2021 Fiscal Year Research-status Report

ベイズ推定に基づくアンサンブル地下構造推定から一気通貫した次世代震源解析

Research Project

Project/Area Number	21K14024
Research Institution	Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology
Principal Investigator	縣亮一郎国立研究開発法人海洋研究開発機構, 海域地震火山部門(地震発生帯研究センター), 研究員 (80793679)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2024-03-31
Keywords	ベイズ推定 / 震源解析 / 地下構造推定 / アンサンブル / 深層学習
Outline of Annual Research Achievements	本研究では、１．ベイズ推定に基づく地震波速度構造推定により、地下構造を不確かさの統計的性質ごとアンサンブルとして推定し、２．そのアンサンブルを計算用モデルとしてそのまま取り込むことで地下構造を不確かさごと考慮した震源解析を行うことを目指す。今年度は、１を実施するための手段として、海底での地震探査のデータへの適用を想定した、2次元屈折初動トモグラフィの不確かさ推定手法を開発した。ここでは、支配方程式に基づく損失関数を用いたニューラルネットワークにより支配方程式の求解・パラメータの逆解析を行う方法であるPhysics-Informed Neural Networks(PINN)を、2次元屈折初動トモグラフィに適用するためのアルゴリズムを、Python上のオープンソースライブラリである PyTorchを用いて実装した。さらに、PINNによる逆解析をベイズ推定の枠組みにより定式化し(Bayesian-PINN or B-PINN)、推定対象のパラメータである地震波速度の事後確率分布を推定することで、その不確かさ推定までを行うアルゴリズムを構築し、実装した。現在、簡単な数値実験に設計して開発した手法を適用することで、手法の有効性を検証中である。2について、衛星測地データを用いて、2010・2018年に発生した豊後水道での長期的スロースリップに伴う断層すべり分布を、1次元弾性構造とプレート境界形状の不確かさを考慮して推定した。本研究の内容は、すでに査読付き国際誌に投稿済であり、現在改訂中となっている。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 当初の計画では、本年度までに１の地震波速度構造推定を完了し、2の震源解析と組み合わせた計算プログラムの開発を行うことになっていた。1においては、地震波速度構造が鉛直方向にのみ変化することを仮定し、国内の他の研究者によりすでに手法の開発されている手法を用いて1次元速度構造を推定する計画としていた。しかし、主対象とする海域の地震に関してより適切な解析を行うために、1次元速度構造において無視される水平方向の構造変化を重要視することに方針転換し、2次元構造を推定対象とすることとした。これに伴い、新たな手法開発に着手することとなった。そのため、1の部分での研究開発に当初の予定より多くの時間を割くこととなり、1と2の組み合わせに着手する、という当初の目標には至らなかった。一方で、PINNを用いた支配方程式のパラメータの不確かさ推定はまだ研究例が少なく、特に実データへの適用例はまだほとんどない。現在検討中の数値実験においては、手法の有効性を示唆する結果が得られてきており、先端的な研究成果を創出できる可能性がある。
Strategy for Future Research Activity	今後は、まずPINNを用いた2次元屈折初動トモグラフィの不確かさ推定手法を完成させ、数値実験により有効性を示すことを目指す。その後、地震探査の実データへの適用を進める。適用を構想しているのは、南海トラフ域においてある程度のサイズの地震が発生した場所の付近のサイトにおける屈折法地震探査のデータである。これにより、当該地域の2次元速度構造の事後確率分布を推定する。次に、その事後確率分布から2次元速度構造のアンサンブルを抽出する。抽出したアンサンブルは、２の地下構造を不確かさごと考慮した震源解析において計算用モデルとしてそのまま取り込むことになる。1・2を通じて当初扱う計画であった1次元速度構造では、解析的な手法により地震波の計算が可能である一方、2次元速度構造に基づいた震源解析には差分法や有限要素法などの数値計算手法を用いた地震波の数値計算が必要となる。つまり、2での震源解析に対して、当初の計画より多くの計算資源が必要になるということである。これには、代表者の所属機関の所有するスーパーコンピュータや、他機関の計算環境の有償利用枠などを活用し、柔軟に対応する計画である。
Causes of Carryover	旅費を計上していた学会等がオンライン開催となったため、次年度使用額が生じた。一方で、研究計画の変更により、研究遂行に必要な計算資源量が増えたため、次年度には当初計画以上の計算環境整備のための諸経費（スーパーコンピュータ利用料、データサーバ・ストレージ購入など）が必要となるため、これらに次年度使用額を割り当てる予定である。