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2019 年度 実施状況報告書

データ同化と機械学習の融合による沈み込み帯の摩擦特性の時空間構造の解明

研究課題

研究課題/領域番号 18K03796
研究機関東北大学

研究代表者

加納 将行  東北大学, 理学研究科, 助教 (10739056)

研究分担者 宮崎 真一  京都大学, 理学研究科, 准教授 (00334285)
研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2021-03-31
キーワードデータ同化 / 断層すべり / 摩擦特性 / 機械学習 / 地殻変動 / スロースリップイベント / GNSS
研究実績の概要

本研究は、観測データと物理モデルを直接比較し、場の物理量を推定するデータ同化と、推定結果から情報を最大限に抽出する機械学習を用いて、地殻変動観測データおよび断層運動と摩擦の物理モデルの両面からプレート沈み込み帯の摩擦特性の時空間構造を解明する手法の構築を最終目的とする。
2019年度は、地表面で観測された地殻変動データから、アジョイント法によりプレート境界面の摩擦特性を直接推定する手法を整備し、2003年十勝沖地震の余効すべりを模した数値実験により、妥当性を検証した。これまで、アジョイント行列を直接演算していたが、この行列は疎な行列であるため、行列演算せず微分方程式として解くことで計算時間が従来の数分の一程度に削減された。また、2次のアジョイント法を用いた摩擦特性の推定誤差評価手法を開発し、数値実験を用いて検証を行った。
開発手法を適用することを念頭に、昨年度までに琉球海溝南西部において約6ヶ月周期で繰り返し発生するスロースリップイベント(SSE)の解析を行い、2010-2013 年に発生したSSEの時間発展の振る舞いがSSE毎に異なることを示した[Kano et al. 2018]。2019年度は、解析期間を2018年まで拡張し、2013年以降整備された新規GNSS観測点を加えて、より多くのSSE解析に着手した。今後解析領域を浅部まで拡張し、陸域観測点のみで浅部の固着状態が解明できるか、について検討する。
SSE発生場の理解に向けた基礎研究として、四国西部で発生する短期的SSE発生時に、地震発生帯下部に位置する深さ20km程度のプレート境界でもゆっくりとしたすべりが同期して発生していること[Kano et al. 2019]、1970年代に紀伊半島で発生したSSEが現在観測されるものより規模が大きく、また再来間隔が長かった可能性[Kano and Kano 2019]を示した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

データ同化手法の高速化を行い、計算時間を削減したことで、リアルタイム化に向けてより迅速に摩擦特性の推定が可能になった。現在、このプログラムを用いて2003年十勝沖地震の余効すべり発生域の摩擦特性の推定と地殻変動の予測の再検討を行っている。一方で摩擦特性の時空間構造の解明に向けた機械学習手法の開発は着手した段階であり、両者の融合まではまだ至っていない。しかしながら、地殻変動データの解析による基礎研究として、SSEと巨大地震の時間的・空間的な関連性に関する新たな知見が得られた[Kano et al. 2019, Kano and Kano 2019]。この知見はデータ同化によりプレート境界の断層すべりを理解する上で重要であり、その意味でおおむね順調に進展しているといえる。

今後の研究の推進方策

2019年度までに整備したアジョイント法に基づき地殻変動データから摩擦パラメータを直接推定する手法を、2003年十勝沖地震の余効すべりデータに適用し、摩擦特性の推定とその精度を評価する。また、データ同化と教師なし機械学習のスキームであるクラスタリング手法を組み合わせて摩擦パラメー
タの空間分布を推定する手法を開発し、数値実験によって性能評価を行う。八重山諸島で発生するSSEの解析を引き続き行う。

次年度使用額が生じた理由

機械学習による摩擦特性の時空間分布の解明に向けて、京都大学で集中的に議論を行う予定である。

  • 研究成果

    (13件)

すべて 2019

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 5件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Episodic tremor and slip silently invades strongly locked megathrust in the Nankai Trough2019

    • 著者名/発表者名
      Kano Masayuki、Kato Aitaro、Obara Kazushige
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 9 ページ: 9270

    • DOI

      https://doi.org/10.1038/s41598-019-45781-0

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Possible slow slip event beneath the Kii Peninsula, southwest Japan, inferred from historical tilt records in 19732019

    • 著者名/発表者名
      Kano Masayuki、Kano Yasuyuki
    • 雑誌名

      Earth, Planets and Space

      巻: 71 ページ: 95

    • DOI

      https://doi.org/10.1186/s40623-019-1076-9

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Episodic tremor and slip silently invades strongly locked megathrust in the Nankai Trough2019

    • 著者名/発表者名
      Masayuki Kano, Aitaro Kato, and Kazushige Obara
    • 学会等名
      日本地球惑星科学連合大会2019年大会
  • [学会発表] 1970年代の傾斜記録に基づく紀伊半島でのスロースリップイベントの可能性2019

    • 著者名/発表者名
      加納将行・加納靖之
    • 学会等名
      日本地球惑星科学連合大会2019年大会
  • [学会発表] Uncertainty quantification based on 4DVar data assimilation for massive simulation models2019

    • 著者名/発表者名
      Shin-ichi Ito, Hiromichi Nagao, Masayuki Kano
    • 学会等名
      日本地球惑星科学連合大会2019年大会
  • [学会発表] Episodic tremor and slip silently invades strongly locked megathrust in the Nankai Trough2019

    • 著者名/発表者名
      Masayuki Kano, Aitaro Kato, and Kazushige Obara
    • 学会等名
      IUGG 2019
    • 国際学会
  • [学会発表] Reanalysis of old ground tilt data recorded at Kii Peninsula, southwest Japan2019

    • 著者名/発表者名
      Yasuyuki Kano, and Masayuki Kano
    • 学会等名
      IUGG 2019
    • 国際学会
  • [学会発表] Uncertainty quantification based on 4DVar data assimilation for massive simulation models2019

    • 著者名/発表者名
      Shin-ichi Ito, Masayuki Kano, Hiromichi Nagao
    • 学会等名
      StatSei11
    • 国際学会
  • [学会発表] データ同化に基づく断層すべりの理解・予測と波動場推定の高度化に向けた研究2019

    • 著者名/発表者名
      加納将行
    • 学会等名
      日本地震学会2019年度秋季大会
    • 招待講演
  • [学会発表] 大規模4次元変分法データ同化に基づくスロースリップ断層面における摩擦特性不均一性の不確実性評価2019

    • 著者名/発表者名
      伊藤伸一・加納将行・長尾大道
    • 学会等名
      日本地震学会2019年度秋季大会
  • [学会発表] Episodic tremor and slip silently invades strongly locked megathrust in the Nankai Trough2019

    • 著者名/発表者名
      Masayuki Kano, Aitaro Kato, Kazushige Obara
    • 学会等名
      Joint Workshop on Slow Earthquakes 2019
    • 国際学会
  • [学会発表] 四国西部の深部短期的SSEに同期して固着域下端で発生するゆっくりすべり2019

    • 著者名/発表者名
      加納将行・加藤愛太郎・小原一成
    • 学会等名
      日本測地学会第132回講演会
  • [学会発表] Uncertainty quantification for inhomogeneous frictional features in a slow-slipping fault based on a large-scale four-dimensional variational data assimilation2019

    • 著者名/発表者名
      Shin-ichi Ito, Masayuki Kano, Hiromichi Nagao
    • 学会等名
      2019 AGU Fall Meeting
    • 国際学会

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公開日: 2021-01-27  

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