【研究領域課題番号】19K04031 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

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 / シミュレーション / 並列計算 / 地震 / 動的破壊 / 地震シーケンス / FDP / H-行列法 / 境界積分方程式法 / 境界要素法 / 北海道胆振東部地震 / Ridgecrest earthquake / 破壊 / スーパーコンピュータ

【研究成果の概要】

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．

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2019-04-01 - 2024-03-31

【配分額】4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)

【研究領域課題番号】19K04009 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

境界積分方程式法 / 地震サイクルシミュレーション / 構造不均質 / 地震 / 断層 / 破壊 / 不均質構造 / XBIEM / 震源物理学

【研究成果の概要】

本研究の目的は、拡張積分方程式法（XBIEM）を用いて、地震サイクルシミュレーションを不均質媒質中へ拡張することにある。この現実的な不均質構造中での自発的な核形成、動的破壊伝播開始と進展、地震後の強度回復、その後の地殻応力載荷という地震発生サイクルシミュレーションを行う。現実的な不均質構造中でのサイクルシミュレーションを行う技術開発を進めており、今年度は、付加帯構造という沈み込み帯に特徴的な構造不均質が地震発生の応力載荷過程に持つ効果を調べることを目的として、構造の２次元断面を単純化した「三角付加帯モデル」においてモードIIの面内破壊問題を考え、弾性変形を計算するための数値計算コードを拡張型境界積分方程式法 (XBIEM)を用いて開発した。

固着域においてバックスリップを与え、上盤の付加帯と下盤のプレートの剛性率コントラストを系統的に変化させて、上盤・ 下盤におけるバックスリップの分配、海底地殻変動の大きさ、およびプレート境界応力載荷量の定量 的変化を数値解析で調べた。同一バックスリップ量に対して、上盤の剛性率が小さくなるにつれ、上盤変位への分配量が増し、海底地殻変動は大きくなる方向に変化し、既往研究と調和的な変位場応答を得た。これに対して応力場は、空間分布はそのままに剪断応力の絶対値が小さくなる応答を示した。これは、地震サイクルにおいて、低剛性率の付加帯構造があると応力載荷レートが下がることを意味する。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2019-04-01 - 2023-03-31

【配分額】4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)

【研究分野】固体地球惑星物理学

【研究領域課題番号】25400441 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

地震 / 断層 / 動的破壊 / 協会積分方程式法 / 亀裂 / 境界積分方程式法 / 不均質媒質 / 体積震源 / 破壊 / 地震発生物理学 / 媒質境界

【研究成果の概要】

我々が提案する拡張積分方程式法（XBIEM）は元々メッシュフリーで境界面・破壊面 形状に制限のない解析法であるが、我々がこれまでに開発した数値計算コードは平面媒質境界を横切る平面亀裂の単純な幾何配置の問題に留まる。これを前進させ、複雑な媒質境界との力学的相互作用を厳密に考慮しながら破壊経路が自在に選択可能な高度化された計算コードを開発をその数学的基礎づけと共におこなう。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2013-04-01 - 2016-03-31

【配分額】4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円)

【研究分野】固体地球惑星物理学

【研究領域課題番号】22540429 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

地震現象 / 境界積分方程式法 / 動的破壊 / 亀裂 / 不均質媒質 / 地震 / 弾性動力学 / 破壊 / 断層

【研究成果の概要】

本研究では不均質媒質中での形状自由な断層挙動の解析を可能にする新たな計算法の開発に取り組んだ。定式化には、任意形状の亀裂の解析に適した境界積分方程式法(BoundaryIntegralEquationMethod:BIEM)を基に、これを不均質媒質に拡張する(eXtendedBIEM=XBIEM)。アイデアは、不均質媒質を区分的に均質媒質とみなしてBIEMを適用し、媒質界面で解を接続する点にある。本研究ではモードIII型断層に対して手法開発を行った。まず、各均質媒質において追加で必要となる表面積分方程式を導いた。そこで新たに現れる表面トラクションがソースとなる核関数の離散表現式の完全に解析な導出を行った点が第一の貢献である。次に、この核関数を用いてXBIEM数値計算コードの開発を行った。本研究の第二の貢献は、媒質表面要素と破壊要素が相互作用する場合に新たに必要となる陰解法時間更新スキームを提案したことである。これらを実装した計算コードを作成し、トラクション核関数の正しさ、および境界接続法の安定性と精度の検証を行った。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2010 - 2012

【配分額】3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)

【研究分野】固体地球惑星物理学

【研究領域課題番号】15740277 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

地震 / 破壊 / 断層 / 有限要素法 / 予測 / 境界積分方程式法 / 亀烈 / 弾性動力学 / 分岐 / 亀裂 / 破壊伝播 / 地震波 / 分岐現象

【研究成果の概要】

地震の破壊経路の理論的予測を行う数値シミュレーションには、従来、境界積分方程式法が用いられてきた。この手法は、「断層面形状」の自由度が高いという特性から広く利用されるようになってきたが、反面、「不均質媒質」中の破壊現象の取り扱いは不得手である。
地殻には不均質構造が普遍的にある(例:地下浅部堆積層と深部基盤岩の境界)。不均質境界に向かう破壊成長は、媒質の弾性定数の不連続分布の力学的効果により破壊経路が変化する可能性が考えられる。そこで本年度、「不均質媒質中」の「破壊経路が自己選択しうる計算法」を新たに開発した。
定式化には有限要素法を用い、2次元せん断(モードII)破壊問題を考える。有限要素法は、不均質性の導入は容易であるが、要素内の変位補間関数の連続性により隣接節点間の変位の不連続(=破壊)の表現は不得手であり、「破壊経路自己選択法」の実現の障害となる。この解決のため、欠損を含む工学材料の引張破壊(モードI)解析に対して最近新しく提唱された「粒子的変位場による離散化法(FEM-β, Hori et al., 2005)」を適用した。引張破壊と異なり、地震のせん断破壊では法線ひずみを保ちつつせん断ひずみ成分が解放される。この特有の境界条件をFEM-βにおいて満足さすことによりモードIIのせん断破壊による生じる静的応力場・ひずみ場解析を行った。
層構造媒質内に、層境界と直行する向きに断層破壊面が存在する状況を考える。この場合、応力に関しては不連続をまたぎ連続的な分布になるのに対し、ひずみに関しては構造境界に沿って不連続を含む分布になることがわかった。また破壊先端が境界に近い程、境界付近でのひずみ不連続性は大きくなる。この解析より、もし破壊基準が応力だけでなくひずみ依存性をも含む場合には、断層面延長方向と異なる方向の境界に沿う破壊経路が新たに選択される可能性が示唆される。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2003 - 2005

【配分額】3,700千円 (直接経費: 3,700千円)