りである。
(1)北海道－東北地方北部のGPS観測網による地殻変動データから太平洋プレート上面のすべり速度欠損分布をインバージョンによって求める。すべり応答関数はHashima et al. (2016, EPS)にもとづく日本列島域の三次元有限要素モデルにより求めた。得られたすべり速度欠損分布を有限要素モデルに入力して、北海道域の応力蓄積速度場と震源断層上におけるクーロン破壊関数を求めた。すべり速度欠損は根室半島沖で～10 cm/yr程度となり、この地域でプレートが全面的に固着していることを示す。北海道域の震源断層におけるクーロン破壊応力の計算結果は、北海道ほぼ全域の震源断層で地震破壊に対し促進的であることを示す。今後、断層の活動性評価の信頼性の向上のために、震源断層の摩擦係数などの物性パラメータの検討が必要である。
(2)最新の地震分布データによる太平洋とフィリピン海プレート上面の形状（Iwasaki et al., 2015, AGU）にもとづき、北海道下の現実的な地殻構造を取り入れることが可能な有限要素モデルを構築した。内部の構造分割も島弧内不均質、日本海下の海洋地殻、スラブにより冷却された上盤マントルの先端部分（Cold Nose）、マントルの成層構造／対流パターンなどを考慮できるように明示的に行った。簡単な設定のもとで、変位応力計算が可能であるかを動作確認した。FEMの作成にはダッソー・システムズ社のAbaqusソフトウェアを用いた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では、三年間の研究期間で、北海道－千島海溝系についてa) 有限要素モデル（FEM）の構築、b) 測地データインバージョン、c) 応力計算の3項目を行うこととしている。研究を効率的に進めるために、申請者の過去研究を適宜参照しながら行う。
2019年度は、a)のFEM構築はほぼ終了した。対象領域は北海道－千島海溝系を含む日本列島域であり、Iwasaki et al. (2015, AGU)に基づくプレート境界形状を導入した。研究の目的に合わせ、島弧域の内部構造について様々なケースを仮定することが可能である。FEMの作成にはダッソー・システムズ社のAbaqusソフトウェアを用いた。簡単な設定のもとで、変位応力計算が可能であるかを動作確認した。今後、効率的な計算のためにメッシュの最適化を行い、今後の研究で使用していく。
b), c)については、申請者の過去研究（Hashima et al., 2016, EPS）で使用したFEMによるすべり応答関数を用いて、インバージョンプログラムを作成した。測地データとして、国土地理院GEONETのGNSSデータを使用し、千島海溝のすべり速度欠損分布を用いた。得られたすべり速度欠損分布をFEMに入力し、内部の応力分布を求める。この応力場から北海道周辺の震源断層面にかかるクーロン破壊関数を求めるためのプログラムも作成した。
以上により、本研究の遂行に必要なプログラムをすべて準備することができた。今後は、a)で作成したFEMを用い、北海道－千島海溝系の内部構造の影響を検討していくことになる。
以上で行った研究の成果については、JpGU2019、IUGG2019、AGU2019で発表した。
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度行った研究準備のもと、今後は新たに作成した有限要素モデル（FEM）を用いて研究を進めていく。
まず、繰り返し多数行う計算のために、FEMメッシュの最適化を行う。次に、測地データを拘束条件として、内部構造、特にリソスフェア－アセノスフェア境界（弾性－粘弾性層境界）を決定する。北海道下の地震波速度構造分布やGNSSデータからは、スラブにより冷却された上盤マントルの先端部分（Cold Nose）や前弧－背弧の構造不均質の影響が指摘されている。これらの影響と、より広域的な大陸／海洋プレート構造、マントルの成層構造を合わせて、千島海溝における沈み込み帯の最適構造を決定する。北海道域においては、2011年東北沖地震、2003年十勝沖地震、それ以前の定常的な固着など様々な影響を受けているので、これらのデータを組み合わせることで、地下の構造を分離することが期待される。また、GNSS以前の三角測量、水準測量、験潮記録等の測地データおよび千島海溝における繰り返し地震履歴も活用し、千島海溝の固着の安定性を数十年のスケールで検証することも可能である。
インバージョンで得られたプレート間の固着レートをFEMに入力し、地下の応力蓄積速度を求める。震源断層の形状から断層面上の応力ベクトルを計算し、さらに断層破壊に対する応力の影響を評価するクーロン破壊関数（ΔCFF）を求める。断層面形状に関しては、地震調査推進本部（2007）のモデルがあるが、申請者も一員である文部科学省の日本海地震・津波調査プロジェクトにおいて、断層モデルの改定や、特に海域での震源断層モデルの作成を行っており、最新データを利用可能である。得られたΔCFFと実際の地震活動を比較し、プレート間固着による応力蓄積プロセスと実際の地震活動の関係について検証を行う。
以上で行う研究の成果をJpGU-AGU2020、AGU2020で発表する。
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| Causes of Carryover |
当該年度の研究に必要な経費は全て使用し、残金がその他の用途に使用するには少額すぎたため。翌年度は物品費として使用する。
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