長年にわたり、Cubitは地震現象を探究するための中核メッシングツールであり、高度な数値モデルを通じて科学的な着想を形にすることを可能にしてきました。
Dr. Christodoulos Kyriakopoulos
メンフィス大学 Center for Earthquake Research and Information 准教授
背景 — 研究室のミッション
メンフィス大学のEarthquake Modeling and Visualization Labは、物理ベース数値シミュレーションを用いて地震破壊過程を研究し、地震科学の発展を目指しています。過去および将来の大地震に関する仮説を検証し、科学的に厳密かつ実務的にも有用な結果を得るための枠組みを提供しています。地震は断層形状、初期応力、材料のレオロジー特性、地形など多くの要因に支配される複雑な現象です。Coreform Cubitは、これらを包括的な有限要素モデルへ統合する重要なツールです。
過去10年以上にわたり、Dr. KyriakopoulosはCoreform Cubitを用いて、サンアンドレアス断層系から日本・コスタリカ沖の沈み込み帯巨大地震まで、多様なテクトニック環境の地震問題に取り組んできました。研究室では現実的な地球有限要素モデルをモジュール化して構築し、複雑な地震過程を要素ごとに分解・評価することで、破壊挙動を支配する主要因を特定しています。
図1：解析に使用したFEMモデル群。 study 図1. Cajon Passを対象としたFEM model群。(A) San Bernardino山地とSan Gabriel山地の間で非対称に変化する実地形を表現し、domain中央にSan Andreas faultを配置したmodel。(B) 同じfault geometryを持つflat topography model。(C) 非対称地形の純粋な動的効果を分離するためのsynthetic topography model。すべてのcaseでSan Andreas fault周辺を局所細分化したhexahedral meshを使用しています。
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課題1
Kyriakopoulosらのteamは、 ruptureのmodeling に取り組み、San Bernardino山地とSan Gabriel山地の間のCajon Passを横切るSan Andreas Fault（SAF）を対象としました。重要な課題は、passを越えるとfaultの左右で入れ替わる非対称な地形をmodelへ取り込むことでした。fault interfaceと不規則な地表面を同一modelで正確に表現することが、地表形状がrupture dynamicsへ与える影響を理解するうえで重要でした。
解決策1
Coreform Cubitは、実DEM由来地形、synthetic topography、flat free-surface variantまでを含む3D model群の構築で中心的な役割を果たしました。ACIS geometry toolでtopographic surface、lateral boundary、basal surfaceから閉じた解析用volumeを作成し、San Andreas faultを内部featureとして組み込んでdomainを分割しました。その後、structured hexahedral meshを生成し、fault近傍を局所的に細分化してstress gradientを高精度に解像しました。
dynamic rupture simulationにはFEM code FaultModを使用しました。topography有無のsimulation比較から、不均一な地形がrupture frontの前後でnormal stressを変化させ得ることが示され、peer-reviewed literatureで未報告だった新しいmechanismが明らかになりました。
図2. Salton Sea下のSan Andreas faultと隣接する小規模normal faultの動的相互作用を調べるためのhexahedral mesh。faultと交差部を含むvolumeにmesh refinementを適用しています。
課題2
近年、研究チームは複数断層系における動的破壊へ研究を拡張しました。特にSouthern San Andreas Fault（SSAF）と、カリフォルニア州Brawley Seismic Zone（BSZ）の周辺小断層との動的相互作用を調べています。 南部サンアンドレアス断層 (SSAF) and adjacent smaller fault structures in the Brawley地震帯 BSZでは微小地震や群発地震が多く、左横ずれ小断層や正断層でM5〜M6程度の地震が発生することがあります。SSAFに近接しているため、こうした中規模地震がSSAF上の大地震を誘発し得るかが重要な問いです。両研究に共通する課題は、隣接・交差する断層を正確に表現する有限要素メッシュ生成です。方向や傾斜角の異なる断層交差部では、数値アーティファクトを避けるため高精度なメッシングが必要です。
解決方法2
Coreform Cubitにより、隣接構造との交差部を含むサンアンドレアス断層系全体で、適合した高品質Hexメッシュを構築できました。断層面を作成し、周辺領域を分割して断層と交差部で一貫した要素サイズを確保しつつ、断層帯だけ局所細分化し、その他は粗いメッシュを維持しました。形状品質の高いHex要素、界面をまたぐサイズ制御、物理的に必要な場所だけの局所細分化により、動的破壊解析の数値安定性を向上させ、不要な計算コストを抑えながら複雑な断層相互作用を捉えられます。
図3：Brawley Seismic ZoneのBombay Beach南方におけるSan Andreas断層と左横ずれ交差断層の交差部メッシュ。（A）3次元モデル全体。（B）断層周辺領域を細分化したHexメッシュ詳細。
まとめ
Through dynamic rupture simulations, the Problem 1 project Problem 1の動的破壊シミュレーションでは、Southern San Andreas Faultからの応力移行が近傍の正断層すべりを誘発し得ること、またSan Andreas上の破壊伝播方向が相互作用の性質や正断層すべり量へ影響する可能性が示されました。古地震イベントを解釈する際には、SSAFだけでなく周辺二次断層も考慮する必要があります。
The Problem 2 studies examined Problem 2では、Brawley Seismic Zoneの中規模交差断層地震がSSAF上の大規模破壊を動的に誘発できるかを検討しました。シミュレーションでは、中規模イベントでもSSAF上のすべりを開始させ得ることが示され、比較的小さな交差断層地震が大規模San Andreasイベントの引き金となり得る可能性を示しています。