【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】地球・資源システム工学

【研究領域課題番号】26249137 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

地殻工学 / 地震 / 資源 / AE / 鉱山 / 破壊

【研究成果の概要】

南アフリカ金鉱山の深度約1kmにおいて，採鉱により岩盤内で発生するAEを高分解能観測網により至近距離で計測し，様々な規模(数cm ～100m)の岩盤破壊を検出した．AE源の高精度決定により，厚さ数m，長さ約10-30mで傾斜する板状のダメージ構造を抽出できた．比較的緩やかな応力場変化に起因する大規模破壊は，広範な領域において岩盤が一気にせん断破壊を起こすのではなく，ダメージゾーンの形成が大規模破壊に至る重要な過程と考えられる知見が得られた．また，断層上の定常微小破壊活動，ゆっくり滑りの発生を示唆する活動，超微小繰り返し地震の活動など，これまで知られていなかった様々な微小破壊活動を発見した．

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2014-04-01 - 2018-03-31

【配分額】36,660千円 (直接経費: 28,200千円、間接経費: 8,460千円)

【研究分野】固体地球惑星物理学

【研究領域課題番号】25800253 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

地震 / スロー地震 / 摩擦 / 破壊 / 東北地方太平洋沖地震 / 断層 / 沈み込み帯 / シミュレーション / 動的破壊 / 東北沖地震 / 大地震 / 前震 / 動的弱化 / 滑り速度強化 / 地震発生物理学 / レオロジー / 断層構成則 / 地震破壊 / 超巨大地震

【研究成果の概要】

2011年東北地方太平洋沖地震について，前震による低速な余効滑りと本震による高速滑りの観測データをも用いて，広い速度レンジでの天然断層の摩擦特性を推定した．摩擦特性の推定のために，境界積分方程式法を用いた数値計算を行い，観測により求められた滑りを入力として得られた応力変化を計算した．その結果，前震の余効滑り領域において，10**-6 [m/s]程度の低速滑り時には弱い速度強化特性を示したのに対し，1 [m/s]程度の高速滑り時には強い速度弱化特性を示していたことが明らかとなった．

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2013-04-01 - 2018-03-31

【配分額】3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)

【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】20840048 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

地震現象 / 地震災害・予測 / テクトニクス / データ同化 / 地震 / 室内実験 / 摩擦 / 破壊 / シミュレーション / 動力学的モデル / 計算力学 / 地震発生予測

【研究成果の概要】

本研究では,物理モデルを用いた地震発生の予測を目指して,室内実験系での模擬地震を用いて,データ同化手法を開発している.データ同化とは,断層の固着滑りを表現する物理モデルを構築し,観測データによりモデルの未知パラメタを推定し,将来予測をするといった手法である.そのために,本研究期間内においては,実験装置の立ち上げとデータ取得,物理モデルのシミュレーションのための数値計算コードの開発を行った.また,そのシミュレーションコードを用いて実際の地震のモデル化を行った.

【研究種目】若手研究(スタートアップ)

【研究期間】2008 - 2009

【配分額】3,276千円 (直接経費: 2,520千円、間接経費: 756千円)

【研究分野】自然災害科学

【研究領域課題番号】20510171 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

地震 / 先行現象 / 地球電磁気 / 破壊 / すべり

【研究成果の概要】

地震現象を臨界現象(2次相転移)として短期的に捉えるための新しい時間概念(Natural Time)による時系列解析法によるギリシャでの短期地震予知を検討しEosに出版するとともに、同法を2000年伊豆諸島の群発活動に応用し、その成果はJ.Geophys.Res.に出版された。有意義なSESデータの得られている神津島の地下電気構造の野外調査を行い、Proc.Japan Acad.に出版した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2008 - 2010

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【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)

【研究分野】資源開発工学

【研究領域課題番号】09450383 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

岩石 / 衝撃 / 圧電性 / 電磁波 / 探査 / 斜面安定性 / 予知 / 破壊 / 地震 / 地電流 / 電位差 / 圧電気 / 圧電現象

【研究成果の概要】

ある種の結晶構造に応力が加えられると、応力に比例した分極が生じる。また、このような結晶構造に電場を加えることによって、電場の強さに比例した歪みが生じる。この現象は圧電効果と呼ばれている。この圧電効果は、マイクロフォン、スピーカーやピックアップといった音響機器、ソナーや魚群探知機、厚み計といった計測機器、ライターや内燃機関の点火装置、通信機器のフィルターなどに古くから多方面で応用されている。
岩石の電気的性質をとらえようとしたとき、岩石は異種類の造岩鉱物の集合体であり、圧電性を持つ結晶も中に含む。このことから、岩石も圧電性を持つと考えられている。また、岩石に荷重を加えた際の電気的性質ついては、そのクラックの発生、進展及び破壊の際に、岩石小片の複雑な移動やこれに伴う界面の変化によって電荷の分配が行われ電気信号が観測されることも知られている。しかし、岩石及び岩盤の組織、構造は極めて複雑であるためその電気的性質には解明すべき点や未知の点が数多く残されている。殊に、岩石の圧電性については、試験片で静的に荷重を加えた際の現象についての研究や、発破による振動を与えた際に石英岩脈近傍で生じる電荷についての研究等が報告されているがその数は少ない。
本研究では、花崗岩ブロックにハンマーで衝撃荷重を加えた際に衝撃を加えた点の近傍で生じる電荷と離れたところで生じる電荷及びハンマーに生じる歪みの測定を行い、その結果を述べるとともにその波形を検討し、衝撃荷重を岩石に加えた際の岩石の電気的性質について詳細に検討した。今回の研究の成果としていくつかの興味深い現象が見出された.不明な点もいくつかあり、今後の継続的な研究が是非とも必要であるが、このように荷重を加えた際の岩石の電気的性質を解明することは、岩盤崩壊の検知や圧電鉱物を含む岩石を母岩に持つ鉱脈の探査等多方面に役立つことになると思われる。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1997 - 1998

【配分額】6,600千円 (直接経費: 6,600千円)