[SCG70-02] 地震観測データと逆伝播計算のデータ同化に基づく震源即時推定
１．はじめに
近年の高密度強震観測網と高速計算環境の整備により、大地震の揺れの観測データと高速計算に基づく遠地の揺れの即時予測の研究が進められている。Hoshiba & Aoki (2005)は、強震観測データと輻射伝達理論に基づく地震波伝播計算の同化に基づいて、揺れの強さ（震度）を即時予測する手法を開発した。Furumura, Maeda & Oba (2019)は、強震観測データと３次元差分法シミュレーション結果を同化し、遠地の平野の長周期地震動をスパコンによる高速計算から即時推定する手法を提案し、さらにOba, Furumura & Maeda (2020)は事前に計算したグリーン関数を用いて瞬時に予測する手法へと拡張した。これら、揺れから揺れの即時予測は震源情報を求める必要はない。一方、揺れのデータ同化は広範囲の地震波動場の時空間発展の豊かな情報を扱うため、揺れの予測のみならず、震源過程に関わる重要な情報源を得ることも期待される。そこで、本研究では観測データ同化を応用して震源情報を即時推定する手法を検討した。
２．データ同化による震源イメージング
震源のイメージングのために、上述の地震波伝播の予測を時間を反転させて実行し、計算結果と観測データの同化を進めながら揺れの分布を発震時まで遡って計算する。運動方程式の時間―空間対称性により、差分法計算の時間を反転させることで、地震波が観測点から逆伝播して震源に戻る過程が再現できる。こうした、地震波逆伝搬計算に基づく震源イメージングは、これまで中小地震の震源（McMechan et al., 1985；Kremers et al., 2011）や微動源（Larmat et al., 2009; Solano et al., 2017）、巨大地震の断層の滑り分布（Larmat et al., 2006)の推定に成功している。これらの研究では、一般に１次元地下構造モデルを用いて観測データを逆伝播させるが、計算と観測のデータ同化は行われていない。本研究は、上記の既往研究を拡張して３次元地下構造モデルを用いた逆伝播計算を行うとともに、観測と計算のデータ同化を導入して、粗い観測点配置と地下構造モデルの不完全性を考慮したより精度の高い震源イメージングを試みた。
３．2016年三重県沖地震の震源イメージング
2016年４月１日の三重県沖の地震（Mw5.8）は、南海トラフ巨大地震の想定震源域の中で発生したことから巨大地震への影響が心配された。しかし、震源が沖合であったことや地下構造の強い不均質性の影響により震源の深さの決定が難しく、地震直後にプレート境界の地震かプレート内部の地震かを即座に判断することが難しかった。
そこで、地震観測記録の逆伝播計算に基づく震源イメージングから、震源、特にその深さの推定可能性を検討した。ここでは、Hi-netの415地点の観測記録を用い、3s成分の速度波形はMaeda et al. (2011）の地震計特性補正フィルタにより広帯域化し、周期2秒のハイカットフイルタをかけた。地震波の逆伝播計算は、JIVSM（Koketsu et al., 2012）地下構造モデルを用いて３次元差分法により行った。計算領域は691 km×575 km×82 km、タイムステップは-0.01 sで100秒間の波動場を逆伝播させた。データ同化には最適内挿法を用い、各観測記録が相関距離10 kmのガウシアン分布の相関があり、また観測と計算の誤差が同程度であると仮定して同化パラメータ（重み）を設定した。
逆伝播計算から求められた、地表の波動場のスナップショット（発震時から80, 60, 40, 0秒）を図aに示す。時間経過とともに各観測点から放射された地震波が震源に向かって逆伝播し、計算結果と観測波形との同化が進むことで滑らかな波面が形作られる様子がわかる。さらに時間が発震時まで遡ると、震央（図aの☆印）付近に地震波が収束する。地震波の大きな震幅は、気象庁震源（図bの×印）より北西方向に4 km離れた、深さ11 kmのプレート上面付近とその直上の地表〜堆積層（付加体）の位置に現れた。図bに、その鉛直断面と水平断面（深さ11 km）での３成分地震波振幅を示す。地震波が収束した場所は、震源とその上の表面波の生成場所に対応すると考えられる。一方、データ同化を行わない従来の震源イメージングでは、震源への地震波の集中が弱く、また震源の周囲に多数の虚像が現れるなど、地震波の収束が悪くなった。
４．まとめと課題
震源の深さを変えた計算波形を用いた実験から、本手法がプレート内の深い地震のイメージングにも有効であることを確認した。深い地震は表面波を出さないため、逆伝播した地震波は地中の震源に集中する。なお、イメージングの解像度は、逆伝搬させる地震波の周期帯や使用する時間窓によっても大きく変わる。観測点密度や、地下構造モデルの不確定性を考慮した同化パラメータの最適化や、逆伝播に用いる地震波の周期帯の調整が重要になる。また、南海トラフ巨大地震の震源域の広がりや、断層面上の強震動生成域の即時推定に向け、強震計のトリガー式記録の扱いや、震源イメージング結果の３次元可視化表示などの工夫も必要である。
近年の高密度強震観測網と高速計算環境の整備により、大地震の揺れの観測データと高速計算に基づく遠地の揺れの即時予測の研究が進められている。Hoshiba & Aoki (2005)は、強震観測データと輻射伝達理論に基づく地震波伝播計算の同化に基づいて、揺れの強さ（震度）を即時予測する手法を開発した。Furumura, Maeda & Oba (2019)は、強震観測データと３次元差分法シミュレーション結果を同化し、遠地の平野の長周期地震動をスパコンによる高速計算から即時推定する手法を提案し、さらにOba, Furumura & Maeda (2020)は事前に計算したグリーン関数を用いて瞬時に予測する手法へと拡張した。これら、揺れから揺れの即時予測は震源情報を求める必要はない。一方、揺れのデータ同化は広範囲の地震波動場の時空間発展の豊かな情報を扱うため、揺れの予測のみならず、震源過程に関わる重要な情報源を得ることも期待される。そこで、本研究では観測データ同化を応用して震源情報を即時推定する手法を検討した。
２．データ同化による震源イメージング
震源のイメージングのために、上述の地震波伝播の予測を時間を反転させて実行し、計算結果と観測データの同化を進めながら揺れの分布を発震時まで遡って計算する。運動方程式の時間―空間対称性により、差分法計算の時間を反転させることで、地震波が観測点から逆伝播して震源に戻る過程が再現できる。こうした、地震波逆伝搬計算に基づく震源イメージングは、これまで中小地震の震源（McMechan et al., 1985；Kremers et al., 2011）や微動源（Larmat et al., 2009; Solano et al., 2017）、巨大地震の断層の滑り分布（Larmat et al., 2006)の推定に成功している。これらの研究では、一般に１次元地下構造モデルを用いて観測データを逆伝播させるが、計算と観測のデータ同化は行われていない。本研究は、上記の既往研究を拡張して３次元地下構造モデルを用いた逆伝播計算を行うとともに、観測と計算のデータ同化を導入して、粗い観測点配置と地下構造モデルの不完全性を考慮したより精度の高い震源イメージングを試みた。
３．2016年三重県沖地震の震源イメージング
2016年４月１日の三重県沖の地震（Mw5.8）は、南海トラフ巨大地震の想定震源域の中で発生したことから巨大地震への影響が心配された。しかし、震源が沖合であったことや地下構造の強い不均質性の影響により震源の深さの決定が難しく、地震直後にプレート境界の地震かプレート内部の地震かを即座に判断することが難しかった。
そこで、地震観測記録の逆伝播計算に基づく震源イメージングから、震源、特にその深さの推定可能性を検討した。ここでは、Hi-netの415地点の観測記録を用い、3s成分の速度波形はMaeda et al. (2011）の地震計特性補正フィルタにより広帯域化し、周期2秒のハイカットフイルタをかけた。地震波の逆伝播計算は、JIVSM（Koketsu et al., 2012）地下構造モデルを用いて３次元差分法により行った。計算領域は691 km×575 km×82 km、タイムステップは-0.01 sで100秒間の波動場を逆伝播させた。データ同化には最適内挿法を用い、各観測記録が相関距離10 kmのガウシアン分布の相関があり、また観測と計算の誤差が同程度であると仮定して同化パラメータ（重み）を設定した。
逆伝播計算から求められた、地表の波動場のスナップショット（発震時から80, 60, 40, 0秒）を図aに示す。時間経過とともに各観測点から放射された地震波が震源に向かって逆伝播し、計算結果と観測波形との同化が進むことで滑らかな波面が形作られる様子がわかる。さらに時間が発震時まで遡ると、震央（図aの☆印）付近に地震波が収束する。地震波の大きな震幅は、気象庁震源（図bの×印）より北西方向に4 km離れた、深さ11 kmのプレート上面付近とその直上の地表〜堆積層（付加体）の位置に現れた。図bに、その鉛直断面と水平断面（深さ11 km）での３成分地震波振幅を示す。地震波が収束した場所は、震源とその上の表面波の生成場所に対応すると考えられる。一方、データ同化を行わない従来の震源イメージングでは、震源への地震波の集中が弱く、また震源の周囲に多数の虚像が現れるなど、地震波の収束が悪くなった。
４．まとめと課題
震源の深さを変えた計算波形を用いた実験から、本手法がプレート内の深い地震のイメージングにも有効であることを確認した。深い地震は表面波を出さないため、逆伝播した地震波は地中の震源に集中する。なお、イメージングの解像度は、逆伝搬させる地震波の周期帯や使用する時間窓によっても大きく変わる。観測点密度や、地下構造モデルの不確定性を考慮した同化パラメータの最適化や、逆伝播に用いる地震波の周期帯の調整が重要になる。また、南海トラフ巨大地震の震源域の広がりや、断層面上の強震動生成域の即時推定に向け、強震計のトリガー式記録の扱いや、震源イメージング結果の３次元可視化表示などの工夫も必要である。