学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 平成 29 年度共同研究 最終報告書 2018 年 5 月

jh170026‐NAJ

グリーンランド氷床モデルを用いた 3 次元理論地震波形計算
豊國源知（東北大学）

概要 北極グリーンランドでは，2011 年から氷床上での本格的な地震観測がスタートした．申請者も観測隊の一員として，7 年間毎年現地で地震計のメンテナンス作業を続けてきた．現在はリアルタイムでのデータ転送も行われ，氷床の影響を受けた地震波形データが蓄積されている．本研究課題は，3 次元理論地震波形計算により，氷床の内部構造と観測地震波形との関係を明らかにすることを目的とした．まず各観測点間の連続記録の相互相関波形から表面波の波形を抽出した．次に氷床の地形や基盤岩地形を考慮した現実的な 3 次元地震波形計算を行い，理論地震波形を得た．観測波形と理論波形とを比較することで，以下のような成果を得た．①相互相関によって抽出された観測波形は，理論波形と十分よく一致しており，観測の精度が確かめられた．②氷床の減衰（Q 値）を変えて複数回計算を行うことで，(QP, QS)=(20,20)が最もよく観測波形を説明することが明らかとなった．氷床の高減衰が震央距離 100 km を超えるような長距離の伝播で初めて確認された研究例はこれまでになく，世界に先駆けた成果が得られた．

1. 共同研究に関する情報

地震観測網を構築するプロジェクト「GreenLand(1) 共同研究を実施した拠点名

Ice Sheet monitoring Network（略称 GLISN）」

東北大学 サイバーサイエンスセンターが発足した．2008 年以前には，厳しい気候条件や東京大学 情報基盤センター

氷床へのアクセスの難しさによって，グリーンランドとその周辺の島々に置かれた地震観測点は16 点しかなく，このうち氷床上の点はわずか 1 点(2) 共同研究分野■

超大規模数値計算系応用分野のみであった．GLISN プロジェクトでは，航空機

超大規模データ処理系応用分野

による機動的な観測によって，氷床上へ 3 点の観

超大容量ネットワーク技術分野

測点新設を含む，計 33 点の稼働に成功した．

超大規模情報システム関連研究分野(3) 参加研究者の役割分担
研究代表者：豊国源知（東北大・助教）：
コードの開発と演算の実行，結果の解釈
共同研究者：竹中博士（岡山大・教授）：
コードの開発共同研究者：江川隆輔（東北大・准教授）：
高速化・最適化支援
共同研究者：小松一彦（東北大・助教）：
高速化・最適化支援

2. 研究の目的と意義
2009 年に，11 ヶ国の国際共同でグリーンラン

図 1：GLISN 地震観測点の分布．赤色は日本隊が設ドとその周辺の島嶼地域に広帯域・リアルタイム置・メンテナンスを行った点．黄色はその他の点．

1

学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 平成 29 年度共同研究 最終報告書 2018 年 5 月

日本は本プロジェクト発足当初からの参加国で氷床は平面的で単調な分布をしているため，氷床あり，本格的な観測がスタートした 2011 年からを水平成層構造として扱えば簡単に波動場を再現

毎年観測隊を派遣して，観測網の構築とメンテナできるという先入観が存在していた．氷床は地震ンスに携わっている．申請者も日本の観測隊メン

波速度や密度が極端に小さく，僅かな形状の違いバーとして，これまでの 6 年間に，氷床上の観測で観測波形は大幅に変化することから，水平成層点 1 点（観測点コード ICESG）の新設，および他構造で観測波形を説明するのが難しい．本課題はの氷床上の観測点 2 点（DY2G，NEEM）と露岩

このような氷床起源の波形に価値を見出し，励起域の観測点 3 点（NUUK，SOEG，DBG）のメンメカニズムの解明から利用方法までを統一的に研．プロジェクト全体テナンスを行ってきた（図 1）究するものであり，独創的な着眼点を持っているでも氷床上の観測に携わっているのはアメリカとと自負している．

日本のみであり，氷床上の観測に対する我が国の最近申請者らは，氷床表面を伝播する地震波を貢献は極めて大きい．

解析することで，グリーンランド北西部の氷床が氷床を通過した地震波の波形は， (1) P 波や S基底部で圧力融解を起こしている証拠を世界に先波の立ち上がりが不明瞭，(2) 周期数秒で小振幅駆けて発見した（Toyokuni et al., 2017）．従来，の鋸歯状の波が現れる，(3) S 波の後続波部分に大地球温暖化による海面上昇の影響は，氷床表面の振幅の波群（点線枠部分）が現れる，といった特氷の融解を中心に見積もられてきた．地震学的観徴が見られることが知られている（Toyokuni et

測と理論地震波形計算によって氷床基底部におけal., 2015）．氷床の影響を受けた地震波形を地下構る融解を定量的に見積もることができれば，海面造の解析等に利用する場合は，十分に氷床の影響上昇の予測精度のさらなる向上が可能となる．こを除去しないと精度良い解析は望めない．一方で，れは 2015 年 10 月 16 日に全閣僚を構成員とする氷床による波形の大きな変形は，浅い地震の震源

総合海洋政策本部によって決定された日本の北極決定，氷床内部の構造とその時間変化の解析等に政策（http://www.kantei.go.jp/jp/singi/kaiyou/

利用できる可能性も秘めている．本研究課題は，arcticpolicy/）における 2 つの課題（地球環境問題，最も現実に近い理論地震波動場を計算できる 3 次科学技術）にまたがるテーマであり，極めて重要元シミュレーションにより，氷床の影響を受けたである．

地震波動場の生成メカニズムや氷床の内部構造を3. 当拠点公募型共同研究として実施した意義明らかにすることを目的とする．
本研究課題は，氷床によって励起された地震波地震波形における氷床の影響は，高周波成分ほ形とその励起メカニズムを専門的に取り扱うもの

ど顕著に現れる．3 次元構造モデル中を伝播する 3である．このような研究は南極とグリーンランド

次元地震波動場の計算を行う「3 次元モデリング」のどちらの氷床についても行われていなかった．の場合，高周波まで計算を行うためには構造モデ一方，氷床によって波形が大きく歪められることルを極めて細かいグリッドに分割する必要がある．

は観測波形から明らかであり，この波形ノイズを特にグリーンランドは南北 2000 km，東西 1000

どう対処するかは，氷床上での観測事例が増加す

km もの広がりがあることから，例えば卓越周波るにつれて，データ解析に従事する全ての研究者

数 5 s まで計算を行う場合，南北 4 千 ×東西 2 千×が必然的に直面する課題である．

鉛直 6 百空間格子×2 万時間ステップという大規模氷床により励起される波動場が注目されてこなな計算が必要となる．加えて構造モデル・震源位

かった背景には，これまで極地で地震観測・デー置・震源メカニズム等について比較検討を行うた

タ解析を行った研究者のほとんどが，波形ではな

めには，少なくとも数 10 例の数値計算を行わなけ

く走時をメインに利用してきたことがある．またればならないため，当拠点で提供されている大規2

学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 平成 29 年度共同研究 最終報告書 2018 年 5 月

5-2. 3 次元理論地震波形計算

模計算機環境が必須となる．

3 次元計算に用いたスキームは，Takenaka et al.
(2017)で提案された Quasi-Cartesian FDM であ

4. 前年度までに得られた研究成果の概要

る．これは差分法で 3 次元の地震波伝播をモデリ

本課題は継続課題ではないので該当しない．

ングする手法の 1 つで，地球の曲率，地下の 3 次

5. 今年度の研究成果の詳細

元密度・地震波速度・減衰構造，地形，海水を考本課題の研究内容は，GLISN 観測網の地震計で慮して，現実的な理論地震波形を計算できる．本得られる表面波観測波形の抽出，3 次元理論地震

課題では現実的な氷床・基盤岩地形データ

波形計算による表面波理論波形の合成，観測波形(ETOPO1)と，Crist1.0 モデルによる地殻・マンと理論波形との比較による地下構造の理解と考察

トル構造を導入して構造モデルを作成した．ただ，に大別される．以下の各項で成果を報告する．

グリーンランド全域を離散化すると格子点数が膨大になることから，主要な観測点が分布している
3 つの小領域（Region1～3）切り出し，重点的に5-1. 観測地震波形の抽出

本課題前半ではまず，理論波形の比較対象と．計算には東大情報基盤セン計算を行った（図 2）なる観測地震波形の抽出を行った．3 次元計算は

ターFX10（216 ノード, 432 プロセッサ, 8 スレッ

格子間隔 500 m 程度で行う予定であるため，このド)と東北大学サイバーサイエンスセンター

格子間隔でも十分な時空間分解能を持ち，かつ氷床の情報を効率的に抽出できる，周期帯域 3～10 sの表面波に着目することとした．通常の表面波は地震イベントが発生しないと励起されないため，そもそも自然地震の少ないグリーンランドでは不向きである．そこで本課題では，雑微動記録を利用して表面波の波形を抽出した．
地面は自然のノイズによって絶えず振動しているので，2 観測点で得られた雑微動記録を同じ時間窓で切り出して相互相関を取ると，観測点間を伝播する微弱な表面波の情報が含まれる．連続データを用いて，大量の異なる時間窓から得られた相互相関波形をスタックすると，表面波の信号が強められ，片方の観測点を仮想的な震源，もう片方の観測点を仮想的な受信点とする表面波のグリーン関数を抽出できるようになる．このような手法は「地震波干渉法」と呼ばれ，地震イベントの発生状況に左右されずに地下構造が調べられるという特色を持つ．本研究では，GLISN 観測網の16 点で得られた 4.5 年間の連続上下動記録に地

図 2：理論地震波形計算に用いた 3 つの小領域．赤三震波干渉法を適用して，合計 90 ペアで安定した角は観測波形の抽出を行った点．背景の色は氷床の厚レイリー波のグリーン関数を得た（Toyokuni etさを表す．

．
al., 2017）3

学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 平成 29 年度共同研究 最終報告書 2018 年 5 月

図 3：Region1 の計算に用いた地表地形（左）と基盤岩地形（右）．理論地震波形計算に用いた 3 つの小領域．赤三角は観測点かつ理論波形の加振を行った点．

SX-ACE を用い，MPI と OpenMP のハイブリッ
表 1：3 次元計算の諸元（Region1）

ド計算で行った．各小領域における計算諸元は表

空間格子間隔0.0036◦×0.0036◦×0.25 km

1～3 に示した．また Region1 の計算に用いた地表

空間格子数

3001×2001×821

地形と基盤岩地形を図 3 に示した．5-1 で得られ

時間刻み

0.014 s

た観測波形は，片方の観測点を仮想的な震源（鉛

時間ステップ数29001（406 s 間）直加振），もう片方の観測点を仮想的な受信点とするグリーン関数の波形であるので，理論波形も各観測点にパルス幅 1 s のベル型関数を用いて鉛直

表 2：3 次元計算の諸元（Region2）
空間格子間隔0.0018◦×0.0018◦×0.1 km加振を行い，理論グリーン関数を得た．計算は各空間格子数2501×2301×641

小領域について，氷床の減衰構造（Q 値）を変え時間刻み0.005 sるなどして複数回行った．

時間ステップ数

40001（200 s 間）
5-3. 観測波形と理論波形の比較と考察
観測波形の抽出に用いた地震波干渉法は，「観測表 3：3 次元計算の諸元（Region3）
空間格子間隔0.0036◦×0.0036◦×0.25 km

空間格子数

2701×2301×821

時間刻み

0.014 s

時間ステップ数

29001（406 s 間）

点間の常時微動記録の相互相関波形は，長期的に平均するとグリーン関数に近似される」という仮定に基づいた手法である．本課題では，まずこの仮定が成り立つかどうかを，理論グリーン関数と比較して検証した．
4

学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 平成 29 年度共同研究 最終報告書 2018 年 5 月

6. 今年度の進捗状況と今後の展望
前項で示したように，本課題は順調に進行し，世界に先駆けた成果を得ることができた．今後成果をまとめ，国際誌へ投稿する予定である．

7.

研究成果リスト(1) 学術論文
Toyokuni, G., H. Takenaka, R. Takagi, M.
Kanao, S. Tsuboi, Y. Tono, D. Childs, and D.
Zhao (2017) Changes in Greenland ice bed
conditions inferred from seismology, Phys.
Earth Planet. Inter., 査読有, 277, 81−98.
DOI:10.1016/j.pepi.2017.10.010(2) 国際会議プロシーディングス
Toyokuni, G., H. Takenaka, R. Takagi, M.
Kanao, S. Tsuboi, Y. Tono, D. Childs, and D.
Zhao, Seismological evidence for heterogeneous
ice sheet basal conditions, JpGU−AGU Joint
Meeting 2017, MTT37-03, 2017.
図 4：4 つの観測点ペアにおける観測波形（赤線）と理

Toyokuni, G., D. Childs, M. Kanao, Y. Tono, and論波形（黒線）との比較．周期 5～10 s の帯域で比較．

S. Tsuboi, Seismic observations in Greenland bya joint USA and Japanese GLISN team(2011-2016), JpGU−AGU Joint Meeting 2017,

図 4 は Region1 について得られた 4 つの観測点ペアにおける観測波形と理論波形との比較である． MTT37-P03, 2017.
一番上のノイズが大きい観測波形以外は，全てのペアで波形の良い一致が見られることから，地震

Toyokuni, G., H. Takenaka, R. Takagi, M.

波干渉法で得られた観測波形は，グリーン関数にKanao, S. Tsuboi, Y. Tono, D. Childs, and D.

十分よく近似されていることが確かめられた．

Zhao, Seismology reveals ice sheet basalconditions, IAG−IASPEI, J01-1-03, 2017.

さらに，氷床内部の Q 値を変えて複数回計算を行った結果，P 波と S 波の Q 値の組み合わせについて(QP, QS)=(20,20)が最もよく観測波形を説明

Toyokuni, G., H. Takenaka, R. Takagi, M.

することが明らかとなった．氷床が高減衰である

Kanao, S. Tsuboi, Y. Tono, and D. Zhao,

ことを，末端の氷河等で行われたローカルな観測

Seasonal/long-term changes in Rayleigh-wave

で示した研究例は散見される．しかし震央距離

phase velocity at the bottom of Greenland ice

100 km を超えるような長距離の伝播で確認されsheet, Fifth International Symposium on Arctic

た研究例はこれまでになく，世界に先駆けた成果

Research (ISAR-5), G04-O06, Abstract book,が得られた．

p.229, 2018.
5

学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 平成 29 年度共同研究 最終報告書 2018 年 5 月(3) 国際会議発表

Workshop(TACticalWorkshop),Toyokuni, G., H. Takenaka, R. Takagi, M.

Tasmania, Australia, 21 Mar 2018.

Hobart,Kanao, S. Tsuboi, Y. Tono, D. Childs, and D.
Zhao, Seismological evidence for heterogeneous(4) 国内会議発表

ice sheet basal conditions, JpGU−AGU Joint

豊国源知, グリーンランドの 3 成分連続地震波形

Meeting 2017, MTT37-03, Chiba, Japan, 23

データを用いた地震波干渉法解析, 可聴下波動伝May 2017.

播特性による極域の多圏融合物理現象解明に関する研究集会-III, 立川市, 2018 年 3 月 27 日.

Toyokuni, G., D. Childs, M. Kanao, Y. Tono, andS. Tsuboi, Seismic observations in Greenland by

豊国源知, グリーンランド GLISN 観測の現況, 可a joint USA and Japanese GLISN team

聴下波動伝播特性による極域の多圏融合物理現象(2011-2016), JpGU−AGU Joint Meeting 2017,

解明に関する研究集会-III, 立川市, 2018 年 3 月

MTT37-P03, Chiba, Japan, 23 May 2017.

28 日.

Toyokuni, G., H. Takenaka, R. Takagi, M.

(5) その他（特許，プレス発表，著書等）

Kanao, S. Tsuboi, Y. Tono, D. Childs, and D.
Zhao, Seismology reveals ice sheet basal
conditions, IAG−IASPEI, J01-1-03, Kobe, Japan,
2 Aug 2017.
Toyokuni, G., H. Takenaka, R. Takagi, M.
Kanao, S. Tsuboi, Y. Tono, and D. Zhao,Seasonal/long-term changes in Rayleigh-wave
phase velocity at the bottom of Greenland icesheet, The Eighth Symposium on Polar Science,
G04-O06, Tachikawa, Tokyo, Japan, 8 Dec 2017.
Toyokuni, G., H. Takenaka, R. Takagi, M.
Kanao, S. Tsuboi, Y. Tono, and D. Zhao,
Seasonal/long-term changes in Rayleigh-wave
phase velocity at the bottom of Greenland ice
sheet, Fifth International Symposium on Arctic
Research (ISAR-5), G04-O06, Tokyo, Japan, 18Jan 2018.
Toyokuni, G., H. Takenaka, R. Takagi, M.
Kanao, S. Tsuboi, Y. Tono, D. Childs, and D.
Zhao, Changes in Greenland ice bed conditions
inferred from seismology, 2018 Taking theTemperatureoftheAntarcticContinent
6