（様式 20）成果報告書

TSUBAME 共同利用 平成 30 年度 学術利用 成果報告書

利用課題名 GPGPU による長周期地震動シミュレーション
英文：Long-period ground motion simulation using GPGPU藤原広行
Hiroyuki Fujiwara
国立研究開発法人 防災科学技術研究所
National Research Institute for Earth Science and Disaster Resilience
URL: http://www.bosai.go.jp
本課題では、南海トラフで発生する海溝型巨大地震を対象として、3 次元差分法を用いた大規模地震波伝播シミュレーションにより長周期地震動の検討を行った。具体的には、震源パラメータの不確実性や破壊不均質性を考慮して 126 ケースの震源モデルを設定し、関東から九州までを計算対象領域とし、申請者らが TSUBAME のGPU 環境に対応させた地震動シミュレータ GMS による地震波伝播シミュレーションを実施し、それらの結果をもとに震源モデルの不確実性や不均質性を考慮した長周期地震動評価を行った。
We simulated long-period ground motion of Nankai-Trough megathrust earthquakes by the 3-D
FDM of the Ground Motion Simulator (GMS) adapted to GPU on TSUBAME. We used 126 cases ofseismic source model which have different source parameters such like hypocenter and asperity andsimulated long-period ground motion for vast area from Kanto to Kyushu. These simulation results
enable us to estimate long-period ground motions by considering uncertainties of source model onlong period ground motions.

Keywords: 長周期地震動、3 次元差分法、GMS、南海トラフ地震

背景と目的

模シミュレーションを多数行う必要がある。

大地震の際に超高層ビルや石油タンクなどの長大構

そこで、本課題では、TSUBAME の GPU 環境を利造物が長周期地震動による被害を受けることが知られ用することで多数回の大規模地震波伝播シミュレーショている。２０１１年東北地方太平洋沖地震の際に、大阪ンを実施し、それにもとづいた長周期地震動のハザー平野内の超高層ビルが長周期地震動による被害を受ド評価を行った。

けた事例は、震源から遠く離れた平野や盆地においても、複雑な地下構造の影響によって増幅された長周期概要地震動が、構造物に被害を及ぼし得ることを示している。

南海トラフで発生する海溝型巨大地震を対象として、３次元差分法などの数値シミュレーションにより複雑な震源パラメータの不確実性や破壊不均質性を考慮して地下構造が長周期地震動に及ぼす影響を評価するこ126 ケースの震源モデルを設定し、関東から九州までとが可能だが、長周期地震動の予測のためには、地下を計算対象領域とし、3 次元差分法を用いた大規模地構造の情報に加え、震源からの地震波の励起特性（震震波伝播シミュレーションにより長周期地震動の検討を源モデル）に関する情報も必要となる。

行った。シミュレーションには申請者らが TSUBAME巨大地震の震源モデルを事前に予測することが極めて困難なことは、2011 年東北地方太平洋沖地震やの GPU 環境に対応させた地震動シミュレータ GMS を使用した。

2016 年熊本地震からも明らかであり、長周期地震動の本検討で対象とした震源モデルは、地震調査研究

予測では、不確実性を考慮して多数の震源モデルを設推進本部の長期評

価定し、個々の震源モデルに対する予測に加え、予測結（ https://www.jishin.go.jp/main/chousa/kaikou_pdf

果がどの程度のばらつきを持つかを定量的に評価する/nankai_2.pdf）で例示された 15 の震源域のうち、マグことが重要となる。そのためには計算コストの高い大規ニチュード８程度に相当する 6 つの震源域（図 1）に対（様式 20）成果報告書応するもので、それぞれ破壊開始点やアスペリティの（AO110、AF110、TO110）が地震動は大きいことがわ配置を変えた計 126 モデルを設定した。

かる。さらに、図１左列に示した震源モデルに対する地地下構造モデルは防災科学技術研究所で作成し震動分布（図１中列）においても、浅部を震源域に含むている全国の 3 次元地下構造モデルにプレート構造を場合の方が浅部を含まない場合に比べ東海から関東付与したものを用いた。南北 670km、東西 870km、深の地域にかけて地震動が大きいが、浅部の有無によるさ 100km までの領域を水平方向 105m、深さ方向地震動の違いは、平均値の分布（図１右列）で見られる105m（深さ 8km 以深ではその 3 倍の大きさ）の格子でよりも顕著である。

モデル化した。格子数は約 61 億である。

本検討のような大規模シミュレーションを要する地震

地震波伝播シミュレーションでは、地下構造モデル

動評価では、計算機資源などに制約がある場合にはを水平方向に 8×6 に分割し、それぞれの部分領域に少数の限られた震源モデルのみを対象とせざるを得ず、１つの GPU を割り付けて計算処理を行った。計算結果

破壊開始点位置やアスペリティ配置等によって地震動は、GMS の 1D Dump 機能を利用し、地動速度の 1分布がどの程度のばらつきを持つのかを検討すること成分を 1 ファイルとして東西、南北、上下の 3 成分につが困難である。

いて出力した。1 ファイルには、陸域に約 2km 間隔で設また、平均値の分布がわかりやすいが、地震動が大定した約 5 万観測点の毎タイムステップ（全部で 49600

きい地域は限られており、大阪平野、濃尾平野、関東ステップ= 310 秒）の地動速度値が記録されており、1平野や日本海側の平野、盆地部に概ね限定されており、ファイルで約 40GB である。震源モデルの大きさにもよ

長周期地震動評価において地下構造の影響を適切にるが、TSUBAME3.0 の 48GPU（24 ノード）を使用した評価することの重要性を示している。

実行時間は平均 68 分であり、95％以上は 70 分以下であった。

まとめ、今後の課題
TSUBAME の GPU 環境を用いて、南海トラフの海結果および考察

溝型巨大地震を対象とした 126 ケースの震源モデルに出力された 1D Dump ファイルに対して、フィルタ、ダ対する長周期地震動シミュレーションを行い、震源モデウンサンプリングのポスト処理を行い、各ケースについルの違いによるばらつきを含んだ長周期地震動評価をて速度応答スペクトルの空間分布を求め、さらに、結果行った。

を統計処理し、6 つの震源域それぞれに対する平均的今後は、本研究で行った検討を南海トラフの地震のな速度応答スペクトル（周期 3 秒）の空間分布を求めた

みならず、他の地域で想定されている巨大地震に対し（図 1）。図 1 では、同図左列に示した震源モデルに対て適用していく必要がある。また、本課題で設定した多応する速度応答スペクトル分布と、同じ震源域を有する数の震源モデルが長周期地震動のばらつきを評価す複数の震源モデルに対する速度応答スペクトルの平均る上で十分な母集団となっているかについて検討する値（震源域ごとに 6 モデルから 30 モデルの平均値）のことが重要な課題である。そのためにはさらに多くの震分布を示している。

源モデルに対するシミュレーションが必要になることか

震源域名の前半のアルファベット２文字は、震源域の東西方向の両端の地名を表しており、T は都井岬、ら、計算コードの高度化を図るなどし、計算の効率化を高め必要もある。

A は足摺岬、O は御前崎、F は富士川に対応している。

また、シミュレーションによって得られる膨大な計算後半の３桁の数字は深さ方向の広がりを示しており、結果から、防災、減災に有用な情報を抽出し、効果的

110 は浅部と中部、010 は中部のみを震源域とする震に可視化する手法を開発することも今後の重要な課題

源モデルに対応している。

である。

図１右列の平均値分布からは、東西方向の広がりが同じ場合には、浅部まで震源域が広がっている方（様式 20）成果報告書

相対速度応答（cm/s）

破壊開始時間（s）

050

震源域

100150200250300

[sec]

震源モデル

周期 3 秒（個別）

周期 3 秒（平均）

AO010

AO110

AF010

AF110

TO010

TO110

図１ ６つの震源域の断層面（左列：星印は破壊開始点、矩形領域はアスペリティ、色は破壊開始時間）と、速度応答値（周期 3 秒、減衰 5％）の空間分布（中列：左列の震源モデルに対応するもの、右列：同じ震源域を有する震源モデルでの平均値）。