火山 第 61 巻 ( 2016)
第 2 号 311-344 頁

総 説

火山における地殻変動研究の最近の発展
青 木 陽 介＊（2016 年 2 月 8 日受付，2016 年 4 月 8 日受理）

Recent Progress of Volcano Deformation Studies
Yosuke AOKI＊
Pressurization, depressurization, or migration of magma or hydrothermal fluids can be measured by grounddeformation. Recent progress of space geodetic techniques drastically increased the quantity of deformation data in
active volcanoes. Recent emergence of Global Navigation Satellite System (GNSS) allows us to measure three
dimensional displacements in higher spatial density than conventional measurements with tiltmeters, strainmeters, orleveling surveys because GNSS measurements are technically more tractable and much less costly. Recent emergence ofSynthetic Aperture Radar (SAR) enables us to measure displacement field, without any ground-based instruments, inhigh spatial resolution on the order of meters if the condition allows. Tiltmeters and strainmeters, however, are still
important tools to measure ground deformation of volcanoes because of their higher sensitivity than GNSS and SAR
measurements. This article reviews recent progress and perspectives of ground deformation studies.
It is important to understand the error budget of measurements to assess the observed geodetic signals, although it
does not seem to well taken care in many cases. This article thus reviews the error budget of geodetic measurements todemonstrate that the data from leveling surveys and SAR are spatially correlated and those from tiltmeters, strainmeters,
and GNSS are temporally correlated.
The observed ground deformation field is capable of inferring location, shape and strength of sources causing the
ground deformation. In volcanic regions, the deformation source is often pressurization or depressurization of various
shapes of sources such as spheres, ellipsoids, conduits, dikes or sills. These parameters are often inferred with anassumption that they are embedded in an elastic, homogeneous, and isotropic halfspace because analytical solutions
exist in many cases and this simple assumption often works reasonably well. However, this simple assumption is notalways valid. To reflect more realistic features of a volcano, approximate and semi-analytical solutions have been
provided to take irregular topography or heterogeneous structure of the crust into account. Also, recent progress ofcomputational capability enables us to take complex material properties into account to model the deformation field
through numerical simulations. However, excessive complication of the model is often unnecessary because ofmathematical reasons and because material properties beneath volcanoes are not known in details in many volcanoes.
This article reviews the effect of topography and material heterogeneity on the surface deformation field and discusses
an appropriate complexity of the model in discussing the observed deformation field. Also this article deals withmodeling deformation field through analog experiments. This method is especially useful in dealing with spontaneous
faulting induced by magmatism.
The observed deformation field is roughly categorized by those due to 1) inflation and deflation of magma
reservoirs, 2) horizontal or vertical migration of magma, and 3) an eruption. This article reviews current progress ofobservations and insights gained from them. This part of the article demonstrates that developments of bothobservational techniques and modeling methodology drive the progress in understanding the mechanics of accumulationand migration of magma.
The final part of this article discusses perspectives for the future of volcano deformation studies. Future
developments will be made both through 1) combining geodetic measurements with independent observations such as
seismic activity and with theoretical consideration of magma transport, and 2) a breakthrough of observational
techniques. This article introduces recent studies to understand geodetic observations by combining with seismicity or＊〒113-0032 東京都文京区弥生 1-1-1
東京大学地震研究所
Earthquake Research Institute, The University of Tokyo,

1-1 Yayoi 1, Bunkyo-ku, Tokyo 113-0032, Japan.
e-mail : yaoki@eri.u-tokyo.ac.jp

312

青木陽介
theoretical studies as a potential breakthrough in understanding the mechanics of magma transport. Also this article
introduces ground-based and airborne SAR measurements as a potential breakthrough in measuring ground deformationin higher spatial and temporal resolution than current spaceborne SAR measurements.
Key words : Volcano deformation, Pressurization and depressurization, Accumulation of magma, Magma propagation,
Modeling geodetic data

1．は じ め に1999）．なお，傾斜計やひずみ計による観測は，GNSS に活火山が活発化する際には，マグマだまりや熱水の増よる観測よりも長期安定性に問題があるものの感度に優圧，マグマの輸送がともなうことが多い．これらの現象れるために，場合によってはマグマ輸送過程を明らかにが発生する際には，マグマや熱水が周囲の岩盤を押し広するための強力な手段となる（Aoki et al., 1999）．

げるなどして力を加え，それが地表の変形として観測さ火山活動にともなう地殻変動は，地震などにともなうれる．火山現象にともなう地表の変形は様々な時間ス

地殻変動と比べると狭い範囲で観測されることが多く，ケールを持つが，本論文では，地震計で観測される数分

そのために，地下での火山活動の推移を深く理解するた

以下の時間スケールの現象については取り扱わず，それめには空間的に密な観測をする必要がある．しかし，火より長い時間スケールの現象について，観測技術や現象

山地帯には様々な理由で立ち入りが困難もしくは不可能の理解の最近の発展について述べる．

な場所が多く，空間的に密な観測網を構築することは容

活火山における観測が行われはじめたのは 20 世紀初

易なことではない．そのような困難は，SAR 観測によっ頭のことであったが，地殻変動観測は当初から重要な観て解決することができる．Massonnet et al. (1995) が SAR

測項目であった．1980 年代後半以降に全地球航法衛星

干渉解析（Synthetic Aperture Radar Interferometry ; InSAR）

システム（Global Navigation Satellite System ; GNSS）や合により火山における地殻変動をはじめて抽出して以来，成開口レーダー（Synthetic Aperture Radar ; SAR）などの火山活動にともなう様々な地殻変動が検出されてきた．

衛星測地技術が登場するまでは，水準測量・三角測量・

たとえば，Amelung et al. (2000) はガラパゴス島における光波測量といった測量技術や傾斜計・ひずみ計を用いて火山において，噴火の有無にかかわらず様々な様式の地

火山活動にともなう地表の変形を計測していた．この時

殻変動が進行していることを InSAR 解析を通して明ら期には，観測された変動場を説明するために，様々な形かにした．Pritchard and Simons (2002) は，南米のいくつ状の圧力源にともなう地表や地中の変形を解析的に求めかの火山において，噴火などの表面現象がないにもかかる研究も発展した．たとえば，半無限弾性体に球状圧力

わらずマグマ蓄積による地殻変動が進行していることを源（Anderson, 1937 ; 山川, 1955 ; Mogi, 1958）
・楕円体圧力発見した．これらの研究は，活火山の活動を監視するに

源（Yang et al., 1988）
・開口クラック（Okada, 1985 ; Fialko

あたり SAR 観測が極めて有用であることを示す画期的

et al., 2001）が存在する場合の地表変形の解などは現在なものであり，その後 SAR 画像を用いて世界中の活火でも広く用いられている．

山の地殻変動の検出が試みられるようになった．世界に

衛星測地観測技術が登場する前は，火山活動にともな分布する約 1500 の活火山のうち，これまでに約 620 のう地殻変動を長期にわたり安定して高い時間分解能で観火山の地殻変動が SAR により研究され，そのうち 161

測することは困難であった．水準測量や三角測量は短いの火山で有意な地殻変動が観測されている（Biggs et al.,

時間間隔で観測を行うことが困難であるし，傾斜計やひ2014）．また，SAR 観測の蓄積により，InSAR 画像からずみ計による観測は時間分解能に優れるものの，計器と地殻変動の時系列を抽出する研究が近年盛んに行われて岩盤のカップリングに起因するドリフトの存在から，観きている（たとえば Berardino et al., 2002 ; Schmidt and

測の長期安定性に問題があるからである（Agnew, 1986）．

Bürgmann, 2003 ; Sansosti et al., 2010 ; Hooper et al., 2012）．

このような問題は，全地球測位システム（Global Position-

このように SAR 観測は火山活動にともなう地殻変動

ing System ; GPS）をはじめとした GNSS の登場によってを高い空間分解能で計測することができるが，時間分解解決されることになる．GNSS による観測は水準測量に

能は衛星の再帰周期によって規定され数日から数十日とよる観測ほどの精度はなく，またひずみ計・傾斜計によなり，GNSS・傾斜計・ひずみ計による観測に劣っている観測ほどの感度もないが，これらの観測よりも時間分

る．その他にも，それぞれの観測手段に長所・短所があ

解能もしくは計測の長期安定性に優れているため，火山るために，様々な時間・空間スケールを持つ火山活動に活動にともなうマグマ輸送を高い時間分解能で明らかにともなう地殻変動を的確に観測し地下でのマグマおよびすることができるようになった（たとえば Aoki et al.,

熱水の輸送について的確な知見を得るためには，様々な

火山における地殻変動研究の最近の発展
手段を用いた観測が重要である．様々な手段で観測されたデータを的確に解釈するためには，それぞれの観測手

σ 2=段で得られたデータの誤差構造についての知識が必要となる．2 章では，火山における地殻変動を観測する手段について，観測の誤差構造について重点をおきながら解 dhL 動研究の将来の展望について述べる．
なお，紙面の都合により，また，火山で観測される地i

h i= ∑ Δh i

ついて網羅的な解説は行えない．興味のある読者は，
Pinel et al. (2014) や Acocella et al. (2015) などの最近のレビュー論文も参考にされたい．
2．観測技術の進展
上に述べたように，火山活動にともなう地殻変動の観測から地下での火山過程について深い理解を得るためには，性質の異なる様々な種類の観測が必要である．様々な観測から得られたデータを解釈するためには，それぞと書ける．式（3）を行列式で書くと
h=SΔh

（4）



（5）

h1

h=

h2

⫶

hN

 
1

0

0

⋯

0

1

1

0

⋯

0

S= 1

1

1

⋯

0

ないが，実際のデータ解析において最近でも誤算の評価が軽視されている例が多いように見受けられるので，こ（6）⫶ ⫶ ⫶ ⋱ ⫶
1

1

1

⋯

1


Δh 1

れの観測による誤差を正確に評価することが重要である．誤差に関する議論は必ずしも最近発展したものでは

（3）

j1

殻変動の観測の報告は加速度的に増えている（Pinel et al.,2014）ために，本論文では火山で観測された地殻変動に（2）

式（1）より，基準点と観測点 i の比高 hi は章では，火山における地殻変動観測の様々な事例を紹介する．5 章では，以上の議論をふまえて，火山性地殻変

2

と表せる．

説する．3 章では，観測された地殻変動と地下の物理過程をむすびつけるためのモデル化について議論する．4

313

Δh=

Δh 2

（7）

⫶

Δh N

こで，火山での地殻変動観測に用いられる主な手法につとなる．ここで N は水準点の数である．h に対応する共いて，その誤差構造に重点をおきながら解説する．

分散行列 Σh は

2-1

水準測量



水準測量は，測量路線に沿ってある観測点と隣の観測点との標高の違いを計測していき，2 つの時刻における高さの差を計測するものである．測量には手間がかかる
GNSS を上回る．

は真の比高である．εi は計と表される．ここで，Δh truei

れた環閉合差を dh として

LN

 
0

0

⋯

0

l2

0

⋯

0

∑ Δh=σ 2 0

0

l3

⫶ ⫶
0

と仮定できる．ここで，li は観測点 i-1 と観測点 i の距離
いが，測量路線が長さ L の環状である場合には，観測さL1 L2 L30

測誤差であり平均値が 0，分散が σ 2li の正規分布をとるであり，σ は定数である．σ の値を決定することは難し

⫶

l1

（1）

i

0



⫶ ⫶ ⫶

と書ける．ここで，対する比高 Δh i はΔh i=Δh truei +εi

L1 L2 L2 ⋯ L2

∑ h=S∑ Δh S T=σ 2 L 1 L 2 L 3 ⋯ L 3

た め に 時 間 分 解 能 は悪 い が，上下 変 動 の 計 測 精 度 は水準測量によって計測される観測点 i の観測点 i-1 にL1 L1 L1 ⋯ L1

0

（8）

（9）

⋱ ⫶

0

lN

L i= ∑ l i
j1

（10）

であり，Li は水準路線の起点から i 番目の観測点までの距離，すなわち，観測点 i-1 から i までの距離 li を用いて式（10）のように表現される．

314

青木陽介

水準測量よって求められる観測点 i の，時刻 t1 と t2 のソルを求めることができる．短基線のひずみ計で最も有名なものは Sacks-Evertson 体積ひずみ計（Sacks et al.,間の鉛直変位 Hi は
H i=h i(t 2)−h i(t 1)（11）1971）である．Sacks-Evertson 体積ひずみ計は，円筒型容器に満たされたシリコンオイルの液面の変化を計測すると表されるから，式（8）より，観測される鉛直変位に対ことによって面積ひずみを計測する．Sacks-Evertson 体

応する共分散行列 ΣH は

積ひずみ計で計測できるのは面積ひずみのみであり，ひ

ずみテンソルの各成分を計測することはできない．そのL1 L1 L1 ⋯ L1
L1 L2 L2 ⋯ L2

∑ H=(σ 2(t 1)+σ 2(t 2)) L 1 L 2 L 3 ⋯ L 3

と書ける．



⫶ ⫶ ⫶

⫶

L1 L2 L3

LN

後，ボアホールの孔径を 3 方向で計測することによりひ（12）

ずみテンソルの各成分を計測する Gladwin 式ひずみ計（Gladwin, 1984）などが開発された．
傾斜計やひずみ計による計測は感度が非常に高いが，長期安定性は高くない．そのため，傾斜計やひずみ計は，地震や噴火といった短期的な現象による変形の計測には式（12）に示すように，水準測量観測の誤差の大きさは優れているが，地下でのマグマの蓄積など長期的な現象

σ の大きさによって規定される．σ の大きさは，観測ににともなう変形を計測するには優れていない．それは，よってまちまちであるが，Yamamoto et al. (2013) では

傾斜計やひずみ計の記録には，計器と地殻との不完全な

1/2

σ≦2.0 mm/km

である．また，その他の観測においてカップリング，降雨や気温変化の影響などに起因するドも，地殻変動観測に用いられる水準測量観測であればリフトが含まれるからである．傾斜計・ひずみ計による

σ=2.0 mm/km1/2 もしくはそれ以下であることが多い（た記録の時系列のパワースペクトル Ptilt, strain は，潮汐によ

とえば Murray et al., 1996）．

る半日・1 日の周期のピークをのぞくと，周波数 f を用式（12）の示す最も重要な点は，水準測量によって観

いて Ptilt, strain（ f ）〜 f −2 とかける（たとえば Agnew, 1986 ;

測された上下変動の観測誤差が各観測点で独立ではなくBarbour and Agnew, 2011）．これは，時系列がランダム観測点間で相関を持つということである．観測データかウォークによって表現されることを示している．その場

ら断層や圧力源といった地殻変動源のパラメータを推定

合，現象の時定数 T とドリフトにともなうノイズレベル

するにあたり，この観測点間を無視することによって推σ との関係は σ〜T1/2 と表され，長い時定数を持つ現象

定されるパラメータにバイアスがかかることがある

は，よりドリフトによって埋もれやすいということにな（Arnadottir et al., 1992）．

る．しかし，注意深い機材の設置によって 20 年以上の

1-2

時間スケールの変動を記録できるとする報告もある

傾斜計・ひずみ計

傾斜計・ひずみ計は，それぞれ地表の傾斜およびひずみを計測するものである．火山観測に用いる傾斜計・ひ−9

ずみ計は非常に精密で，潮汐による 10程度のひずみ，10−9 rad 程度の傾斜を計測することができる．

（Bonaccorso et al., 2015）．
2-3

GNSS

GNSS 観測は，地上に設置したアンテナで米国によって打ち上げられた GPS やロシアによって打ち上げられ傾斜計には様々な種類があるが，大きく分けて，チュー

た GLONASS といった GNSS 衛星からの電波を受信し，ブで連結された 2 つの容器の水面の相対的な高さを計測

観測点の座標を時々刻々決定する．データのサンプリンすることによって傾斜を計測する水管傾斜計のような長グレートは一般的に 30 秒もしくはより短い時間であり，基線のもの，振り子を用いて傾斜を計測する短基線のも

1 日ごと，もしくはより短い時間間隔ごとに観測点の座の，の大きく 2 つに分類される．また，地表に設置され標を決定する．GNSS 観測は傾斜計・ひずみ計による観る広帯域地震計の記録から傾斜成分を抽出することもで測よりも微小変動を感知する能力は低いが，長期安定性

きる（たとえば Rodgers, 1968 ; Graizer, 2006 ; 青山, 2008）．

に優れ，また，ボアホール・横穴などを掘る必要がない

ひずみ計も傾斜計と同じく様々な種類があるが，傾斜計ことから観測点あたりに必要なコストも少なく，1990 年と同様，大きく分けて，主に横穴に設置して用いられる代より地殻変動観測の主役となっている．日本列島に長基線の伸縮計および主にボアホールに設置される短基は，現在約 20 km 間隔で約 1200 点の GNSS 観測点が国線の（体積）ひずみ計に分けられる．長基線のひずみ計

土地理院によって整備されているが（Sagiya, 2004），20

は，剛体とみなせる棒や管の一端を台座に固定し，自由km 間隔は火山観測にとっては十分な観測密度ではない

端となっている他端と台座との距離を計測するものであので，いくつかの火山ではさらに空間的に密な観測が行る．この伸縮計を 3 つ設置することにより，ひずみテン

われている（たとえば青木・他, 2005 ; Takeo et al., 2006 ;火山における地殻変動研究の最近の発展

315

Aoki et al., 2013 ; Nakao et al., 2013）．
GNSS 観測の誤差源は，GNSS 衛星からのマイクロ波が大気によって屈折することによる衛星から観測点までの走時の遅延や，観測点そのものの局所的な変動などである（たとえば Dixon, 1991 ; Hager et al., 1991 ; Segall andDavis, 1997）．火山学の場合，多くはマグマ輸送など火山体内部に起因する地殻変動に興味があるため，気温変化による地表付近の熱膨張・収縮，浅部の間隙水圧の変化に起因する地殻変動（Dong et al., 2002 ; Prawirodirdjo etal., 2006 ; Tsai, 2011）も誤差要因である．なお，大気の存
在による誤差は鉛直成分により影響するため，GNSS 観
測の精度は水平成分よりも鉛直成分の方が悪い．
GNSS 観測の時系列のパワースペクトル PGNSS は，1日よりも長い帯域では
P GNSS ( f )=A+Bf （13）と表される．ここで f は周波数であり，α の値は 1 と 2の間の値をとることが多い（Zhang et al., 1997 ; Mao et al.,1999）．すなわち，GNSS 観測のノイズレベルは，傾斜計・ひずみ計での観測と同様に長周期側で大きいということである．式（13）α=2 の場合，時系列は式（13）の第1 項に対応する白色雑音と第 2 項に対応するランダム

Fig. 1. A schematic description of SAR observation inwhich a SAR satellite moves by velocity Vr and transmit electromagnetic waves of microwave frequency.
This figures depicts an example of an example of aright-looking SAR satellite. The surface projection of
the trajectory of the SAR satellite is called azimuth andthe surface projection of the direction of microwave
emission, which is perpendicular to the azimuth direction, is called range.

ウォークの重ね合わせで表されるということになる．一
般的な GNSS 観測では，白色雑音が水平成分で 2〜3 mm，信号の位相差に注目することにより地殻変動を抽出す

鉛直成分で 5〜10 mm，ランダムウォークの大きさはる．これを干渉 SAR（InSAR）という．地殻変動が大き1〜4 mm/yr1/2 であるから（たとえば Zhang et al., 1997），

く地表の散乱特性が変化していない場合には，観測され1 年から数年以上の周期ではランダムウォークの寄与がる信号の振幅に注目して，画像の「位置合わせ」のよう白色雑音の寄与に比べて大きくなるということになる．

な形で地殻変動を抽出する．この場合，InSAR よりも計すなわち，1 年から数年以上かけてゆっくり進行する地測精度が悪くなる．

殻変動は，同じ変位量でも，短期間で進行する地殻変動よりも検出が難しくなるということを意味する．

SAR 観測は地上での観測機材が必要なく，観測条件が良ければ変動場を高い空間分解能で観測することができ

GNSS 観測の時系列のパワースペクトルは 1 年から 1

るが，衛星から地表のターゲットへの距離を計測してい時間程度までの帯域においてフラットであるが，1 時間

るため，それぞれの観測点について衛星からターゲットよりも短周期のパワースペクトルも，1 日より長い帯域までの視線距離の変化だけが観測される．視線距離変化と同じように式（13）のように表せる（Genrich and Bock,ΔLOS は，レーダー波を衛星の進行方向に向かって右側

2006）．ただ，スペクトルの形状は同じであっても誤差に照射する場合（Fig. 1），変位の東西・南北・上下成分，

源は異なり，1 時間より短周期の誤差源は主に受信機のue, un, uv を用いて，電気的ノイズである（Genrich and Bock, 2006）．
2-4

SAR

ΔLOS=u e cos θ sin ϕ+u n sin θ sin ϕ+u v cos ϕ（14）

SAR 観測は，衛星から放射されるマイクロ波の後方散と書ける．ここで，θ および ϕ はそれぞれレーダー波の乱を 2 つの時刻で観測することにより衛星から地表の照射方向の鉛直からの角度および衛星進行方向を南北方

ターゲットまでの距離を計測し，観測された時刻の間の向から反時計回りに測った角度である．θ はおおむね地殻変動を抽出するものである（たとえば Bürgmann et

30 度から 40 度，衛星軌道が極軌道をとることから，ϕal., 2000 ; 古屋, 2006 ; Simons and Rosen, 2015）．地殻変動の値は約 10 度（アセンディング軌道）もしくは 170 度の大きさが充分小さく地表の散乱特性が火山灰・土砂崩（ディセンディング軌道）をとるので，視線距離変化は水れ・液状化などで変化していない場合には，観測された

平変位よりも鉛直変位により敏感で，かつ南北変位より

316

青木陽介

も東西変位により敏感である．また，アセンディング軌
道とディセンディング軌道では，変位の東西成分について反対の感度を持つことが分かる．
SAR による地殻変動観測の誤差要因は，主にマイクロ波の伝搬速度が電離層によって低下することと，水蒸気の存在によりマイクロ波が屈折することである．GNSS
衛星からもマイクロ波を照射しているために同種の問題が起こりうるが，1 つの周波数のマイクロ波を照射している SAR 衛星に対して，GNSS 衛星は 2 つの周波数のマイクロ波を照射しているために，電離層の存在によるマイクロ波の伝搬速度低下が周波数依存することを利用して影響を除去することができる．また，SAR 衛星はターゲットを短時間で通り過ぎていくのに対して GNSS
衛星は時間的に連続的に観測しているため，大気の状態
が時間的に急変しないという仮定を用いて，大気の存在による電波の屈折の効果を軽減させることができる．このように，SAR による地殻変動観測は，高い空間分解能で観測できる反面，計測精度は GNSS よりも劣る．また，地形標高モデルの誤差に起因する誤差も存在し，こFig. 2. An example of SAR pixel offset image contaminated by ionospheric disturbance taken around theepicenter of the 2008 Sichuan earthquake, China. Red
and blue streaks are generated by ionospheric disturbance. Modified from Kobayashi et al. (2009).

の誤差は時間変化しないことから，時系列解析を行う際には除去できるという特性がある．

空間分布は標高に相関することが経験的に知られている

電離層の存在は，X バンド（8-12 GHz）や C バンド（4-（たとえば Jolivet et al., 2011）が，数値モデルを用いた

8 GHz）のような短波長のマイクロ波よりも L バンド

SAR 観測時刻の水蒸気量推定と，数値モデルを使わず地（0.5-1.5 GHz）のような長波長のマイクロ波のほうによ形に相関する成分を除去することによる水蒸気量推定とり大きな影響を与える．そのため，L バンドのマイクロ波

は，誤差の除去の性能に現在のところ大差はないことも

ALOS，
ALOS-2 のような日本の衛星は，を用いる JERS-1，

多い（Kinoshita et al., 2013）．また，火山の場合，山頂直C バンドや X バンドのマイクロ波を用いるヨーロッパ・

下に圧力源が存在する場合など，火山活動にともなう地

カナダの衛星よりも電離層の影響を受けやすい．もちろ

殻変動が標高に相関することが多く，その場合，火山活ん，波長の長い L バンドは植生の多い地域でも良好な干動に起因する地殻変動を水蒸気の存在によるノイズとし渉が得られるという利点を忘れてはならない．電離層のて除去してしまう可能がある．

影響は時に非常に大きく（Fig. 2），除去するための万能以上の背景から，電離層の影響が小さい場合には大気な方法は現在のところない．Kobayashi et al. (2009) は，中の水蒸気の存在が主要な誤差要因となる．大気中の水電離層に由来するノイズを多く含む波数領域にフィルタ

蒸気量は空間的にランダムなわけではなく空間的に相関をかけることにより地殻変動を抽出したが，この方法がをもっているため，水蒸気の存在による誤差も空間的に全ての電離層由来のノイズを除去できるわけではない．

相関を持つ．Lohman and Simons (2005) は，地殻変動が大気中の水蒸気の存在による誤差は，SAR 観測時刻に生じていないと考えられる SAR 干渉画像を解析し，観おける水蒸気の空間分布が完全に分かっていれば理論的測点 i と j の観測データの共分散 Cij がには完全に除去できるが，SAR 衛星があるターゲットを観測している数秒の時間分解能では水蒸気の空間分布を観測していないため，実際には水蒸気の影響を完全に除C ij~exp

L 
L ij
c

（15）

去することはできない．これまでに，大気中の水蒸気量と表されるとした．ここで Lij は観測点 i と j の間の距の空間分布を数値モデルによって推定し，観測量から除離，Lc は特徴的な距離で，Lohman and Simons (2005) は去する試みが数多く行われてきた（たとえば小澤・清水,

10 km 程度であるとした．しかし，大気擾乱の理論的な2010 ; Jolivet et al., 2014 ; Fattahi and Amelung, 2015）が，研 究（た と え ば Tatarski, 1961），GPS 観 測（た と え ば

現在の数値モデルは，SAR 観測データから水蒸気の影響

Emardson et al., 2003），他の InSAR データを用いた研究を完全に除去できるほどの精度がない．水蒸気の影響の（Goldstein, 1995 ; Zebker et al., 1997）は，水蒸気量の空間

火山における地殻変動研究の最近の発展317

相関は（15）式のような指数関数ではなくべき級数であ活火山の内部構造や地形は複雑であるが，地表変動をらわされ，かつ特徴的な距離も 100 km 以上であるとし計算する際に均質で等方な半無限弾性体と，球体や楕円ている．この違いの理由として，1）InSAR 画像を作る

体などの圧力源を仮定することはよくある．このような際の衛星軌道の推定などの段階で長波長の大気擾乱が取単純な媒質と圧力源に対しては地表変形の解析解が存在

り除かれている，2）大気擾乱の特徴は時間・地域によっするため，計算時間が短縮されインバージョンなどの解て異なる，などの理由が考えられる．いずれにせよ，SAR

析も容易になるためである．また，単純な媒質および圧

干渉画像に含まれる空間相関を持ったノイズの存在を無力源による変動場を理解することにより観測データから視することは，火山活動に起因する信号の誤認や信号のどのような圧力源が地下のどこに存在するかを理解する

過大・過小評価につながるために注意が必要である．

ことも，実用的に重要である．そのため，ここでは，まず均質で等方な半無限弾性体中の様々な圧力源に対する

3．地下の圧力変動と地表変動

地表変形について述べる．その後，現実の火山に近い複活火山で観測される地殻変動は，多くの場合マグマの雑な構造・地形・圧力源を考えて地表変動をモデル化す輸送など火山内部の圧力変化に起因するものである．そのため，地表で観測される変位・傾斜・ひずみから地下る手法について解説する
3-1 均質等方半無限弾性体の変形における圧力変化の発生した場所や大きさやそれらの時

ここでは，多くの場合単純な解析解が存在する，様々間変化を推測することができる．実際の火山観測では，な形状の圧力源に対する均質等方半無限弾性体の変形に観測された変動場から地下の圧力源の位置・形状・圧力ついて議論する．この議論は必ずしも全てが最近発展し変化の大きさやそれらの時間変化を逆問題を解くことにたものではないが，より複雑なモデルを考えるにあたりより推定するわけであるが，ここでは逆問題を解く手法基礎となるものであるからここで解説する．本稿では結については解説しない．逆問題を解く手法に関しては，果のみを示し，導出の詳細については触れない．数学的Parker (1994)，Cervelli et al. (2001)，Tarantola (2005)，Menke

な詳細については Segall（2010, 7 章）や文中に引用され(2012) などを参照されたい．

る文献を参照されたい．なお，圧力源における境界条件

地下での任意の形状の増圧源に対するする変形場は，がダイクの厚さなど変位で与えられている場合，任意の応力テンソルを σ，圧力源の過剰圧を Δp として，釣り形状の圧力源に対して，均質等方半無限弾性体の表面上

合いの式の任意の点の変位は，同じ物性を持つ全無限弾性体中の

∇⋅σ=0

（16）

（17）

および，地表面 z=0 における境界条件
σ xz=σ yz=σ zz=02003）．このことは，変位で境界条件を与えられた任意の圧力源に対する均質等方半無限弾性体の表面での変位

圧力源の表面 S における境界条件n Tσn=−Δ

相当する面上の点の変位の 4（1−ν）倍となる（Davies,

場を評価するにあたり，表面での境界条件である式（18）を陽に考える必要がないことを意味する．
3-1-1

（18）

を満たすことが必要十分条件となる．ここで，n は圧力球状圧力源

球状圧力源は，地殻変動のモデリングに最もよく用いられるものの一つである．その理由の一つとして，解析解が単純な形をしていることがあると思われる．球状圧

源の表面 S から外側に垂直方向に伸びる単位ベクトルで力源はしばしば茂木モデルと言われ Mogi (1958) が引用ある．式（16）を直交座標系・極座標系・円筒座標系につされるが，Mogi (1958) は Sezawa (1931)，Anderson (1937)，

いて書きくだした形は Segall（2010, 23-24 p）を参照され

山川 (1955) によって求められてきた解析解を実際の観たい．

測データに適用したものであり，茂木モデルは実際には地下の圧力源における境界条件がダイクの厚さなど変位で与えられる場合，式（16）に相当する釣り合いの式

1∇∇⋅u=01−2ν（19）のように与えられる．ここで，ν はポアソン比，u は変位ベクトルである．

であるかもしれない（Segall, 2010, 206 p）．
地表での変位は，は，体積力を無視した Navier の方程式で∇ 2u+

Sezawa-Anderson-山川-茂木モデルと呼ばれるべきもの

3

1+ν
+
    2(−7+5ν)
15d (−2+ν)+O
 ad   (r +dd )4(−7+5ν)(r +d ) u z(r)=(1−ν)a 3Δ
a
1+
μ
d

6

2

2

2

2

2 3/2

（20）

318

青木陽介
3

1+ν
+
    2(−7+5ν)
15d (−2+ν)+O
 ad   (r +dr )4(−7+5ν)(r +d ) u r(r)=(1−ν)a 3Δ
a
1+
μ
d

6

2

2

2

2

2 3/2

（21）

と書ける（McTigue, 1987）．ここで uz と ur は変位の鉛直および動径成分，d と a は球状圧力源の中心の深さおよび半径，r は球状圧力源から観測点までの水平距離，ν お
よび μ は媒質のポアソン比および剛性率である．
3が 1 より十分小さいときには式（20）および（21）（d/a）
3およびより高次の項を省略でき，の（d/a）u z(r)=(1−ν)a 3Δ
d3/2
μ(r 2+d 2)（22）

u r(r)=(1−ν)a 3Δ
r3/2
μ(r 2+d 2)（23）のように書ける．式（22）および（23）からは，圧力源の半径 a と過剰圧 Δp とを独立に求めることはできないこと

Fig. 3. Vertical (solid line) and radial (dashed line) displacements due to a pressurization of a sphericalsource with a first-order approximation and Poissonʼsratio of 0.25. Horizontal and vertical axes represent theradial distance normalized by the source depth anddisplacements normalized by the vertical displacement
above the source, respectively.

が分かる．変位場は，圧力源の体積変化 ΔV を用いると
u z(r)=u r(r)=(1−ν)ΔVd3/2
π(r 2+d 2)(1−ν)ΔVr3/2
π(r 2+d 2)

（24）

（25）

と書ける．





cd 2

u z(r)=

a 2Δ
r2
1−2ν
+
4μ (r 2+c 2)1/2 (r 2+c 2)3/2

u r(r)=

a 2rΔ
c(3−2ν)c
1/2 + 23/2
4μ(r +c 2)r 2(r 2+c 2)

cd 1





（26）

cd 2
cd 1

（27）

と表される（Segall, 2010）．この問題設定に対する解析解式（22）より，鉛直変位は圧力源直上で常に最大であるは Bonarccorso and Davis (1999) によって最初に与えられ（Fig. 3）．鉛直変位は r=（23/2−1）d〜0.77d で圧力源直上たが，彼らの解は ν=0.25 の時にのみ正確なものであり，の延長変位の半分になる．式（23）より，水平変位はSegall (2010) によって，より一般的な解が与えられた．

1/2〜0.71d で最大となる．これらの事実を用いる

Fig. 4b に μ=20 GPa および ν=0.25 の媒質中の無限長

ことにより，観測データから球状圧力源の深さを，少なの閉口パイプの増圧にともなう変位場を示す．閉口パイ

くとも大まかには推測することができる．また，式（20）プの増圧は全域にわたって隆起および外向きの変位をもおよび（21）から，式（22）および（23）の近似が成立す

たらす．鉛直変位は r=d1 で最大となる．水平変位は圧

r=d/2

3

る条件は（a/d）≪1 とそれほど厳しくないことが分かる．

力源直上では 0 であり，r〜2.02d1 で最大となる．

これこそが，式（22）〜（25）が広く適用可能な理由の一つ

3-1-3

である．

上記では閉じた円筒の増圧にともなう地殻変動につい

3-1-2

閉口パイプ

開口パイプ

て議論したが，開口した火道を持つ火山などの場合は，開活火山において火道が発達すると，その形状は円柱状

口した円筒の増圧を考えなくてはならない可能性があるになる．そのため，円柱状の火道の圧力変化による地殻（Fig. 5a）．開口した円筒の増圧にともなう地表の変位は

変 動 は い く つ か の 火 山 で 観 測 さ れ て い る（た と え ば
Bonaccorso and Davis, 1999 ; Salzer et al., 2014）．深さ d1

u z(r)=aΔ

から d2 まで鉛直に延びた半径 a の閉じた円筒の増圧（Fig. 4a）にともなう地表変動は
u r(r)=

 2(r +c )
1+2ν
2



−
2 1/2

r2

2 3/2

2(r 2+c )



acΔ
c2
1+ν
1/2 −
3/2
r
2(r 2+c 2)(r 2+c 2)

cd 2
cd 1



cd 2
cd 1

（28）

（29）

火山における地殻変動研究の最近の発展

319

Fig. 4. (a) A schematic view of a pressurization of a closed pipe. a and ΔP denote the radius and overpressure of thepipe, respectively. d1 and d2 are depths of the top and bottom of the pipe, respectively. μ and ν represent rigidity
and Poissonʼs ratio of the medium, respectively.
(b) Vertical (solid line) and radial (dashed line) displacements due to a pressurization of a closed pipe with an
infinite length (d2=∞ in eqs. (26) and (27)), rigidity of 20 GPa, and Poissionʼs ratio of 0.25. Horizontal andvertical axes represent the radial distance normalized by the depth of the top of the pipe and displacements
normalized by the maximum vertical displacement, respectively.

Fig. 5. (a) A schematic view of a pressurization of an open pipe. a and Δx denote the radius of the pipe and theamount of opening of it, respectively. d1 and d2 represent the depths of the top and bottom of the pipe,
respectively. μ and ν represent rigidity and Poissonʼs ratio of the medium, respectively.
(b) Vertical (solid line) and radial (dashed line) displacement due to a pressurization of a open pipe with an
infinite length (d2=∞ in eqs. (28) and (29)) and Poissonʼs ratio of 0.25. Horizontal and vertical axes represent
the radial distance normalized by the depth of the top of the pipe and displacements normalized by thesubsidence right above the source, respectively.

と与えられる．ここで，Δx は火道の動径方向の変位で圧にともなう変位場を示す．開口パイプの増圧にともなある．

う変位場は閉口パイプの増圧にともなうそれとはかなり

Fig. 5b に ν=0.25 の媒質中の無限長の開口パイプの増異なる．開口パイプの増圧にともない，圧力源直上では

320

青木陽介

Fig. 6. (a) A schematic view of a shear force to a conduit wall. a and τ denote the radius of the conduit and theamount of shear stress applied to the wall, respectively. d1 and d2 represent the depths of the top and bottom of thepipe, respectively. μ and ν represent rigidity and Poissonʼs ratio of the medium, respectively.
(b) Vertical (solid lines) and radial (dashed lines) displacements due to the shear force on the conduit wall. Red
and blue lines depict displacements with the bottom depths of the conduit at d2=1.5d1 and d2=4.0d1. Horizontal
and vertical axes represent the radial distance normalized by the depth of the top of the conduit and displacements
normalized by the maximum vertical displacements, respectively.

沈降し，r>d1 では隆起する．隆起量は r〜2.24d1 で最大ての変位場を示す．どちらの場合も，鉛直変位は全域にとなり最大隆起量は最大沈降量の約 27 % である．水平

わたり隆起であるが，d2=4.0d1 の場合のほうが最大鉛直

変位は r<0.69d1 では内向きとなり，r>0.69d1 では外向

変位は火道から遠くに位置する．水平変位は，火道の近きとなる．内向き変位は r〜0.30d1 で最大となり，外向

くでは火道方向に向くが，遠ざかると火道から遠ざかる

き変位は r〜2.64d1 で最大となる．

方向へ向き，さらに遠ざかると火道方向に向く．鉛直変

3-1-4

火道のせん断応力による変形位の場合と同じように，せん断応力のかかる深さの下端

マグマは粘性流体であるため，火道を上昇するときにが深くなればなるほど，変位場の波長は長くなる．

火道壁にせん断応力をかける（Fig. 6）．そのため，火道

3-1-5

壁にかかるせん断応力がもたらす地表変形は興味の対象

マグマだまりでの増圧もしくは減圧は球状圧力源によになりうる．観測点の火口からの距離が火道半径よりもるものとして考えられることが多いが，圧力源の形状は十分大きい時には，火道壁にかかるせん断応力はシング

必ずしも球状ではないということは 1970 年代には認識

楕円体圧力源ルフォースと近似できる．火道の直径は通常大きくてもされていた（たとえば Dieterich and Decker, 1975）．Davis

数 10 m スケールであることから，この近似は合理的で(1986) は，楕円体圧力源の大きさが深さよりも十分小さある．このことを利用すると，半径 a の火道の深さ d1

い，つまり圧力源を点震源と近似できる場合に地表変位と d2 の間にせん断応力 τ がかかった場合の地表変位はの解析解を求めた．Yang et al. (1988) は，圧力源の 3 つの主軸のうち 2 つの長さが等しい，すなわち圧力源の形状

u z(r)=



が回転楕円体である場合に，有限の大きさを持つ圧力源

cd

2
−τa
c
+(1−2ν)ln  r 2+c 2 +c
222μ  r +ccd 1の圧力変化の解析解を求めた．Amoruso and Crescentini（30）

u r(r)=



−τar
1−2ν
c
−
2μ  r 2+c 2  r 2+c 2 +c



cd 2
cd 1

(2013) は，任意の形状の有限な大きさを持つ楕円体圧力源について地表変位の解析解を求めた．
楕円体圧力源の圧力変化にともなう地表変動は必ずし（31）と表される（Nishimura, 2009）．
Fig. 6b に d2 =1.5d1 と d2 =4.0d1 の 2 つの場合についも軸対称ではないが，鉛直な回転軸をもつ回転楕円体の圧力変化にともなう地表変形は軸対称になる．Fig. 7に，そのような回転楕円体の圧力変化にともなう地表変形を示す．長軸が水平方向である場合の鉛直変位は，球火山における地殻変動研究の最近の発展

321

Fig. 7. (a) A schematic view of a pressurization of an ellipsoid. ΔP and ΔV denotes pressure and volume changes,
respectively. d, a, and b represent the depth of the pressurization and major and minor axes of the ellipsoid,
respectively. μ and ν are rigidity and Poissonʼs ratio of the medium, respectively.
(b) Vertical (solid lines) and radial (dashed lines) displacements due to the pressurization of a ellipsoid. Red andblue lines depict displacements by a pressurization of ellipsoids with a=0.2d, b=0.1d and a=0.1d and b=0.2d,
respectively. For reference, vertical and radial displacements due to a pressurization of a spherical source (a=b)
are also shown by black lines. These displacements are normalized their maximum vertical displacements. The
horizontal axis is the radial distance normalized by the depth of the ellipsoidal source.

状圧力源の圧力変化にともなうそれよりも圧力源付近にのあった場合，c=0 の極限で局在する．水平変位は球状圧力源の場合よりも相対的に小さく，かつ最大変位は圧力源の近くに位置する．逆に，

ΔV=

長軸が鉛直方向である場合の鉛直変位は，球状圧力源に

8a 3(1−ν)Δ
3μ

（34）

よるそれよりも広範囲に分布する．また，水平変位は球となる．仮に V=106 m3，a=1,000 m（厚さ 1 m のクラッ状圧力源の場合よりも相対的に大きく，かつ最大変位のクに相当），ν=0.25 とした場合，式（32）が ΔV=7.5×105

圧力源からの距離も大きい（Fig. 7b）．

Δp/μ となるのに対し，式（34）は ΔV=2×109Δp/μ とな

楕円体圧力源の圧力変化と体積変化の関係は圧力源のり，クラックの圧力変化に対する体積変化の感度は，球形状によって異なる．導出は面倒であり，ここでは簡単状圧力源のそれの約 3,000 倍となる．地殻変動観測は圧な解が得られるいくつかの例をあげるにとどめる．詳細

力源の体積変化をよく拘束することができる（たとえばは，たとえば Amoruso and Crescentini (2009) を参照されDavis, 1983）が，このことは圧力源の形状が決められな

たい．まず，楕円体圧力源の 3 つの主軸の長さを a，b，c

い場合には圧力変化も拘束できないということを意味すとして a=b=c の場合は球状圧力源に相当する．この場

る．
3-1-6

合，
3VΔ
4μ

ダイク・シル

貫入するマグマと母岩の粘性比が大きい場合，つまり（32）

マグマの粘性が母岩に対して十分小さい場合には，マグとなる．ここで V は圧力源の体積である．a≫b=c の場

シートが鉛直である場合ダイクと呼ばれ，水平である場

合，つまり圧力源がタバコのような形であった場合，

合シルと呼ばれる．したがって，ダイク・シル貫入は，

ΔV=

ΔV=

VΔ
μ

マはシート状の形状で輸送される（Rubin, 1993）．そのとりわけ低粘性マグマを持つ火山において普遍的に存在（33）する．しかし，ダイク・シル貫入にともなう地表変形場を求めるのはそれほど容易ではない．少なくとも，こことなり，圧力変化に対する体積変化の感度は 4/3 倍になまでのいくつかの例で示してきたような単純な解析解はる．a=b≫c の場合，すなわち圧力源が円形クラック場

存在しない．

322

青木陽介

Fig. 8. (a) A schematic view of a pressurization of a sill. ΔP and ΔV denotes pressure and volume changes,
respectively. d and a represent the depth and radius of the sill, respectively. μ and ν are rigidity and Poissonʼsratio of the medium, respectively.
(b) Vertical (solid lines) and radial (dashed lines) displacements due to the pressurization of a circular sill. Red
and blue lines depict displacements by a pressurization of sills with a=d and d / a=∞，which corresponds to apoint-source approximation, respectively. For reference, vertical and radial displacements due to a pressurizationof a spherical source are also shown by black lines. These displacements are normalized their maximum verticaldisplacements. The horizontal axis is the radial distance normalized by the depth of the sill.

面上での変位を与えた際の変形場の解析解は Okada

ともなう変位場と比較すると，鉛直変位場はシルによる(1985) によって与えられている．深さ d の無限小の大きものと球状圧力源によるものとで大差がないが，シルのさのシルの開口にともなう地表変位は圧力変動にともなう水平変位は球状圧力源によるそれよu z(r)=u r(r)=3M 0
d3
2
2πμ (r +d 2)5/2
3M 0
rd 2
2πμ (r 2+d 2)5/2

りも相対的に小さい．
（35）

ダイク貫入にともなう変形場は，これまでに議論してきた圧力源とは違い，軸対称ではない（Fig. 9）．Fig. 9 に見るように，ダイク貫入にともなう変位はダイクの走行（36）に垂直な方向で大きく，ダイクの走行に沿った方向では小さい．また，ダイク直上では沈降し，ダイクから離れと表される．ここで，M0 はシル開口のモーメント，つまた場所で最大隆起となる．つまり，地表変形の傾斜方向

りシルの体積変化と剛性率を掛けたものである．なお，は，ダイク直上付近ではダイク方向に傾き下がる傾斜とOkada (1985) では，ダイク・シルだけではなく，任意のなり，ダイクから離れた場所では，ダイクに向かって傾傾きを持つ有限の大きさの四角形の開口変位にともなうき上がる傾斜となる．ダイクと最大隆起の位置の距離

地表変形場を求めることができる．

は，ダイクが浅くなればなるほどダイクに近づく．Aoki

シルの過剰圧を境界条件として与えた場合，変位場のet al. (1999) は，1997 年伊豆半島東方沖群発地震にとも計算はより複雑になる．円板状のシルの増圧（Fig. 8a）

なうある観測点の傾斜方向の時間変化から，群発地震中にともなう地表変形場の近似のない半解析解は，Fialkoに貫入したダイクが浅部へ移動したことを示した．

et al. (2001) によって与えられた．Fig. 8b に円盤状のシ

ダイクの過剰圧を境界条件として与えた場合，変形場

ルの増圧にともなう変位場を示す．シルの半径 a と深さの解析解は存在しない．Segall（2010, 233-234 p）は，境

d が等しい場合（d/a=1），シルの大きさを点と近似した界要素法を用いて，地表の存在によってダイクが地表に場合（d/a=∞）よりも鉛直変動が広範囲に分布する．鉛

近づくにつれてダイクの幅が全無限媒質内のダイクの増

直変位の大きさに対する水平変位の大きさは両者で大差

圧にともない期待されるそれよりも大きくなっていくとないが，最大水平変位の位置は，有限の大きさのシルをいうことを示した．

考えた場合の方が遠くに位置する．また，球状圧力源に

火山における地殻変動研究の最近の発展

323

Fig. 9. Displacement field due to an intrusion of a vertical dike with a length of 2d and width of d, where d represents
the depth to the top of the dike. Horizontal and vertical axes are normalized by the depth to the top of the dike.
Displacements are normalized by the amount of opening. (a) Horizontal displacement. (b) Vertical displacement.
3-2

より複雑な媒質の変形

3-2-1

不均質な構造の影響

ここまで，地下での様々な形状の力源の圧力変化にと地球を構成する物質は均質ではない．剛性率など岩石もなう均質等方半無限弾性体の変形を見てきた．実際の力学的性質は圧力にもっとも敏感であるため，地下構に，観測された変形場から地下の力源の位置や形状を考造が深さのみに依存する，つまり水平成層と仮定するこえるにあたり，多くの場合は均質等方半無限弾性体を仮とは良い近似となる（たとえば Dziewonski and Anderson,

定する．観測された地殻変動観測は静的変化であって，1981 ; Kennett et al., 1995）．さらに火山地域では，マグマ

地震波の超波長側の限界と考えることもでき，そのための貫入や噴出物の堆積により水平方向の構造の不均質もに地震波よりも地下構造に対して鈍感であるから，この大きい．

ような仮定は正当化されることが多い．しかし，このよ

岩石の弾性定数が深さだけの関数である場合，つまりうな単純な問題設定は，観測された地殻変動から地下で水平成層構造である場合，地震波動伝搬は Thomson-の圧力源の位置や形状を大まかに理解するのに役立つ

Haskell の方法（Thomson, 1950 ; Haskell, 1953）によってが，実際の火山はもちろん均質等方半無限弾性体ではな求められる（Gilbert and Backus, 1966a, b ; Aki and Richards,

く，地形や不均質な地下構造が存在し，かつ完全な弾性

2002, p269-282 ; 斎藤, 2009, p339-358）．この方法は prop-体ではないであろうし，多くの場合，力源の形状はこれ

agator matrix 法とも呼ばれ，厳密解が得られる均質層内までに示したような単純なものではないであろう．後にでの解を，層境界での変位・応力の連続，地表における述べるように，現在では複雑な地形，弾性・粘弾性・塑

境界条件を満たすことを条件につないでいき，空間的に性など様々な物性の 3 次元分布を考慮して変形場を計算

連続した解を行列計算により得る方法である．Zhu and

することができる（たとえば Aagaard et al., 2013）が，問Rivera (2002) は，周波数 0 の極限でこの方法を用いるこ

題設定が複雑になればなるほど計算時間がかかり，観測とにより，任意の点震源に対して媒質中の任意の場所のデータから地下の力源に関する情報を得るインバージョ

変形場を求めることができることを示した．

ン解析などを行うにあたり足かせとなる．また，地下構

岩石の弾性定数が深さだけでなく水平方向にも変化す

造の情報，とりわけ粘性や塑性に関する情報は全くわる場合，地中の力源にともなう変形場の解析解を求める

かっていないか粗い空間分解能でしかわかっていないこ

ことはできず，一般的には，有限要素法など数値的手法とが多く，闇雲に問題設定を複雑にしていくことは得策

を用いなくてはならない．しかし，岩石の弾性定数 Cijklとはいえない．ここでは，より実際の火山に近い問題設の摂動 ΔCijkl が十分小さい場合には，摂動解を求めるこ定における変形場について検討し，上にあげたような均とができる．2 次元媒質についての摂動解は Du et al.

質等方半無限弾性体を仮定したモデルの有効性の範囲に(1994) によって導かれ，Cervelli et al. (1999) によって修ついて議論すると同時に，適切なモデルの複雑性につい正された．その後，3 次元物質についての摂動解が Du etて議論する．

al. (1997) によって求められた．岩石の弾性定数の水平方向への変化は深さ方向への変化よりも小さいため，上

324

青木陽介

で述べた水平成層構造についての変形場の解析解から出ことを示している．Masterlark (2007) は，地下の岩石の発して摂動解を考えるのは有効な方法である．

水平成層だけでなく，カルデラ内部の堆積物などに起因

Manconi et al. (2007) は，岩石の力学的性質が地表変形場に与える影響を数値的に検討し，ヤング率の水平成層

する顕著な水平不均質も地表変形場に大きな影響を与えることを示した．

を仮定して求めたより現実的な地表変形場から均質半無3-2-2限弾性体を仮定して圧力源の深さと体積変化を推定する

地球を構成する物質は完全な弾性体ではない．とりわと，深さ・体積変化ともに過小評価することを示した．

け深部では，温度の作用によって岩石は粘弾性的にふるこれは，浅部の低ヤング率の物質の存在により，水平成層

まう．大地震にともなう余効変動や postglacial rebound

構造を仮定した地表変形は，均質半無限弾性体を仮定しにともなう地表変形から下部地殻やマントルの粘性率をた地表変形に対して増幅されていることによる．類似し求める研究は盛んに行われてきた（たとえば Bürgmann

た数値計算により，Long and Grosfils (2009) や de Zeeuw-

and Dresen, 2008）が，ここでは下部地殻やマントルの粘マグマだまり周辺の媒質の粘弾性の影響

van Dalsen et al. (2012) も同様の結論に至っている．この弾性については議論せず，マグマだまり周辺の媒質の粘ことは，とりわけ火山地域のように，噴出物などにより弾性的性質が地殻変動におよぼす影響について議論する．

深さ方向のヤング率のコントラストが大きい場合には，

Dragoni and Magnanensi (1989) は，均質半無限弾性体

少なくとも地下構造の深さ依存性は考慮する必要があるの中の深さ d 半径 R1 の球状圧力源の周辺に R2-R1 の厚さのマックスウェル粘弾性体の殻がついている問題設定（Fig. 10）を考えた．球状圧力源からの熱によって周辺の岩石が温められることを考えると，この問題設定は適切であると考えられる．ここでは，t=0 に圧力源が出現する場合，つまりヘビサイド関数を用いて Δp=H（t）p と表せる場合を考えよう．R1<r<R2 に存在する粘弾性体は，t=0 では弾性体としてふるまう．したがって，t=0（22）と（23）における地表変位は，d≫R1 を仮定すれば，式に a=R1 を代入した形で表される．これに対して，t=∞では粘弾性体は完全に緩和するために，地表変位は，（23）に a=R2 を代入した
d≫R2 を仮定すれば，式（22），Fig. 10. A schematic view of a pressurization of a sphereof radius R1 with a viscoelastic shell of a thickness of
R2-R1. Here the shell is assumed to possess Maxwell
rheology.

形で表される．つまり，地表変形の形は時間とともに変
わらず，変形量だけが変わっていく．このことは，この問題設定では，地表変形の観測からだけでは圧力源の増
圧履歴についての情報を得られないということを意味す

Fig. 11. A schematic representation of simple assumptions to take topography into account. (a) Reference elevation
model in which the depth of the pressure source is defined as the depth with respect to the prescribed reference height.
(b) Varying depth model in which the depth of the pressure source is defined as the depth from the altitude right above
the source. In this case, different depths are defined for two sources with the same distance from sea level.

火山における地殻変動研究の最近の発展

325る．なお，特徴的な緩和時間 tR は，粘弾性体の粘性率をなる．Williams and Wadge (1998) は，この方法で求めらη としてれる地表変形場を有限要素法で求められるそれと比較

t R=

3η(1−ν)R 32
μ(1+ν)R 31

し，とりわけ鉛直変位や傾斜について，2 つの方法で求（37）められた変形場がよく一致することを示した．しかし，彼らの検証の範囲では，水平変位に関しては，この方法と表せる（Dragoni and Magnanensi, 1989）．ν<0.5 およびよりも先に述べたある一定の高さに水平な地表を仮定す

R1<R2 であるから，tR は粘弾性体自体の特徴的な緩和時

る方法のほうが有限要素法によって求められた変位場と間 η / ν よりも長い．

よく一致した．そのため，彼らも，地形の効果をこれら

3-2-3

地形の影響

地下の構造に比べると，地形の詳細は良く分かっていの方法で近似することによる圧力源の体積変化を過大評価する可能性を示唆した．

る．日本国内においては 10 m の分解能を持つ Digital

Williams and Wadge (2000) は，標高が直交座標系の位

Elevation Model（DEM）が存在するし，北緯 60 度から南置の関数 （x,h y, z）で表される時に，地表面に直交する単緯 60 度までの間であれば，分解能 3 秒（日本付近であれ

位ベクトルが n=(−∂h/∂, −∂h/∂, 1) と近似できるとば約 90 m）の Shuttle Radar Topography Mission（SRTM）

いう条件のもと，任意の地形について，力源に対応した

DEM が存在する（Farr et al., 2007）．また，SRTM は米国

地表変形を解析的に求められることを示した．これは，国内については分解能 1 秒（約 30 m）の DEM を提供し

2 次元問題について取り組んだ McTigue and Stein (1984)ている．したがって，高分解能の DEM を取り入れるこ

および McTigue and Segall (1988) の手法を 3 次元問題にとは地殻変動の計算をより現実的なものにするが，複雑拡張したものである．なお，彼らの議論は圧力源の変位な地形を考えることは，半無限平面を仮定するよりも明を境界条件にした時，つまりダイクの開口量や球状圧力

らかに計算が複雑になる．したがって，現実的な地形と源の体積変化などを与えた時にのみ成り立ち，圧力源の単純な半無限平面を仮定した場合の地表変形の違いはど

圧力変化を境界条件にした時には成立しないことに注意の程度か，どのような場合に現実的な地形を考慮する必されたい．

要があるのかを評価することは意味のあることである．

では，地形の影響を考えなくてはならないのはどのよ

地形の影響を考慮するもっとも単純な方法は，ある一うな時だろうか？圧力源の深さが地形変化の特徴的な水定の高さに水平な地表を仮定して計算を行うことである

平スケールよりも十分深い時には，圧力源が地表にもた（Fig. 11 a）．この方法は，地形が急峻でない場合には効らす応力の空間変化のスケールが地形変化の特徴的な水果的な方法であるが，仮想的な地表の適切な高度は，地平スケールよりも長く，応力変化は，地形変化の特徴的形や圧力源の深さなどに依存し，統一的な指針のようなな水平スケールでは均質とみなすことができる．この場ものはない．たとえば，Cayol and Cornet (1998) は，半径合，地形が変形場におよぼす影響は小さい．圧力源の深6d の軸対称な地形を持つ火山に半径 d の球状圧力源がさが，地形変化の特徴的な水平スケールよりも十分浅い

深さ 5d に存在することによる地表変形を有限要素法に時には，地表におよぼされる応力変化が地形変化の特徴

よって計算し，山頂の高さに仮想的な水平地表を仮定す的な水平スケールよりも短く，応力変化の発生しているることにより圧力源の深さをもっともよく推定できるこ場所の地形は局所的に水平だと近似することができる．

とを示した．しかし，彼らは同時に，このような仮想的

この場合も，地形が変形場におよぼす影響は小さい．地な水平地表を仮定することにより体積変化を過大評価す

形が変形場におよぼす影響が無視できないのは両者のどることも示し，現実的な標高を考えることの重要性を示

ちらでもない場合，つまり，圧力源の深さと地形変化の唆した．これに対し，Williams and Wadge (2000) は，圧

特徴的な水平スケールが同程度である場合である

力源が浅い場合には仮想的な地表を山体の平均高度から（Segall, 2010, 259-260 p）．

山頂の間に設定し，圧力源が深い場合にはより低く設定するという一般的な指針を示している．
地形の効果を補正する次に単純な方法は，圧力源の海William and Wadge (2000) の手法は，標高変化の水平方向の代表的スケールを L とし標高変化の代表的スケー
2
ルを H とした時，（H / L）≪1 を仮定している．そのため，面に対する深さを，その直上の地表からの深さと読み替

地形がかなり険しい場合であっても正確な変動場を求め

え，半無限弾性体を見かけ上仮定することである（Fig.

ることができるし，有限要素法などで変動場を求めるよ11b）．つまり，海面に対する深さが同じ圧力源であってりも計算時間が短いという点で有用な手法であるが，地も，山頂直下に存在する場合と山腹に存在する場合では，形が十分なだらかであるという近似を用いているため，

この問題設定での見かけ上の深さが異なるということに常に良い解が得られるというわけではない（たとえば

326

青木陽介

Lungarini et al., 2005 ; Meo et al., 2008）．Ronchin et al.

Masterlark et al. (2012) は，力源の位置に応じて自動的に(2015) は，仮想的な地形および実際の火山の地形と様々

有限要素法に必要なメッシュを切る方法を開発し，メッ

な深さに設定した球状圧力源を用いて，地形が地表変動

シングにかかる時間を短縮した．Charco and Galán del

場に与える影響を有限要素法を用いて数値的に検証しSastre (2014) は，力源に等価な体積力を与えることにた．彼らは，圧力源と観測点との距離だけではなく，地

よって，順問題を解く時間の短縮を図った．しかし，現形の局所的な傾斜変化が地表変形場に大きな影響を与え

在のところ複雑な構造を考慮した逆問題の決定的な解法ることを示した．このことは，変位の空間微分である傾は与えられておらず，今後の研究の発展が期待される．

斜やひずみがより地形の影響を受けやすいことを示して

3-2-5

いる．

火山活動にともなう浅部へのマグマ貫入にともなう応

3-2-4

数値的手段による研究

アナログ実験による研究

力変化は，周辺域での断層運動を引き起こすことがある．

上に述べたような地形や複雑な地下構造の影響を全て

たとえば，2005 年に発生した Dabbahu 火山（エチオピア）

含めて観測される地殻変動の評価を行う場合，数値的手での水平ダイク貫入の際には周囲の既存の正断層の滑り法に頼らざるをえない．軸対象な地形や地下構造を仮定が観測された（Rowland et al., 2007）．また，2007 年 Piton

した数値シミュレーションは古くから行われてきたがde la Forunaise 火山噴火にともなうカルデラ形成の際に（たとえば Dieterich and Decker, 1975），近年の計算機の性は，カルデラ形成にともなう応力変化にともない山頂付能の向上により，ここ 10 数年の間に 3 次元の地形や地近に多数の亀裂が発生した（Michon et al., 2009）．上に下構造を仮定して有限要素法や境界要素法を用いたシ

述べたような有限要素法や境界要素法などの数値計算に

ミュレーションが幅広く行われるようになった（たとえよる地殻変動場のモデリングは非常に有力な方法である

ば Cayol and Cornet, 1997, 1998 ; Bonaccorso et al., 2005）．

が，このような自発的な断層の生成やその成長を扱うこ

地形や不均質な弾性定数の分布や粘弾性や粘塑性物質のとは困難である．そのような場合，アナログ物質を用い存在が地表で観測される地殻変動場や地下の応力場に与てマグマ貫入や噴火現象を模擬することにより，地殻変える影響の評価に関する研究も数多く行われている（た動場をモデル化することができる（たとえば Acocella,

とえば Manconi et al., 2007, 2010 ; Hickey and Gottsmann,

2007 ; Abdelmalak et al., 2012 ; Galland, 2012 ; Trippanera et2015）．なお，
ここに述べた数値計算は商用のソフトウェ

al., 2015）．

アで行われることも多いが，近年 PyLith（Aagaard et al.,

アナログ物質表面の変位場はレーザースキャナやカメ

2013）などの無償のソフトウェアも登場している．このラ に よ っ て 計 測 し，2 つ の 時 刻 に 撮 影 さ れ た 画 像 をような動きは，この分野の研究の発展への大きな原動力

Particle Image Velocimetry と呼ばれる方法でマッチングになるだろう．

し，2 つの時刻間の変位を計測する（Fig. 12 ; Ruch et al.,

このような数値計算は解析解が存在するような場合と2012 ; Trippanera et al., 2015）．この手法は，SAR 解析に比べて計算時間がかかるが，近年の計算機性能の向上におけるピクセルオフセット解析に相当するものである．

より，地下に与えた圧力源の形状や位置から地表変動場

その他に，光の干渉を用いて変位場を計測する SAR 干を計算する順問題だけでなく，観測された地表変動場か

渉解析にやや類似した手法（Galland, 2012）など，様々なら地下に与えた圧力源や位置を推定する逆問題を解く研手法により地表変位が計測される．アナログ物質を用い究も行われるようになってきた．Beauducel and Cornet

た実験の場合，実験条件は実験者によってコントロール(1999) は，観測された地殻変動データから，地形を考慮できるので，カメラやレーザースキャナを複数設置する

して圧力源の位置や形状を推定した．Fukushima et al.

ことにより複数成分の地表変位を計測することができる(2005) は，圧力源の複雑な形状を許し，また，得られる

し，マグマ貫入によって引き起こされる地下での断層のモデルパラメータの確率分布も求めるという，より洗練

生成とその発展を観察することもできる．Trippaera et

さ れ た 手 法 を 開 発 し た．詳 細 な 手 法 に つ い て は福 島

al. (2015) は，アナログ物質でダイクの繰り返し貫入を(2006) も参照されたい．

模擬することにより，東アフリカやアイスランドなどで近年の計算機性能の発達が著しいとはいえ，複雑な地のプレートの発散境界の地表で観察される地溝や正断層形や内部構造を考慮した数値計算は，特に逆問題を解くの存在を再現しただけでなく，地表で観察される正断層

場合には多くの時間を必要とする．そのために，数値計がダイクまでほとんど伸びていないという，露頭観察か

算上の様々な工夫が行われている．Trasatti et al.
（2008,

ら得られる知見（たとえば Paquet et al., 2007）を再現す2009）は，あらかじめ必要な全ての場合について計算しることにも成功した．

て お い た グ リ ー ン 関 数 を 用 い て 逆 問 題 を 解 い た．

上に述べたように，アナログ実験は浅部へのダイク貫

火山における地殻変動研究の最近の発展327を示した（Fig. 13）．Dieterich and Decker (1975) は同時に，類似した鉛直変位場を生み出すこれらの力源が全く異なる水平変位場を生み出すことを示し，鉛直変動と同時に水平変動の観測の重要性を強調した．このことは，
水平変位の計測ができる GNSS や，鉛直変位だけでなく水平変位にも感度のある InSAR などの衛星技術の登場が，火山性地殻変動をもたらす力源の詳細の解明に大きな貢献をしていることを意味する．
3-3-2

変位境界条件と圧力境界条件

詳細の解変位境界条件を与えた場合の地表変動場の計
算は，地表における境界条件を陽に考える必要がなく，
全無限媒質における変形場を 4（1−ν）倍することによって与えられる（Davies, 2003）ため，扱いが容易であるのに対し，圧力境界条件はより現実的ではあるものの，変形場の計算はより複雑である．もし，地殻変動をもたらした力源の体積変化を求めることが目的であるならば，
変 位 境 界 条 件 を 用 い て 計 算 を 行 っ て 差 し 支 え な い．
Davis (1983) は，同じ形状の力源に与えた体積変化が同じであれば，境界条件がどちらであっても観測される地表変位場に顕著な差はないことを示した．圧力境界条件から体積変化を求めることがそれほど単純でないことも考えると，このことは，力源の体積変化は地殻変動観測から比較的よく拘束できることを示している．
Fig. 12. An example of experimental setup to assess volcanic deformation through an analog experiment. (top)A schematic view of the setup. In this case, dike intrusion is mimicked by inserting iron plates. A laser scanner and two cameras measure not only the surface deformation but also internal deformation. (bottom) Verticalcross section of the experiment in which sand mimics
the upper crust. Modified from Trippanera et al. (2015).

3-3-3

体積収支

実際の火山では，球状のマグマだまりからマグマがダイク状に貫入することがある．その際，マグマだまりの
質量減少とダイクでの質量増加は等しい．しかし，マグマだまりの体積減少とダイクの体積増加は等しくない．
一般的に，マグマの質量は保存するが，体積は保存しない．
いま，剛性率 μ の母岩に囲まれた，密度 ρ，体積 V，過剰圧 Δp，圧縮率 βm または剛性率 μ=1 / βm のマグマで入やカルデラ形成にともなう地殻変動をモデル化するの満たされた圧縮率 β をもつ容器に ΔM の重さのマグマに幅広く使われてきたが，現在のところ，深さにともなが注入することを考える．ここでは，Rivalta and Segall

う温度勾配による母岩の粘性・塑性を模擬することが困(2008) にしたがい，マグマの深さ変化などにともなう封難である（Acocella, 2007）．そのため，多くのアナログ

圧の変化や熱の移動などを考えない単純な問題設定を考実験は母岩を模した弾性体とマグマを模した粘性流体のえる．ΔM≪ρV である場合，マグマ注入にともなう体積2 成分で構成される．

変化 ΔV，密度変化 Δρ と ΔM の関係は

3-3
3-3-1

いくつかの注意点
鉛直変位と水平変位

Fig. 8 にみるように，いくつかの圧力源，たとえば球ΔM=Δ(ρV)=ρΔV+VΔρ
とかける．マグマと容器の圧縮率は状圧力源とシル，は類似した鉛直変位場を生み出す．このことは，水準測量や傾斜など鉛直変位に感度のある観
う こ と を 示 す．こ の 問 題 は 長 い 間 認 識 さ れ て い て，力源が類似した鉛直変位場を生み出すことができること

1 ∂ρ
ρ ∂P

（39）

1 ∂V
V ∂P

（40）

βm=

測だけでは力源の形状を区別できない可能性があるといDieterich and Decker (1975) は有限要素法を用いて異なる

（38）

β=

328

青木陽介

Fig. 13. Vertical (Δh) and horizontal (Δd) displacements due to pressurization of various shapes denoted by A, D, and F.
These pressure sources cannot be distinguished solely from vertical displacements because they can generate similar
displacement fields, but the associated horizontal displacements are significantly different. This points to an importance ofmeasuring both vertical and horizontal deformation to infer the geometry of pressure sources. Taken from Dieterich andDecker (1975).

と定義されるから，これらを式（38）に代入して
ΔM
ΔV=
ρ(1+βm/β)

ΔV sill=（41）

ΔM
ρ(1+Δ/μ)（43）となる．Δp が数 MPa オーダー，μ が GPa オーダーであを得る．式（41）は，マグマが剛体であるか β=∞でない
かぎり，ΔV<ΔM / ρ となることを示している．
ではここで，ΔM の質量を持ったマグマが球状マグマ
だまりから同じ深さのシルに移動する場合を考えよう．

ることから Δp/μ≪1 としてよく
4μ βm
ΔV sill
4μ
=1+
~1+
3μm
−ΔV sph3（44）

球状マグマだまりの圧縮率 βsph は βsph=3/4 μ と表され，となる．μ=μm の場合シルでの体積増加は球状圧力源の円 板 状 の シ ル の 圧 縮 率 βsill は βsill = 1/ Δ p と 表 さ れ る

体積減少の 7/3 倍になるが，実際には発泡などの影響で（Sneddon, 1951 ; Rivalta and Segall, 2008）ため，球状マグマグマの剛性率は母岩の剛性率よりも低いことが多く，

マだまりの体積変化 ΔVsph とシルの体積変化 ΔVsill はそ

シルの体積増加は球状圧力源の体積減少に対してさらにれぞれ

大きくなりうる．実際に，Kilauea 火山，Afar（東アフリΔM
ΔV sph=ρ(1+4μ βm/3)カ），2000 年三宅島ダイク貫入イベントにおいて，貫入（42）にともなうダイクの体積増加は，球状圧力源の体積減少の最大 5 倍におよぶことが地殻変動観測により示されて

火山における地殻変動研究の最近の発展

329いる（Segall et al., 2001 ; Irwan et al., 2006 ; Wright et al.,小さい場合には，誤差が大きくなることを示した．さら2006 ; Rivalta, 2010）．Rivalta (2010) は，2000 年三宅島ダに彼らは，2 つの球状圧力源がその半径の 8 倍以内の距

イク貫入イベントの最初の 12 時間ほどの間は，ダイク

離で並んでいる場合には誤差が大きくなるが，距離がそ

貫入体積が三宅島直下のマグマだまりからの流出体積のれ以上である場合には，2 つの圧力源のもたらす変形場

およそ 3.57 倍で安定している（Irwan et al., 2006）ことをの足し合わせが実際の変形場の良い近似になるとした．

指摘し，このことは母岩よりも低い剛性率を持つマグマが三宅島から流出していったことと調和的であるとし

4．火山活動にともなう様々な地殻変動
活火山の活動は，大まかに言えば静穏期・マグマ蓄積

た．
なお，マグマが噴火した場合は β=0 であるから，式期・噴火期に分けられる．静穏期には地殻変動が観測さ（41）より噴出物の体積 ΔVerupt とマグマだまりの体積変れることはない．マグマ蓄積期には，マグマだまりへの化 ΔVres との関係はマグマの注入にともなう山体膨張や，浅部へのマグマ貫ΔV eruptβm=1+−ΔV res
βres

入にともなう地殻変動が観測される（たとえば Dzurisin,（45）2003）．浅部へのマグマ貫入にともない，火山構造性地震の発生や，火山性ガスの放出量やその成分の変化が見と表される．ここで βres はマグマだまりの圧縮率であられることもある（たとえば Sparks, 2003）．浅部へのマる．もしマグマだまりの形状が球状であれば，マグマだ

グマ貫入は必ずしも噴火に結びつかず，噴火未遂に終わ

まりの体積減少に対して噴出体積は大きくなるが，マグることも多い（たとえば Moran et al., 2011）．浅部へのマ

マだまりの形状がダイクもしくはシル状であれば，マググマ貫入が噴火に結びつくかどうかを支配する要素を明マだまりでの体積変化と噴出体積はほぼ同等になること

らかにすることは，科学的に興味深いだけでなく，社会が期待される．

的にも重要である．噴火時には，マグマ噴出にともなう

このように，地下におけるマグマ輸送を考えるにあた

山体収縮だけでなく，地下でのマグマ輸送にともない低り，圧力源間もしくは圧力源と噴出物の間の体積は必ず

周波地震・傾斜ステップ・火山ガス放出量や成分の変化

しも保存しない．もし観測によって体積が保存しないこなどが見られる（たとえば Anderson et al., 2010 ; Takeo etとが示唆された場合には，未知の圧力源の存在を考える

al., 2013 ; Kazahaya et al., 2015 ; 中道・青山, 2016）．これのではなく，まずは球状圧力源のような圧縮率の小さならの観測は，噴火過程を理解する上で重要である．

圧力源の存在の可能性を追究するべきである．
3-3-4

複数の力源の相互作用上で述べたように，火山活動は大まかにはいくつかの段階に分けることができるが，マグマの粘性・マグマ噴観測された地殻変動場を複数の圧力源によるものとし火であるか水蒸気爆発かであるか・噴火の爆発性などのて考えることは多いが，厳密には，複数の力源による変多様性により，観測される地殻変動もまた様々である．

形場をそれぞれの力源による変形場の重ね合わせとして

ここでは，これまでに観測された様々な地殻変動を整理表すことはできない．それは，複数の力源の相互作用にし，地殻変動観測から得られる知見と限界について議論

より，それぞれの力源のもたらす変形場の重ね合わせでする．

は力源における境界条件を満たすことができないからで4-1ある．たとえば，2 つの圧力源がもたらす変形場を考え

マグマだまりにマグマが注入されると，マグマだまり

る場合，2 つの圧力源のもたらす変形場の足しあわせにが増圧し山体は膨張する．この段階では顕著な地震活動

よって変形場を求める場合，圧力源 2 が圧力源 1 の境界が観測されない場合もある．活動源近傍に地震計が設置の圧力や変位に擾乱をもたらし境界条件を満たさなくな

されていない活火山においては，実際には発生している

る．

非噴火時の地殻変動

地 震 活 動 が 観 測 さ れ な い 場 合 も あ る だ ろ う．ま た，

Pascal et al. (2014) は，有限要素法を用いて，2 つの圧

GNSS・傾斜計・ひずみ計などによる観測が火山近傍で力源のもたらす地表変形場とそれぞれの圧力源のもたらなされていない場合には，地殻変動を観測できない．そす地表変形場の足しあわせとの差を評価した．彼らは，のような場合でも，地上での観測機材が必要ない SAR

ダイクやシルの走向延長方向に球状圧力源がある場合にを用いることによって地殻変動を検出できる．Pritchardは，2 つの力源を足し合わせることによって変形場を求and Simons (2002) の先駆的な研究以来，地上観測がなさ

めても誤差は 5 % 以内であることを示した．彼らはまれていない活火山におけるマグマ蓄積を検出する試みがた，球状圧力源がダイクの走向に垂直な方向にあり，か盛んに行われてきた（たとえば Philibosian and Simons,つ 2 つの力源間の距離が球状圧力源の半径の 4 倍よりも2011 ; Chaussard and Amelung, 2012 ; Chaussard et al.,

330

青木陽介

2013）
．活火山の多くはアクセスが困難であったりイン担っていた．断層運動によりカルデラ外側は収縮場にフラの整っていない地域にあり，地上での観測網を構築なったため，断層運動がマグマだまりの水平方向への拡するには多大な労力を要するという背景を考えると，ま大を抑制する役割も担っていたと考えられる（Chadwick

ず SAR によってマグマ蓄積が進んでいる活火山を特定

et al., 2006 ; Jónsson, 2009）．

し，より詳細な観測を必要とする火山を選定して地上でまた，マグマ蓄積にともなうとされる山体膨張は，必の観測網を構築する，という方法は合理的なもののようずしもすべての場合について，弾性体内の上部地殻におに思える．

ける球状もしくは回転楕円体圧力源の膨張として合理的

Chaussard and Amelung (2014) は，SAR によって観測さに説明されるわけではない．Fialko and Pearse (2012) は，れた世界各地の島孤火山のマグマ蓄積にともなう地殻変

南米 Uturuncu 火山で過去約 20 年間に撮像された SAR

動を整理し，地殻内マグマだまりの深さは島弧地殻が厚画像から，Uturuncu 火山の火口付近の衛星との視線距離いほど深く，広域応力場が圧縮であるほうが深いというが，過去約 20 年間ほぼ約 7 mm/yr という一定の割合でことを示した．このことは，地殻内でのマグマ輸送が母短縮していると同時に，周辺部の衛星との視線距離が最岩の応力場や密度に支配されているということを意味

大 3 mm/yr ほど伸張していることを観測した．これらはし，これまでの理論的研究と調和的であるだけではなく，それぞれ，概ね隆起と沈降に相当する．この観測は，等

現在地震活動や地殻変動が見られず浅部マグマだまりの方弾性体中の深さ 25 および 80 km に増圧および減圧源

深さを特定できない火山においても，マグマだまりの深をおくことで説明できるが，これらの深さは岩石の脆さをある程度推測できるということを意味する．

性・延性境界の深さより深いこと，2 つのマグマ間をつ上に述べた例をはじめとして，山体膨張にともない地

なぐ火道によりマグマが供給され続けると過大な過剰圧

殻変動は弾性体内の上部地殻における球状もしくは回転を生み出すことになり Uturuncu 火山が過去 27,000 年間

楕円体圧力源の膨張によって説明される場合が多いが，などの理由から，噴火していないことと非調和的である，

噴火に先立つ膨張期間は 1 年もしくはそれ以下から数

Fialko and Pearse (2012) はこのモデルは物理的に不適切

10 年もしくはそれ以上にわたることがあり，まちまちでであるとした．彼らは，温度に依存する粘性分布を仮定ある．たとえば，2004, 2008, 2009 年浅間山噴火に先立つし，中部地殻に位置する 16 km の深さにおいて，周囲の山体膨張期間は数ヶ月程度（Takeo et al., 2006 ; Aoki et al.,

岩石よりも低密度なマグマがおよぼす浮力により観測を2013），2011 年霧島新燃岳噴火に先立つ山体膨張期間は説明できるとした．この 16 km という深さは，地震波速

1 年ほど（Nakao et al., 2013）であるのに対し，Campi

度構造により求められた低速度層（Chmielowski et al.,Flegrei 火山（イタリア）では 2005 年以降現在まで 10 年

1999 ; Zandt et al., 2003）の直上にあたり，物理的にも妥以上に隆起が継続し（Amoruso et al., 2014 ; De Martino et

当なモデルである．Fialko and Pearse (2012) がこのようal., 2014），Long Valley カルデラ（アメリカ合衆国）では，なモデルを作ることができた背景には，過去 20 年近く

1978 年以降 30 年以上にわたり間欠的に山体膨張が継続にわたる SAR 観測の積み重ねにより，数 mm/yr 程度のしている（Feng and Newman, 2009 ; Liu et al., 2011）が，低速な変形を高い空間分解能で観測することができるよ

噴火は発生していない．姶良カルデラでは，少なくともうになったこと，計算機の高速化により現実的な岩石の1940 年代から現在に至るまで消長を繰り返しながら隆

物性を取り入れた地殻変動のモデリングの数値計算が可

起が継続し，その間に多くの噴火が発生している（Iguchi,

能になったこと，がある．一般的に，ある地殻変動観測2013）．また，Santorini 火山（ギリシャ）や Laguna delを説明しうるモデルは複数存在するので，地震波速度構Maule 火山（チリ）のように長期間の静穏期の後に急速造・比抵抗構造・震源分布などと調和的で，かつ地殻変なマグマ蓄積が 1 年から数年継続するが噴火には至らな動観測を説明できるモデルを作ることが要請される．

い例（たとえば Parks et al., 2012 ; Feigl et al., 2014）もある．

活火山において非噴火時に生じる地殻変動は山体膨張
だけではなく，山体収縮が発生することもある．山体収マグマ蓄積にともなう山体膨張にともなう周辺域の応縮のメカニズムは必ずしも広く研究されているわけでは

力変化は断層運動をもたらすこともある．Sierra Negra

なく，そのメカニズムも明確になっているわけではない

火山（エクアドル・ガラパゴス島）では，深部のシル状が，熱水や火山ガスの放出による球状圧力源の減圧やマ

マグマだまりの増圧がカルデラ内部の断層運動により解グマの冷却によって生じていると解釈されることが多い

放されるという地殻変動が繰り返し発生してきた（Bartel et al., 2003 ; Sturkell et al., 2008 ; de Zeeuw-van（Amelung et al., 2000 ; Jónsson et al., 2005）．この断層運動

Dalfsen et al., 2012, 2013）．浅間山においても，噴火間にはマグマだまりの増圧を減少させ噴火を遠ざける役割を

は山体収縮が見られる．開口型火山の浅間山では静穏期

火山における地殻変動研究の最近の発展

331

でも火山ガスの放出が見られるが，放出された火山ガス

少なくとも 10 年程度にわたって山頂直下でダイク貫入の量から期待されるマグマ体積変化は地殻変動観測からが続いたが（たとえば Amelung et al., 2007），噴火には期待されるそれよりも遥かに大きく（Kazahaya et al.,

至っていない．それに対して浅間山では，数ヶ月から半

2015），他のいくつかの火山と同じく火道内でマグマ対年程度のダイク貫入ののちに噴火が発生している（青流（Kazahaya et al., 1994 ; Shinohara, 2008）が発生してい木・他, 2005 ; Takeo et al., 2006 ; Aoki et al., 2013）．桜島

ると考えられる．

では，2015 年 8 月に多くの地震と大きな地殻変動をとも活火山においては，噴火や地震活動が大地震により誘

なうダイク貫入イベントが発生したが，数日で貫入が終発されることが知られているが（たとえば Hill et al.,

了し，噴火には至らなかった（Hotta et al., 2016）．この貫1993 ; Manga and Brodsky, 2006 ; Hill and Prejean, 2015），

入イベントは，ダイク貫入の開始から停止までが世界で最近の SAR 観測の発展により，大地震が火山地域の地

最も密に観測されている火山のひとつで発生したもので殻変動を誘発することが明らかになった．Ozawa andあり，このイベントにともなう地殻変動・地震活動を研Fujita (2013) と Takada and Fukushima (2013) は 2011 年東究することにより，ダイク貫入のメカニズムの理解が大北地方太平洋沖地震が，Pritchard et al. (2013) は 2010 年

きく進む可能性がある．

Maule 地震（チリ）が近隣の活火山を沈降させたことをダイク貫入が発生する際には，ダイクの下部にあるマ発見した．Ozawa and Fujita (2013) は，近隣の GNSS 観

グマだまりの減圧がともなうはずであるが，地殻変動か測と比較することにより，この沈降が東北地方太平洋沖

らダイクの鉛直貫入にともないマグマだまりの減圧が検地震の発生とほぼ同時に起きたと主張している．SAR

出されることは少ない．それは，1）マグマだまりとダイによるこれらの観測は明確なものであるが，これらの沈クが鉛直に並んでいることからマグマだまりの収縮にと降を引き起こしたメカニズムについては必ずしも明確でもなう地殻変動がダイク貫入にともなう地殻変動と重は な い．Ozawa and Fujita (2013) お よ び Takada andなってしまうこと，2）3-3-3 節に示すように，マグマだ

Fukushima (2013) は，火山地域と周辺地域の物性の違い

まりにおける体積変化はダイク貫入にともなう体積変化に注目し，地震により火山地域がより大きく引き伸ばさの数分の 1 程度であること，が理由である．

れたことにより沈降が観測されたと主張した．それに対

4-2-2

水平方向へのマグマ輸送

して，Pritchard et al. (2013) は，地震による動的もしくは浅部マグマだまりでの増圧が岩石の引張強度を上回り

静的応力変化によりマグマだまりもしくは熱水だまりか

マグマだまりが破壊した時，マグマに浮力が働かない場

らマグマや熱水が放出され減圧し，それにより沈降が観合には，マグマは水平に輸送される．水平方向へのマグ測されたと主張した．この問題に決着をつけるために

マ貫入の場合，マグマだまりの収縮にともなう地殻変動

は，他の観測などから得られた知見と調和的な現実的なとダイク貫入にともなう地殻変動が離れた場所にて観測

地下構造を用いた数値計算が不可欠であろう．

されるため，鉛直方向へのダイク貫入の場合とは違い，

4-2

マグマ輸送にともなう地殻変動

4-2-1

鉛直方向へのマグマ輸送

マグマだまりの収縮もはっきりと観測することができる．最近では，2000 年三宅島，2005-2010 年 Afar（東ア

マグマだまりにおける過剰圧が岩石の引張強度を上回フリカ），2014 年 Bárðarbunga 火山（アイスランド）で大ると，マグマだまりは破壊し，マグマ輸送が始まる（た規模な水平貫入が発生し，そのいずれにおいてもマグマ

とえば Cañón-Tapia, 2014 ; Browning et al., 2015）．マグマ

だまりの収縮とダイク貫入にともなう地殻変動がはっきに浮力が働く場合にはマグマは鉛直方向に輸送される．

り と 観 測 さ れ て い る（た と え ば Ozawa et al.），2004 ;マグマの粘性が低く母岩との粘性比が大きい場合，マグ

Yamaoka et al., 2005 ; Wright et al., 2006, 2012 ; Riel et al.,マはダイク状に輸送される（Rubin, 1993）．ダイクが地

2015）．Kīlauea 火山，Piton de la Fournaise 火山（フランス

表に達すると噴火に至る．1983 年以来 Kīlauea 火山（ア領レユニオン島），Etna 火山（イタリア）なども，浅部マグ

メリカ合衆国ハワイ州）の East Rift Zone で継続していマだまりからの水平ダイク貫入が数多くの山腹噴火を引る噴火が一例である（たとえば Lundgren et al., 2013）．

き起こしている（たとえば Peltier et al., 2009 ; Falsaperla

しかし，浅部へのマグマ貫入が発生したとしてもマグマ

and Neri, 2015）．

が浮力を失う，母岩の破壊強度を乗り越えてマグマが浅とりわけ玄武岩質マグマの貫入の際には震源分布から部へ進めなくなる，などの理由でダイク進展が地表に至ダイクの先端位置をよく推測することがことできるがらず噴火未遂となることも多い（たとえば Moran et al.,（Rubin et al., 1998 ; Hayashi and Morita, 2003 ; Falsaperla2011）．マグマ貫入の時間スケールは様々である．Mauna

and Neri, 2015），水平方向へのマグマ貫入の場合，震源がLoa 火山（アメリカ合衆国ハワイ州）では，2002 年から

水平方向へ移動するため，地震観測が十分でなく地震活

332

青木陽介

動の深さがよく決まらない場合でも，震央位置だけで少流速（たとえば Kauahikaua et al., 1998）と同程度である．

なくともダイク先端の水平位置はある程度推測すること

これは 1983 年以来の East Rift Zone における活動によができる．ダイクの水平貫入の経路は多くの場合直線でり，マグマの通り道が出来上がっていることを示唆する．

は な く，曲 が っ た 経 路 を と る．2000 年 三 宅 島 お よ び

4-32014 年 Bárðarbunga 火山で発生したダイク水平貫入の際

火山噴火は火山体内部からの質量の放出であるので，には，震源分布から曲がったダイク貫入経路がはっきり

基本的には，噴火にともない火山は収縮する．実際に，と示された．ダイクは最小主応力方向に開き，それと垂噴火にともなう山体収縮は世界中の火山で観測されてい直な方向に伸展する（Nakamura, 1977）ため，貫入するダる（たとえば宮城・他, 2013）．しかし，近年の地殻変動

イクの伸展経路は，広域応力場だけでなく，地形によっ観測の発展により，様々な現象が観測され，多くの知見てつくられる局所的な応力場にも支配される（Heimissonが得られてきた．火山噴火にともなう火口近傍での短い

et al., 2015）．地形は多くの場合高い空間分解能で分かっ

時間スケールでの傾斜変動などの地殻変動については中ているので，このことは，適切な数値モデルを用いれば

道・青山 (2016) に譲り，ここではより長期的な変動につ山腹噴火の場所をある程度推測することが可能であるこいて議論する．

とを示している．

噴火にともなう地殻変動

2011 年の霧島新燃岳噴火では，3 回の準プリニー式噴

水平ダイク貫入が急峻な地形を持つ山腹で発生する場

火が発生したのち，溶岩ドームを形成する非爆発的噴火

合，ダイクにほぼ垂直な方向に décollement が形成されへと移行した．この火山活動にともない，傾斜計は準プ

る 場 合 が あ る．実 際，Kīlauea 火 山 や Etna 火 山 で はリニー式噴火にともなうステップ的な傾斜変動と溶岩

décollement が形成され，定常的すべり・地震・ゆっくり

ドーム形成にともなう緩やかな傾斜変動を観測した．

すべりによって山腹が山麓方向へ移動する動きが観測さOzawa and Kozono (2013) は，溶岩ドーム形成前後に撮像れている（たとえば Owen et al., 1995 ; 2000a ; Cervelli et

された多数の SAR 画像の強度画像から，適切な仮定をal., 2002a ; Montgomery-Brown et al., 2009 ; Bonaccorso et

用いて溶岩ドームの体積の時間変化を求め，1.5×107 m3

al., 2013）．この décollement が存在しない場合は水平ダの溶岩ドームがほぼ一定速度で約 2 日間かけて形成されイク貫入の原動力はマグマだまりでの増圧による能動的た こ と を 示 し た．Kozono et al. (2013) は，Ozawa andなものであると特定できるが，décollement が存在する場

Kozono (2013) によって求められた溶岩流出体積と傾斜合は，décollement のすべりによるダイクの減圧がマグマ変動の関係から準プリニー式噴火にともなう溶岩噴出率

だまりからダイクへのマグマ流出を駆動する場合もあを求め，過去に発生したプリニー式噴火および溶岩ドーる．実際，Kīlauea 火山 1997 年および 1999 年噴火に先ム形成にともなう溶岩噴出量と噴出率と比較することに立ち山頂部の膨張は観測されておらず，これらの噴火はより，溶岩噴出率の若干の低下が噴火様式の大きな変化

décollement のすべりに駆動されたものであると考えらをもたらしたことを示した．これらの研究は，多種の観れる（Owen et al., 2000b, Cervelli et al., 2002b）．これに対測を組み合わせることにより火山噴火のメカニズムにつし，2007 年噴火は山頂直下の増圧と décollement でのす

いてより進んだ知見を得ることができた例である．なべりの両方が見られたという点で，能動的・受動的ダイ

お，山頂の溶岩ドーム形成は，体積増加率を減少させな

ク貫入の中間的なタイプであると考えられる（Brooks et

がら 2013 年ごろまで継続した．Miyagi et al. (2014) は，

al., 2008 ; Montgomery-Brown et al., 2011）．

InSAR 解析により溶岩ドームの膨張と周辺部の沈降が，水平ダイク貫入ではマグマだまりからのマグマ流出に浅部マグマだまりからのマグマ流出によるものであることもなう地殻変動とダイク貫入にともなう地殻変動が離とを示した．このような観測は，SAR による観測によっれた場所で観測されるため，地殻変動が発生する時間差て初めて可能である．

か ら マ グ マ の 流 出 速 度 を 推 測 す る こ と も で き る．

Ozawa and Kozono (2013) では噴出した溶岩の体積を見

Cervelli and Miklius (2003) および Anderson et al. (2015)

積もるのにある種の仮定を用いたが，TanDEM-X 衛星なは，Kīlauea 火山の山頂付近と East Rift Zone に設置されど 2 基の衛星で構成されている衛星システムのデータかた傾斜計が数分から数時間，多くは 1〜2 時間のずれでらは DEM を作成することができるため（たとえば Farr

変 動 す る こ と を 発 見 し た．こ れ が 山 頂 か ら East Riftet al., 2007），2 時期の地形変化の違いから噴出物の体積をZone へのマグマの流出によるものであるとすると，マ正確に求めることができる．Ebimeier et al. (2012)，Albino

グマ流出速度は 10〜20 km/hr と見積もられ，East Riftet al. (2015)，および Kubanek et al. (2015a) は，Santiaguito

Zone における鉛直マグマ貫入速度よりも大きく，East

火山（グアテマラ）2000-2009 年噴火，Nyamulagira 火山

Rift Zone に形成された溶岩チューブ内を流れる溶岩の（コンゴ民主共和国）2011-2012 年噴火，および Tolbachik

火山における地殻変動研究の最近の発展
火山（ロシア）2012〜2013 年噴火にともなう噴出量をそ れ ぞ れ 4. 3 ± 0. 6 × 108 m3，3. 052 ± 0. 36 × 108 m3，
8

3

8

3

5.3±0.7×10 m と推定した．この手法は 10 m を越えd R1 = aσC dt− dcR 

333

（46）

る大噴火だけでなく，より小さな噴火にともなう噴出量と表されるとモデル化した．ここで，σ は法線応力，aを 計 算 す る こ と も で き る．Kubanek et al. (2015b) はは無次元の断層構成パラメータであり，0.005 から 0.015

Merapi 火山（インドネシア）2010 年噴火にともなう山頂の間の値をとる（たとえば Scholz, 1998）．また，C は定7付近の噴出量の体積を 1.9×10 と推定した．これは他数である．Kīlauea 火山における地震活動が式（46）にの手段による推定とも調和的である．火山噴火にともな

よってよくモデル化されることを Dieterich et al. (2000)

う噴出量は火山噴火を考える上で最も基本的なパラメーが示したほか，式（46）の有用性は多くの研究で示されてタの一つであるため，衛星技術を通して噴出量を正確にいる（たとえば Cayol et al., 2000 ; Toda et al., 2002）．

見積もることは重要である．現在の SAR 衛星ミッショ

Segall et al. (2013) は，これを用いて Kīlauea 火山 East

ンは 1 つの衛星によるものが主流であるが，このように，

Rift Zone での 2007 年ダイク貫入にともなう地殻変動お近接した 2 基の衛星を用いることによる火山学への影響

よび地震活動を同時に説明することを試みた．彼らは，は大きいので，将来の衛星ミッションは 2 基の衛星を同

このダイク貫入イベントを East Rift Zone への水平貫入時に打ち上げ近接して運用することを提案したい．

だけで説明することは困難で，East Rift Zone 内での鉛直
ダイク貫入などより複雑な現象が発生していたことを示

5．今後の展望唆した．彼らの提唱した手法にはおそらく細部の修正の5-1

独立した情報を用いたマグマ輸送・噴火過程の余地はあるものの，火山現象に対して異なる感度を持つ

理解の深化

地殻変動観測と地震活動観測を組み合わせることによっ

ここまで述べたように，火山における地殻変動観測は，て現象の理解および予測能力の向上が図られること，まマグマ輸送の進展について多くの情報を与える．しかた，海域など地殻変動観測データの乏しい場所での火山

し，地殻変動観測によってもたらされる情報はマグマだ活動により地殻変動観測だけから火山現象を理解するこ

まりの圧力変化，ダイクの大きさや厚さや過剰圧といっとが困難な場合でも地震観測と組み合わせることに現象た運動学的情報のみであり，また，地殻変動をもたらす

をよりよく理解できる可能性があること，などから，将圧力源の形状を精度よく求めることは一般的には困難で来の一つの研究の方向性になりうると考える．

ある．さらに，地殻変動観測から求められるのはマグマ

5-1-2 地殻変動観測と物理モデルの融合の圧力や体積の「変化」であり，たとえばマグマだまり

地殻変動観測はマグマだまりの圧力変化，ダイクの大の体積そのものの情報を持ち得ない．しかし，このようきさや厚さや過剰圧などの情報をもたらすが，得られるな情報は火山学において非常に重要なパラメータであるのは運動学的情報のみであり，地殻変動観測によってもので，観測を通じてこれらのパラメータを拘束することたらされたマグマ輸送過程が力学的に妥当なものである

は，火山活動の理解および予測に重要である．ここでは，保証はない．一方で，ダイク伸展や火道流に関する理論

今後の火山地殻変動観測研究の発展に重要なテーマとし的・実験的研究はこれまでに数多く行われてきている（たて，地殻変動観測と地震観測や理論的考察を組み合わせ

とえば Kozono and Koyaguchi, 2012 ; Rivalta et al., 2015 ;ることによりこれらの問題に取り組んでいくための展望

小園, 2016）．すなわち，地殻変動観測をこれらの理論を述べる．

的・実験的研究から得られる知見と組み合わせることに

5-1-1

地殻変動観測と地震活動観測との融合

より，マグマの挙動を理解するのに重要だが地殻変動観

地殻変動観測は，地下の圧力源の位置や形状，および測だけからは得ることのできないマグマの粘性・密度・これらの時間変化を求めることができるが，観測の性質

マグマ中の揮発性物質の含有量・マグマだまりの体積な上，これらを地震観測における震源決定のような精度でどのパラメータを拘束することができる可能性がある．

求めることはできず，また，圧力源形状を精度よく拘束

Anderson and Segall（2011, 2013）は，地殻変動観測デー

することも一般的には困難である．Dieterich (1994) は，

タとマグマの挙動を支配する物理モデルとを組み合わせ

地震活動がその震源での応力変化の応答として発生してて，マグマだまりの深さ・形状・体積変化やマグマだまいるとして，地震発生数 R はクーロン応力 c の変化へのりの体積・初期圧力・揮発性物質の含有量を確率分布の応答として形で推定した．マグマだまりの深さ・形状・体積変化は
地殻変動観測だけから求めることができるが，マグマだまりの体積・初期圧力・揮発性物質の含有量は，地殻変

334

青木陽介

動観測とマグマの挙動を支配する物理モデルとを組み合

ΔV res=βresV resT

わせることによってはじめて推定することができる量で（47）ある．彼らは開発した手法を St. Helens 火山（アメリカである．ここで，βres はマグマだまりの圧縮率である．

合衆国ワシントン州）2004〜2008 年噴火のデータに応用

式（41）より，そのために必要なマグマの質量変化 ΔMTし，物理モデルを考慮することによりマグマだまりの形

は状や深さなどの運動学的パラメータもよりよく推測することができること，11〜18 km に位置するマグマだまり

ΔM T=(βres+βm)ρV resT

（48）の体積は 40 km3 以上あるべきであること，などを示しとなる．ここで，βm はマグマの圧縮率である．質量 ΔMTた．彼らの研究で用いているデータは地殻変動データだのマグマがダイクとして貫入した場合，貫入したダイクけであるが，研究の性質上，地震活動やガス観測データの体積 ΔVdike とマグマだまりの体積 Vres の関係は，式を彼らの手法に組み込むことは容易であり，それにより， （41）よりより洗練されたモデルを構築することができるだろう．
地殻変動観測はマグマの運動学的パラメータにしか感度がないため，これまで，地殻変動観測データを用いた研βres+βm
ΔV dike=TV res
1+βm/βdike（49）

究はデータそのものを説明しようとするものにとどまるとなる．βres および βm は 1〜3×10−10 程度，T は典型的ことが多く，マグマの性質やその輸送の物理学を定量的には 3〜4 MPa 程度，βdike 〜1/T であるから，ΔVdike /Vresに理解しようとする発想に乏しかったが，彼らの提唱すは 1/2000 から 1/500 程度である．ここでは，マグマだまる手法を発展することにより，マグマの性質を表すパラりが溶融したマグマで満たされているとしたが，もしマメータを拘束できることになり，マグマ輸送のメカニズ

グマだまりが部分溶融したマグマでできているのであれ

ムのより深い理解と火山活動予測の精度向上がなされる

ば，よ り 体 積 の 大 き な マ グ マ だ ま り が 必 要 と な り，と考えられる．
5-1-3

マグマだまりの体積の推定

もしマグマだまりにおいて増圧や減圧があった場合，

ΔVdike/Vres はより小さな値になる．いずれにせよ，噴火によって噴出するマグマの量は，マグマだまりの体積に対してごく少量であるということを示している．

地殻変動データはマグマだまりの圧力変化や体積変化をBrowning et al. (2015) は，この理論を用いて Santorini

ある程度拘束することができる．とりわけ，圧力変化を島（ギリシャ）の浅部マグマだまりの体積の推定を試よく拘束することはできる．しかし，マグマだまりの体み た．彼 ら は，適 当 な 物 性 値 を 考 え る こ と に よ り

積そのものを求めることはできない．しかし，マグマだ

ΔVdike/Vres=1/1850 とし，20 世紀の Santorini の噴火の典

まりの体積は，活火山におけるマグマ輸送や噴火機構を型的な噴出量 6×107 m3，Santorini のカルデラ壁で観察理解するにあたり最も基本的な量であることから，マグされるそれぞれのダイクの体積 6×106 m3 から，地殻変

マだまりの体積を推定することは重要である．地殻変動

動観測から 4 km 付近に存在するとされるマグマだまり

観測と物理モデルを組み合わせてマグマだまりの体積をの体積を約 122 km3 と推定した．Santorini 火山では，紀推定する手法（Anderson and Segall, 2013）を上に述べた

元前 17 世紀に 40〜60 km3 ものマグマを噴出する噴火がが，ここではより単純な Gudmundsson (1987) にしたが発生しているが（たとえば Druitt et al., 2012），そのようい，マグマだまりの体積と噴火にともなうマグマ噴出量

な噴火はカルデラ崩壊などの外的要因によってマグマだの関係について考察する．

まりからマグマが強制的に押し出されることにより発生

Gudmundsson (1987) は，マグマだまりの過剰圧が岩石したと彼らは主張しており，このような大噴火は，マグの引張強度 T を超えるとマグマだまりが破壊して，マグマだまりのごく一部のマグマを噴出させる噴火とは本質

マだまりからマグマが浅部へダイク状に貫入し，貫入し的に異なるとしている．しかし，この主張は，噴火規模

たマグマの一部が噴火すると仮定した．このような貫入と頻度の関係がべき乗則にしたがうとした研究結果

が 発 生 す る と マ グ マ だ ま り の 過 剰 圧 は 低 下 す る が，

（Simkin, 1993 ; 中田, 2015）と調和的でないように思え

Gudmundsson (1987) は，貫入後も過剰圧は 0 以下にはなる．また，一般的には，マグマだまりから放出されたマらないとした．すなわち，あるマグマだまりについて，グマの多くは噴火に至らないこと（たとえば Moran et al.,

噴火しうる最大のマグマ質量は，マグマだまりの過剰圧

2011）を考えると，主に噴出物の体積だけを考えてマグを 0 から T にするために必要なマグマ質量である．

マだまりの体積を推定する彼らの研究は，マグマだまり

式（40）より，体積 Vres をもつマグマだまりの過剰圧が0 から T になった場合の体積変化 ΔVres はの体積を過小評価していると思われる．一方で，マグマだまりからのマグマの放出でマグマだまりの過剰圧を実火山における地殻変動研究の最近の発展335

際には負にすることができるのであれば，マグマだまりの体積を過大評価していることになる．このように，彼らによるマグマだまりの体積の推定は，それ自体野心的なものであるが，不確定性も大きい．実際，Ishizuka etal. (2015) は，伊豆大島において過去 14,000 年に噴出した火山岩の化学組成の時間変化から，伊豆大島のマグマ
だまりの体積を約 16 km3 と，Browning et al. (2015) よりも 1 桁小さい値を推定している．
5-2

新たな観測技術

GPS や SAR などの衛星測地技術が地殻変動研究を大きく発展させた例を挙げるまでもなく，地殻変動研究の発展は，観測技術の発展が一翼を担ってきた．今後も地殻変動研究の発展は新たな観測技術によって駆動されていくであろう．ここでは，SAR 観測の優れた空間分解能を保持しながら時間分解能にも優れた観測を行うことのできる地上設置型レーダーと航空機による SAR 観測をとりあげる．
5-2-1

地上設置型レーダーの活用

地上設置型 SAR は，Fig. 14 に示すように直線のレーFig. 14. An illustration of the configuration of the groundbased SAR system. Tx and Rx represents the transmitting and receiving antennas, respectively. NWA
denotes the network analyzer. Taken from Tarchi et al.
(2003).

ルの上にのったレーダーがターゲットに向けてビームを照射しながらレールの上を移動していく．レーダーは常間・時間分解能で火山の地表変動場を得られるが，広範にターゲットを見ているために，高い時間分解能でター囲の観測を行うことができないという欠点がある．この

ゲットの変動を見ることができる．もっとも，地上から欠点は，航空機に SAR を搭載して観測を行うことによっでは限られた視界しかないため，地上設置型 SAR によて解決できる．航空機による観測は，観測者の好きな時

り広域の変動をとらえることは基本的にはできない．

間に好きな方向から行えるため，1）時間分解能が衛星のStromboli 火山（イタリア）には地上設置型 SAR が設置

再帰周期よりも良くならない，2）衛星軌道が基本的に南されており，Casagli et al. (2009) および Intrieri et al. (2013)

北方向であるために南北方向の変位への感度が低い，とは，2007 年噴火にともなう地表変位場を 10 分程度の時いう衛星 SAR 観測の欠点も克服することができる．こ間分解能で明らかにした（Fig. 15）．この観測手法は，広のことは科学的に重要であるだけでなく，噴火時に地殻範囲の観測を行うことはできないものの，空間分解能お

変動場の観測を通して現状を素早く把握することができ

よび時間分解能が高いためにターゲットの場所が決まっるという点で実用的にも重要である．

て い る 観 測 手 段 と し て は 強 力 な も の に な る だ ろ う．

Lundgren et al. (2013) は，航空機 SAR によって撮像さ

Stromboli 火山における地上設置型 SAR 観測についてれたデータの干渉解析により，2011 年 Kīlauea 火山噴火

は，そ の 他 に Di Traglia et al. (2012) や Nolesini et al.

にともなう地殻変動を数日の分解能で観測することに成(2013) も参考にされたい．

功した（Fig. 16）．しかし，航空機 SAR による観測は高また，Wadge et al. (2005, 2008) は，地上からのレーダー価であり，噴火発生時など緊急時においても気軽に利用観測により，Soufrière Hills 火山（イギリス）の溶岩ドーできるという段階には至っていない．今後の技術開発をム成長過程を観測し，2006 年 3 月から 4 月にかけての通じて航空機 SAR 観測が手軽に行えるようになった時，

Soufrière Hills 火山での溶岩ドーム成長速度は約 7 m3 /s

火山地殻変動研究は大きく進展するであろう．

であることを示した．この観測は地上設置型 SAR ほど

5-3の空間分解能は得られないが，安価である，地上設置型

一般に，主要なデータの研究コミュニティへの公開は，

SAR ほどの大規模な施設を必要としない，などの利点もその分野の研究の発展に大きく寄与する．たとえば，

データのオープンアクセス

あり，用途に応じて観測手段を使い分けることにより効

オープンアクセスの GEONET（日本・ニュージーラン

率的な観測を行うことができる．

ド），Hi-net，USArray などの存在は，関連分野の研究を

5-2-2

航空機 SAR の活用

上に述べた地上設置型レーダーによる観測は，高い空大きく進展させた．また，European Space Agency の打ち上げた ERS-1，ERS-2，Envisat，Sentinel-1 などの衛星デー

336

青木陽介

Fig. 15. An interferogram representing the deformation
between 11 : 17 GMT and 11 : 28 GMT on 9 March
207 in Etna volcano obtained from a ground-based
radar. The white symbol denotes the location of theground-based radar. Each color cycle represents aninterferometric fringe corresponding to a line-of-sightdisplacement of 8.8 mm. The maximum line-of-sightdisplacement is about 55 mm, corresponding to thedisplacement rate of approximately 300 mm/yr. Taken
from Casagli et al. (2009).

タは誰でも無料で入手できる．また，プロポーザルを提出しそれが採択される必要はあるが，TerraSAR-X 衛星のデータは，データ取得後 18ヶ月以降であれば無料で入手することができる．それに対し，ALOS，ALOS-2 を含めた他の衛星は有償であり．そのうちの多くの衛星プロジェクトでは，プロポーザルが採択されればある一定数の画像が無償で提供されるプログラムはあるが，提供される画像数は少なく，現在主流となっている時系列解析などを行うのに必要な画像数を得ることはできない．
衛星データだけではなく，地上観測データもデータへのアクセスが完全に研究コミュニティに開かれているわ
けではない．地上観測データの場合データの先取権が問題になることがあり，それは尊重されるべきであるが，そのことが何年にもわたりデータ取得者がデータを他者と共有しないことへの正当な理由にはならない．
以上に述べたように，各種データを研究者間で広く共有することは，あるデータに対して様々な切り口から取り組むことができる機会を生むことから，関連研究分野のより大きな発展には不可欠である．そのため，地上・衛星どちらのデータについても取得されたデータは，リクエストがあれば原則公開とするべきであり，データの先取権を主張する場合でも，データ取得後半年もしくは1 年後にはリクエストに応じて公開とするなど明確なルールを取り決めるべきである．

Fig. 16. Interferograms taken in Kīlauea volcano by anairborne SAR system. Each color cycle represents lineof-sight displacements of 100 mm. Gray and blackarrows indicate the trajectory of the aircraft and lookdirections, respectively. Look angles from vertical arealso shown. Interferograms represent deformation
between 6 January 2010 and (a) 3 May 2011, (b) 9
May 2011, and (c) 7 May 2011, respectively. Taken
from Lundgren et al. (2013).

火山における地殻変動研究の最近の発展
謝辞2 名の匿名査読者の丁寧な査読により，原稿が改善さ
れました．

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（編集担当

前田裕太）