超大規模シミュレーションで再現する大地震の動的破壊過程

2021 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 19K04031
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 安藤 亮輔 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (10455256)
• 研究分担者: 伊田 明弘 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 付加価値情報創生部門(地球情報基盤センター), 副主任研究員 (80742121)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: カイコウラ地震 / 動的破壊シミュレーション / 地震発生 / H行列 / 地震サイクル / 高性能計算 / 高速領域分割法 / モデル

研究実績の概要

境界積分方程式法を用いた完全動的破壊シミュレーションおよび準動的地震サイクルシミュレーションに対して，高性能並列計算機（HPC）環境へのアルゴリズム最適化を行い，超大規模計算でしか実行できない現実的な地震現象のモデル化を行っている．これまで，高速
領域分割法（FDPM）に基づく動的破壊伝播シミュレーションを用いて，2016年カイコウラ（ニュージーランド）地震，2011年福島県浜通りの地震，2011年・2015年茨城県北部の地震について，断層の3次元複雑性を考慮したモデル化を行い，実際に観測された動的破壊過程の再現およびパラメタスタディによるモデル挙動の評価を実施した．また，準動的地震サイクルシミュレー ションコード（HBI）に，格子H行列法の汎用ライブラリであるHACApKを実装し，超大規模並列において通常H行列の実装を凌駕する性能を持つことを示した．本コードの計算結果 は，南カリフォルニア地震センターの実施する国際的なコード評価プログラムに投稿し性能評価された．さらに本手法を用いて断層形状複雑性を考慮したモデルにより余震の発生過程をシミュレートすることに初めて成功するとともに，断層の屈曲構造が地震規模の長時間統計に与える効果を一般的に明らかにした．また，中央構造線活断層帯を対象として，実際の断層における応力蓄積と地震発生過程のサイクルのモデル化を行った．さらにH行列法をこれまでの静的問題から動的問題への適用を可能とするFDP=H行列のアルゴリズム開発を行い，3次元動弾性変位波動問題に対してHACApKを拡張し実装した．本アルゴリズムの計算性能を評価したところ，近似精度と数値計算効率化の両面で期待通りの結果を得た．

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

本研究では，シミュレーションコードの開発と地震現象への応用を行うことを目的としている．これまでに開発した動的破壊シミュレーションおよび準動的地震サイクルシミュレーションのためのコードのいずれにおいても，H行列を組み合わせた新たな高効率手法の実装を行うことができた．また，動的破壊伝播シミュレーションにおいては，実際の地震時の観測との比較が，準動的地震サイクルシミュレーションにおいては地震統計や古地震学的な観測との比較検討が進んでいる．これまでのところ，どの項目においても概ね予定通りの進捗が得られているといえる．また取りまとめの完了したものから，学会及び国際誌で発表している．

今後の研究の推進方策

本研究はおおむね順調に計画を推進していると評価している．今後は，ここまでに構築してきた高効率アルゴリズムを用いて，最新のHPC環境を用いて，従来より一桁程度大きな要素数と時間ステップ数の問題に取り組み，より広範囲なモデル化，および高精細なモデル化を実施し，地震現象の物理的な理解を深めるとともに予測可能性の向上を目指す．

次年度使用額が生じた理由

大規模並列計算環境とデータ保存領域の確実な確保のために計算機使用料を計上していたが，無償の計算資源配分枠に採択されたために予算執行を見送った．今後の計画を発展させるために，さらなる大規模演算環境の確保とコード効率化の役務に使用する計画である．

研究成果

• [国際共同研究] GNS Science/Canterbury University(ニュージーランド)
  • 国名: ニュージーランド
  • 外国機関名: GNS Science/Canterbury University
• [雑誌論文] Community-Driven Code Comparisons for Three-Dimensional Dynamic Modeling of Sequences of Earthquakes and Aseismic Slip (SEAS) (2022)
  • 著者名/発表者名: Junle Jiang, Brittany Erickson, Valere Lambert, Jean-Paul Ampuero, Ryosuke Ando, Sylvain Barbot, Camilla Cattania, Luca Dal Zilio, Benchun Duan, Eric M. Dunham, Alice-Agnes Gabriel, Nadia Lapusta, Duo Li, Meng Li, Dunyu Liu, Yajing Liu, So Ozawa, Casper Pranger, Ylona van Dinther
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research 巻: 127 ページ: -
  • DOI: 10.1029/2021JB023519
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] arge-scale earthquake sequence simulations on 3D geometrically complex faults with lattice H matrices (2021)
  • 著者名/発表者名: 小澤創、伊田明弘、星野哲也、安藤亮輔
  • 学会等名: 日本地震学会秋季大会
• [学会発表] Strength of Geometrical Barriers in Simulated Earthquake Sequences (2021)
  • 著者名/発表者名: So Ozawa, Ryosuke Ando, Eric M. Dunham
  • 学会等名: Earthquakes (3rd edition)
  • 国際学会
• [学会発表] Rupture segmentation caused by fault bends in simulated earthquake sequences (2021)
  • 著者名/発表者名: 小澤創, 安藤亮輔
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合大会
• [学会発表] 準動的地震シークエンスシミュレーションを用いた中央構造線断層帯の連動破壊過程の解明 (2021)
  • 著者名/発表者名: 村松和紀，小澤創，安藤亮輔
  • 学会等名: 日本地震学会秋季大会
• [学会発表] Why the Hope fault bypassed during the 2016 Kaikoura earthquake? (2021)
  • 著者名/発表者名: 安藤 亮輔1, 金子 善宏, Andy Howell, Andy Nicol, Robert Langridge, Ian Hamling
  • 学会等名: 日本地震学会秋季大会