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ホーム   強震動予測の最先端/壇 一男   4. 内陸地震による強震動と永久変位の予測のための断層モデル設定法
  • 1. 強震動予測に用いられる震源モデル
  • 2. 地震本部の強震動予測のための「レシピ」とその課題
  • 3. 熊本地震などによる地震本部の「レシピ」の検証
  • 4. 内陸地震による強震動と永久変位の予測のための断層モデル設定法
  • 5. 海溝付近の巨大地震による強震動と津波の予測のための断層モデル設定法
  • 6. 相模トラフと南海トラフの巨大地震による予測強震動
壇 一男

(だん かずお
/ Kazuo Dan)
熊本大学 教授

1960年
福岡県山門郡瀬高町(現在、福岡県みやま市瀬高町)にて出生
1982年
東京大学 工学部 建築学科 卒業
1984年
東京大学 大学院 工学系研究科 建築学専攻 修士課程 終了
1984年
清水建設 株式会社 入社
1989年
中国国家地震局工程力学研究所にて共同研究 (3月~7月)
1991年
東京大学より学位授与
2020年
清水建設 株式会社 定年退職
2020年
熊本大学赴任 現在に至る

■所属学協会

日本建築学会

日本地震工学会


■受賞歴

2000年
日本建築学会 奨励賞
2007年
日本建築学会 学会賞(論文)

熊本大学建築構造・防災研究室

http://hagane.arch.kumamoto-u.ac.jp/#3

4. 内陸地震による強震動と永久変位の予測のための断層モデル設定法

前回、地震調査研究推進本部(2017)1)がとりまとめた強震動予測のための「レシピ」を2016年熊本地震に適用した事例を紹介しました。その結果、地表地震断層にきわめて近い場所において、永久変位を含む強震動の再現性が低いことがわかりました。この課題については、いくつかの研究チームにより改善案が提案されています。そこで、今回は、田中・他(2018)2)およびDan et al.(2019)3)による改善例を説明したいと思います。また、これらの改善例を踏まえた内陸地震の「断層モデルのイメージ」を紹介します。

4.1 田中・他(2018)2)による改善例

熊本地震の地表地震断層にきわめて近い場所において、地震本部の「レシピ」にもとづいて設定した断層モデル(Model-01と呼んでいます)では、永久変位を含む強震動の再現性が低かったことに対して、田中・他(2018)2)は2つの改善策を考えました。

ひとつは、浅部断層のパラメータを修正したモデルで、過去の地震のデータを統計処理して求めた平均すべり量ではなく、その1.4倍を用いました。また、すべりの立ち上がり時間も平均ではなく、その半分にして、地震動の最大速度が大きくなるようにしました(断層のすべり量が同じでも、立ち上がり時間が半分になると断層のすべり速度は2倍になります)。このモデルをModel-02と呼んでいます。ただし、「レシピ」では、そもそも浅部断層を考慮していませんので、これは「レシピ」の改善というわけではなく、前回紹介したModel-01の浅部断層の改善です。Model-02を【図1】の(a)に示します。

もうひとつは、震源断層の面積を広げたモデルで、具体的には、布田川断層の南側を平行に走る出ノ口(いでのぐち)断層を付加したモデルです。全体の断層面積を大きくして、すべり量をやや大きくするとともに、専門的になりますが、地表地震断層(布田川断層)にきわめて近い場所において、地震波の放射特性の影響で小さめになった地震動が大きくなるようにしました。(注釈:地震波の放射特性とは、断層面のすべる方向によって、地震波の多く出る方位や少なく出る方位があるという現象をいいます。)このモデルをModel-03と呼んでいます。このモデルも「レシピ」の改善というわけではなく、前提条件として与える震源断層を追加したものです。Model-03を【図1】の(b)に示します。

(a)Model-02

(b)Model-03

(c)西原村における観測波形と計算波形

【図1】2016年熊本地震の観測記録の再現性を向上させる断層モデル(Model-02, Model-03)と
西原村における観測波形と計算波形(田中・他, 2018)2)

【図1】の(c)は、地表地震断層から約700mのところの西原村における計算結果です。波形は、上から、観測速度波形(単位はcm/s)、Model-02による計算速度波形、Model-03による計算速度波形、および観測変位波形(単位はcm)、Model-02による計算変位波形、Model-03による計算変位波形です。Model-02による計算波形もModel-3による計算波形も、観測記録をほぼ再現できていることがわかります。

田中・他(2018)2)は、さらに、これらのモデルの優劣をつけるために、面的に永久変位を計算して、InSAR(Interferometric Synthetic Aperture Radar:干渉合成開口レーダー)による地殻変動量(Himematsu and Furuya, 2016)4)と比較することにより、Model-03のほうが適切であると結論づけました。

これらの検討により、地震本部の「レシピ」を用いる場合、前提条件として与える震源断層をどのように設定するかが非常に重要であること、および「レシピ」では想定されていない浅部断層をモデル化する必要があることが示されました。

4.2 Dan et al.(2019)3)による改善例

前々回(第2回)に、地震本部の「レシピ」では、地表地震断層をともなう第2ステージや第3ステージの地震に対しても、周囲が拘束された円形クラックの式で、応力降下量を算定していることは問題であるが、これは未解決の課題であり、その対応策として、暫定的な措置が示されていることを説明しました。

壇・他(2011)5)および壇・他(2015)6)は、この課題を解決するために、地表地震断層をともなう地震に適用できる応力降下量の近似式を求めたうえで、断層パラメータの設定手順を提案しました。また、Dan et al.(2019)7)は、これらの設定手順を1999年トルコKocaeli地震($\small M_W7.6$、断層長さ141km)と2008年中国四川地震($\small M_W7.9$、断層長さ279km)に適用して、強震記録の再現を行いました。ただし、これらの再現計算では、地震本部の「レシピ」と同じく、浅部断層からは強震動は生成されないとしており、応力降下量の算定式の変更にとどまりました。

その後、熊本地震が起こって、この手順にしたがうだけでは、西原村における永久変位は再現できないことから、Dan et al.(2019)3)は、別途、Ikutama et al.(2018)8)によって提案されていた浅部断層の設定手順と融合することを考えました。

【図2】の上図は、この融合手順(以降、「拡張レシピ」と呼びます)による熊本地震の断層モデルです。

【図2】地表地震断層をともなう地震の断層モデル設定法(拡張レシピ)にしたがった
2016年熊本地震の断層モデルと西原村における観測波形と計算波形(Dan et al., 2019)3)

【図2】の下図は、上図の断層モデルを用いて計算された西原村における観測波形と計算波形です。波形は、左の列が加速度波形、中央の列が速度波形、右の列が変位波形です。いずれの列でも、黒線が観測波形、青線が震源断層のみによる計算波形、赤線が震源断層と浅部断層による計算波形です。これらの図から、震源断層だけでは速度波形や変位波形が再現できないのに対して、浅部断層を付加すると、速度波形も変位波形も再現できるようになることがわかります。

4.3 内陸地震による強震動と永久変位の予測のための断層モデルのイメージ

前節で述べた熊本地震に関する知見と既往の内陸地震に関する知見にもとづき、壇・他(2020)9)は、断層モデルのイメージを【図3】のように考えました。

(a)マグニチュード6クラスの内陸地震

(b)マグニチュード6.5クラスの内陸地震

(c)マグニチュード7クラス以上の内陸地震

【図3】内陸地震の断層モデルのイメージ(壇・他, 2020)9)

(a)は、マグニチュードが6クラスの内陸地震の場合で、断層破壊は地震発生層(seismogenic layer)の中にとどまっています。この場合、応力降下量の大きいところ(high-stress-drop area)と大きくすべったところ(large-slip area)は一致しています。これは、第1ステージの地震で、1997年鹿児島県北西部地震($\small M_W6.1$)や1997年山口県北部地震($\small M_W5.8$)などです。この状況のときは、円形クラックの式で応力降下量を算定できます。

(b)は、マグニチュードが6.5クラスの内陸地震の場合で、断層破壊が一部、地表面に達しています。これは、第1ステージと第2ステージの中間の地震で、2000年鳥取県西部地震($\small M_W6.6$)などです。この状況のときの応力降下量の算定方法は研究が進んでいませんが、地表面での応力の解放が十分ではないので、円形クラックの式で応力降下量を算定できそうです。

(c)は、マグニチュードが7クラス以上の内陸地震の場合で、断層破壊が地表面に達しています。この場合、震源断層では、応力降下量の大きいところと大きくすべったところは一致していますが、浅部断層(surface layer内の断層)では応力降下量が大きくなくても、すべりが大きいところが現れてきます。これは、第2ステージと第3ステージの地震で、2016年熊本地震($\small M_W7.1$)や1999年トルコKocaeli地震($\small M_W7.6$)などです。この状況では、円形クラックの式では応力降下量が算定できないので、それに代わる近似式を用います。

地震調査研究推進本部(2014)10)では、現行の「レシピ」を用いて、第2ステージや第3ステージの内陸地震の強震動予測をすでに行っています。例えば、東京ですと立川断層帯(断層長さ約33km、マグニチュード7.4程度)、大阪ですと上町断層帯(断層長さ約42km、マグニチュード7.5程度)、福岡ですと警固断層帯(断層長さ約55km、北西部ではマグニチュード7.0程度、南東部ではマグニチュード7.2程度)、仙台ですと長町・利府線断層帯(断層長さ21~40km、マグニチュード7.0~7.5)です。

例として、【図4】に、立川断層帯と長町・利府線断層帯の地震による予測震度を示します。いずれの断層も地震発生層内の震源断層のみをモデル化しているので、これに、浅部断層を付加して、その影響を考慮する必要があります。

(a)立川断層帯($\small M7.4$)

(b)長町・利府線断層帯($\small M7.5$)

【図4】地震調査研究推進本部(2014)10)による強震動予測結果の例

浅部断層が考慮されていないことが顕著に見えるのが、(b)に示した長町・利府線断層帯の結果です。図中の大きいほうの長方形は破壊域全体を示しており、太い線が、地表面に出ている部分です。また、2個ある小さい長方形がアスペリティで、応力降下量が大きく、大きくすべる部分です。これらのアスペリティから強震動が放出されるため、その近くで震度が大きくなっています。また、少し離れたところで震度が大きくなっているのは地盤増幅の影響です。

一方、大きい長方形の太い線の左上のほうにある細い線が、震源断層の上端部分です。したがって、この細い線と太い線で囲まれた長方形部分は、実際は破壊領域で断層がすべるのですが、断層モデルとしては設定されておらず、すべりもゼロとなっています。この部分に大きくすべる領域を設定すると、太い線で示される地表地震断層にそって、永久変位とともに大振幅の強震動が算出されることになり、結果がかなり異なってくると思います。

今後、このような熊本地震で得られた新しい知見を強震動と永久変位の予測に反映されることが望まれます。

謝辞:【図1】は、参考文献2)からの引用です。図の使用許可をいただきました東電設計の田中信也博士・ほか3名の著者に、記してお礼を申し上げます。

参考文献

1)
地震調査研究推進本部(2017):震源断層を特定した地震の強震動予測手法(「レシピ」), https://www.jishin.go.jp/main/chousa/20_yosokuchizu/recipe.pdf
2)
田中・他(2018):地表地震断層近傍における永久変位を含む長周期成分の地震動評価のための震源モデルの設定方法, 日本建築学会構造系論文集, 第83巻, 第752号, pp. 1525-1535.
3)
Dan et al.(2019):Extension of the procedure for evaluating parameters of strike-slip fault with surface breakings for strong motion prediction, Proceedings of the 7th International Conference on Earthquake Geotechnical Engineering, pp. 1952-1960.
4)
Himematsu and Furuya(2016):Fault source model for the 2016 Kumamoto earthquake sequence based on ALOS-2/PALSAR-2 pixel-offset data:Evidence for dynamic slip partitioning, Earth, Planets and Space, Vol. 68, https://doi.org/10.1186/s40623-016-0545-7.
5)
壇・他(2011):長大横ずれ断層による内陸地震の平均動的応力降下量の推定と強震動予測のためのアスペリティモデルの設定方法への応用, 日本建築学会構造系論文集, 第670号, pp. 2041-2050.
6)
壇・他(2015):長大な逆断層による内陸地震の断層モデルのパラメータの設定方法の提案, 日本建築学会構造系論文集, 第80巻, 第707号, pp. 47-57.
7)
Dan et al.(2019):Validation of the new procedures for evaluating parameters of crustal earthquakes caused by long faults for ground motion prediction, Bulletin of the Seismological Society of America, Vol. 109, No. 1, pp. 152-163.
8)
Ikutama et al.(2018):Source modeling for predicting ground motions and permanent displacements very close to the fault trace, Journal of Earthquake and Tsunami, Vo. 12, No. 4.
9)
壇(2020):強震動予測に用いられる学術用語としての「アスペリティ」について, 日本建築学会構造系論文集, 第85巻, 第778号, pp. 1533-1543.
10)
地震調査研究推進本部(2014):全国地震動予測地図, 別冊, 震源断層を特定した地震動予測地図.