火山 第 48 巻 (2003)
第 6 号 507ῌ512 頁

寄 書

JERS-1 の干渉 SAR により検出された霧島火山群῎
硫黄山周辺の局所的な地殻変動
小 澤拓῍῎宗 包 浩 志῍῍῎矢 来 博 司῍῍῎村 上亮῍῍ῐ2003 年 6 月 23 日受付ῌ 2003 年 10 月 22 日受理ῑLocal Deformation around Iwo-yama, Kirishima Volcanic
Complex Derived from JERS-1/InSAR
Taku OO6L6῍, Hiroshi MJC:@6C:῍῍, Hiroshi, Y6G6>῍῍ and Makoto MJG6@6B>῍῍
JERS-1 SAR interferometry is applied to Kirishima volcanic complex, and we detected the ground deformation associated with the subsidence at the summit of Iwo-yama. The mean deformation rate for the analyzed threepairs of data was apparently constant for about 3.4 years. By inverting the obtained line-of-sight displacement ﬁeld
for each pair of data, we estimate the parameters of pressure source by using the Mogi model. Estimated depthof the source is about 270m, which is consistent with the depth of aquifer suggested from MT survey. Hence, thissubsidence could be caused by the volume change of the aquifer system beneath the Iwo-yama. The rate of volume
change was about ῒ1.3ΐ104 m3/yr.
Key words: Kirishima, deformation, SAR, interferometry, aquifer

1. は じ め に林῎他ῌ 1995ῑῌ 地震観測 ῐ及川῎他ῌ 1994; 山本῎井田ῌ

霧島火山群は加久藤カルデラ南東縁に位置しておりῌ

1994ῑῌ 地殻構造探査 ῐ鍵山῎他ῌ 1995; 西ῌ 1997; To-

20 以上の成層火山や砕屑丘から構成されている ῐFig.1

matsu et al., 2001ῑ などのさまざまな観測が行われῌ 地下に霧島火山群の位置を示すῑ῍ 霧島火山群南域に位置す

構造やテクトニクスの解釈が試みられている ῐ鍵山 ῎る新燃岳や御鉢はῌ 有史において幾度も噴火を繰り返し

他ῌ 1997ῑ῍ておりῌ 最近では 1959 年に小規模な水蒸気爆発が新燃

地殻変動の情報からはῌ 周辺のテクトニクスや地下に岳において発生している ῐ井村῎小林ῌ 1991ῑ῍ またῌおける圧力変化などを推定できῌ 火山活動を把握するう

1768 年には韓国岳北西のえびの高原において溶岩が流えで重要な情報の一つである῍ 最近ではῌ 国土地理院の出する噴火が発生しῌ 硫黄山が形成された῍ このようにῌ

日本全国 GPS 観測網 (Sagiya et al., 2000) の高密度化に

霧島火山群は日本でも有数の活動度をもつ火山地域であ伴いῌ 空間的にも詳細な地殻変動場が明らかになりつつりῌ 火山活動を把握することは極めて重要である῍ これある῍ 霧島火山群山麓においてもῌ 数 10 km の間隔で電までに霧島火山群周辺ではῌ MT 法による比抵抗構造の子基準点が設置されておりῌ 広域的な地殻変動場を明ら

推定 ῐ鍵山῎他ῌ 1994; 歌田῎他ῌ 1994ῑ や重力測定 ῐ小かにしている῍ しかしῌ 火山活動に伴う地殻変動の空間波長はより短い場合がありῌ その全容を把握するために

῍ ῕305ῌ0811 つくば市北郷 1
日本学術振興会/国土地理院
Japan Society for the Promotion of Science / Geographical Survey Institute, 1 Kitasato, Tsukuba
305ῌ0811, Japan.
῍῍ ῕305ῌ0811 つくば市北郷 1
国土地理院
Geographical Survey Institute, 1 Kitasato, Tsukuba
305ῌ0811, Japan.
Corresponding author: Taku Ozawa
e-mail: taku@gsi.go.jp

はῌ 必ずしも十分な観測密度を有していない῍ 東京大学地震研究所の火山研究グル῏プはῌ 光波測量を用いた地殻変動監視を続けておりῌ 1991 年に発生した新燃岳周辺の群発地震に伴った地殻変動を報告している ῐ東京大学
地震研究所῎他ῌ 1992ῑ῍ またῌ 地殻変動検出を目的としてῌ えびの高原ῌ 高千穂河原ῌ 加久藤カルデラ東部において水準測量を実施している ῐ小山῎他ῌ 1991ῑ῍ またῌ
気象庁によって 6 点の GPS 観測点が設置されῌ 連続的な地殻変動監視が行われている῍ このような地殻変動情

508

小澤 拓宗包浩志矢来博司村上 亮

報が より広域かつ高空間分解能で得られるならば 火
山活動をより詳細に把握できるはずである

る地点がデタ取得間に変位した場合 一般に 変位量
は人工衛星の飛行高度と比べて十分に小さい を考える

干渉合成開口レダ 干渉 SAR: Synthetic Apertureと 行路長は変位量を視線方向に投影した量 Dr だけ変Radar は 航空機や人工衛星によって取得された SAR化する このとき干渉 SAR で得られる位相変化 Df は

画像を位相について干渉させることにより 高空間分解能で地表面変位を検出する技術である 特に 人工衛星

Df4pDr/l(1)で表される ここで l はマイクロ波の波長である 干渉を用いた干渉 SAR は 世界のどのような地域においてSAR により得られる地殻変動量はデタ取得間に生じも 現地における観測なしに地表面変位を捉えられるのた地表面変位の視線方向成分のみであり それに直交すで 火山活動や地震に対する地殻変動研究において期待る成分に関しては感度をもたない 干渉 SAR から得らされている 本論文では 霧島火山群周辺に干渉 SARれる地殻変動の分解能は 条件が良ければ 3を適用し 得られた地殻変動について報告する

相差まで得られる場合もある 例えば Tobita et al.,

8 度の位

1998 JERS-1 衛星では 23.5 cm の波長 (L-band) のマ
2. 干渉 SAR による解析

イクロ波が用いられているので 数 mm の地殻変動検出

干渉 SAR はこれまで多くの文献において紹介されて分解能が期待される 一方 空間分解能に関してはおり 例えば Massonnet et al., 1993; 小澤他 1999,

JERS-1 衛星の SAR 画像の空間分解能は cross-track 方

Hanssen, 2001 詳細に処理手法 理論について述べら

向に約 18 m, along-track 方向に約 6 m であり これを用れているので 本稿では地表面変位に伴う干渉縞についいた干渉 SAR は原理的に同じ空間分解能で地殻変動をての要点のみ説明する

検出することが可能である 本研究では ノイズ軽減の

SAR は人工衛星の進行方向 (along-track) に対して直ために空間的な平均化処理を行ったので 得られた地殻

交方向 (cross-track) かつ鉛直から斜め下方 視線方向

変動の空間分解能は約 50 m 程度である しかし デline-of-sight にレダ波を照射し (Fig. 1(a)) 地表面かタ取得間に生じる植生の変化や デタ取得時の衛星軌

らの後方散乱波を観測する技術である 干渉 SAR は異道の差などの適用条件により干渉性が劣化することがなる 2 時期に取得された SAR 画像の位相差を検出 干

Zebker and Villasenor (1992) によって述べられており

渉処理 する技術であるが これは人工衛星から照射さこれに伴って検出分解能精度も劣化する 特に干渉性れたレダ波が地表面で散乱し 人工衛星に戻ってくるが著しく低下する適用条件下では 干渉 SAR による地までの行路長の差を検出することと等しい 画像内のあ殻変動検出は不可能である

Fig. 1. (a) Map around south-Kyushu district. Red triangle indicates the location of Kirishima volcanic complex.
Color bar indicates the topographic height from 100 to 2000 meter. Solid rectangle shows the area of Fig.
1(b). Solid arrows and inset show the geometry of SAR observation. (b) Interferogram of Pair1
superposed on intensity image. Color bar shows phase di#erence from 2p to 2p radian (equivalent tothe slant range extension from 11.8 to 11.8 cm). The topographic contours are at intervals of 100 m.
Red rectangle shows the area of Fig. 3.

JERS-1 の干渉 SAR により検出された霧島火山群῎硫黄山周辺の局所的な地殻変動

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Fig. 2.Acquisition date of SAR data and interferometric pairs.

Fig. 3. Interferograms around Iwo-yama. This area corresponds with red rectangle area of Fig. 1(b). Color bar
shows phase di#erence from ΐ2p to ῒ2p radian (equivalent to the slant range extension from ΐ11.8 toῒ11.8 cm). (a) Observed interferogram of Pair1 (upper), Pair2 (mid) and Pair3 (bottom). Superposed
map is 1 : 25,000 scaled map of “Karakunidake” by Geographical Survey Institute. White circle shows thelocation of benchmark where the subsidence of 206 mm was detected by the leveling survey (Koyama et al.,1991). (b) Simulated interferograms. (c) Di#erence between observed and simulated interferograms.

3.

干渉 SAR により得られた霧島火山群周辺の地殻

1100, 748 日である῍ Pair1, 2, 3 において得られた霧島変動

火山群周辺の干渉 SAR 画像 ῐFig. 1(b) に Pair1 の干渉

本研究で用いた SAR デ῏タおよび干渉ペアを Fig. 2

SAR 画像を示すῑ においてῌ 新燃岳や御鉢を含む霧島火に示す῍ Pair1, 2, 3 のデ῏タ取得間隔はそれぞれ 1144ῌ

山群南域に注目するとῌ 明瞭な地殻変動はないように見510

小澤 拓῎宗包浩志῎矢来博司῎村上 亮

える῍ 新燃岳周辺における 1993 年 5 月までの光波測量説明するモデルでありῌ 火山噴火前後の地殻変動をよく結果 ῐ東京大学地震研究所ῌ 1993ῑ によるとῌ 1991 年 11

説明できることからῌ 多くの研究において用いられてい月に発生した新燃岳周辺の群発地震に伴った地殻変動はる῍ 本研究のようなῌ 長期的な地殻変動に対してどの程1991 年 12 月中頃には沈静化しῌ それ以降に明瞭な地殻度適用できるかどうかは議論の余地があるがῌ 本研究で変動は見られない῍ 本研究において得られた結果はῌは近似的に茂木モデルで説明できると仮定してῌ 茂木モ

1993 年 10 月から 1997 年 3 月の期間においても同様に

デルのインバ῏ジョン解析から圧力源の水平位置と深地殻変動がなかったことを示している῍ 一方ῌ 霧島火山

さῌ 圧力源直上における地表面変位量の推定を試みた῍

群北部に注目するとῌ 韓国岳北西部に位置する硫黄山山

得られた最適解からシミュレ῏トした干渉 SAR 画像

頂付近を中心としてῌ 直径 500 m 程度の範囲で同心円状

はῌ それぞれの観測値をよく説明しておりῌ この地殻変の干渉縞が見られた (Fig. 1(b), Fig. 3(a))῍ このような動が茂木モデルでよく近似できることを示している

局所的な干渉縞が大気中の水蒸気による擾乱に起因する(Fig. 3)῍ Pair3 の赤矢印で示す領域にῌ 茂木モデルで説場合にはῌ 画像内の他の地域においても同様の干渉縞パ明できない干渉縞パタ῏ンが見られるがῌ Pair3 のデ῏

タ῏ンが多く見られることが経験的に知られているがῌ

タ取得期間を含む Pair1, 2 においてῌ 同様の干渉縞パ本研究で得られた干渉 SAR 画像においてῌ このような

タ῏ンが見られないことからῌ 実際の地殻変動を示す干干渉縞パタ῏ンが見られるのは硫黄山においてのみであ

渉縞ではなくῌ 干渉性の劣化に起因するノイズと推測さる῍ またῌ 水蒸気分布はデ῏タ取得ごとに異なるのでῌれる῍ 得られた圧力源直上における上下変位量はῌ Pair

異なる日時に取得されたデ῏タから作成した干渉 SAR

1, 2, 3 においてῌ それぞれΐ14.5, ΐ11.1, ΐ9.3 cm で画像に水蒸気に起因する同じパタ῏ンの干渉縞が現れるあり (Table 1)ῌ これらから計算される平均の上下変位

可能性は極めて低い῍ しかしῌ 異なる日時に取得された

速度はΐ4.3 cm/yr である῍ Pair1, 2, 3 における平均速

デ῏タから作成された Pair1 と Pair2 において同様の干度から予測される変位とのずれはῌ それぞれ ῒ0.5 cm,

渉縞パタ῏ンが得られていることからῌ これは気象によΐ0.6 cm, ῒ0.2 cm でありῌ 比較的適用条件の良い場合

る水蒸気電波伝搬遅延に起因するものでなくῌ デ῏タ取における地殻変動検出精度である 2 cm ῐ例えばῌ Tobita

得期間に生じた地表面変位に起因するものと断定でき

et al., 1998ῑ よりはるかに小さい῍ よってῌ この地殻変動

る῍ この干渉縞はῌ 同心円の中心に向けて位相差が増加

は干渉 SAR で得られる精度内で一定の速度といえる῍

ῐ色が青῕赤῕黄῕青に変化ῑ しておりῌ これは同心円の一方ῌ 推定された力源の深さはῌ Pair1, 2, 3 において中心がデ῏タ取得期間に衛星から遠ざかる地殻変動が生それぞれ 240, 285, 280 m の位置に最適値が得られた

じたことを示している῍ Pair1 で得られた同心円の中心(Table 1)῍ 稠密 MT 測定から推定されている電気抵抗構における変位量は視線方向成分で 11.9 cm に相当する῍造 ῐ鍵山῎他ῌ 1994ῑ によるとῌ 硫黄山地下には帯水層

1968 年以降 1991 年までに実施された水準測量によると推測される低比抵抗層が広がっておりῌ 本研究で得らとῌ 硫黄山西山腹 ῐFig. 3(a) の白丸ῑ においてῌ 23 年間れた圧力源はこの帯水層に位置していると推測される῍に 206 mm の沈降が検出されている ῐ小山῎他ῌ 1991ῑ῍

このことからῌ この地殻変動を引き起こす要因としてῌ

これを Pair1 のデ῏タ取得間隔である 1144 日間の変位

硫黄山地下における水収支が負であるためῌ 地下水の体量に換算するとῌ 視線方向成分で約 2 cm であるがῌ 本研

積が減少したことに起因することが推測される῍ このよ

究で得られた同地点における変位量は数 mm である῍ さうな圧力源の場合ῌ 茂木モデルのような球状圧力源よりらにῌ 小山῎他 (1991) は水準測量により検出された沈もῌ 薄い円盤状の圧力源を仮定する方が適当な場合があ

降量と稠密 MT 測定による比抵抗との間に直線関係がるがῌ 本研究で得られた地殻変動は直径が 500 m ほどのあることを示しておりῌ この関係から推測される沈降の中心は本研究で得られた地殻変動域の中心よりも約 500
m 西側に位置している῍ 以上のような相違はῌ これらの地殻変動の観測時期が異なるためと推測される῍ 硫黄山
周辺にはいくつか地殻変動力源がありῌ それぞれが異なる時期に活動しているのかもしれない῍
4. 茂木モデルの適用

茂木モデル (Mogi, 1958) はῌ 地下の圧力源における膨張῎収縮に伴った地殻変動を単純な弾性論的変形のみでTable 1. Modeling parameters.

JERS-1 の干渉 SAR により検出された霧島火山群῎硫黄山周辺の局所的な地殻変動

小さいものでありῌ ポイントソ῏スとして茂木モデルを511

おける図の一部はῌ Generic Mapping Tools (Wessel and用いることによりῌ 十分に説明できると考えられる῍ 茂

Smith, 1998) を用いて作成した῍ 査読者である藤井直之

木モデルから計算される圧力源の体積変化量 dV はῌ

教授ῌ 鍵山恒臣助教授ῌ 編集委員である大倉敬宏助教授

dV῔(pUz 0d2)/(1ῒn)(2)

からいだたいた多くのご指摘やご助言はῌ 本稿を改善すで表される (Delaney and McTigue, 1994)῍ ここでῌ Uz0

るうえでたいへんに有益であった῍ 関係各位に感謝の意

は圧力源直上における地殻変動量ῌ d は圧力源の深さῌ nを表する῍はポアソン比である῍ Pair1, 2, 3 で得られた圧力源の深さῌ 圧力源直上における地殻変動量の平均値 ῐそれぞれῌ

引用文献

270 m, ῒ4.3 cm/yrῑ を用いῌ ポアソン比を 0.25 とする

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とῌ 圧力源における体積変化量はῒ1.3ΐ104 m3/yr と求まった῍ この体積変化がどのようなメカニズムによって生じているかはῌ 測地情報からだけではわからないがῌ
この程度の体積変化量であればῌ これが湧水や温泉水の汲み上げなどによる水の流出に起因する可能性が考えられる῍
5. まとめと今後の展望

本研究ではῌ 霧島火山群周辺に JERS-1 衛星の干渉
SAR を適用しῌ 硫黄山を中心とした直径 500 m 程度の範囲で沈降するセンスの地殻変動が検出された῍ 茂木モ
デルを仮定してインバ῏ジョン解析を行ったところῌ 力
源は稠密 MT 測定によって推定されている帯水層の深さに求まった῍ このことからῌ この地殻変動は地下の水の体積減少によるものと推測される῍ このような局所的な地殻変動が干渉 SAR により検出できたことはῌ 干渉
SAR による地殻変動検出感度が極めて高いことを示しておりῌ 火山周辺の地殻変動監視に対する有用性を示すものである῍ 植生の多い本研究地域においてῌ 良好な干渉結果が得られたのはῌ 植生に対して透過性の高い
L-band の SAR を用いたことによるところが大きい῍ しかしῌ 現在は L-band の SAR センサが搭載されている衛星はなくῌ 運用中の ERS-2ῌ ENVISATῌ RADARSAT-1
衛星はῌ すべて C-band の SAR を使用している῍ 2004 年に打ち上げ予定である ALOS 衛星は本研究で用いた
JERS-1 衛星と同じ L-band の SAR センサが搭載される予定でありῌ さらにῌ 設計段階から干渉 SAR 観測を行うことを考慮に入れて設計されているためῌ 高精度な干渉 SAR 観測が高頻度に実施できると期待される῍ 新しい L-band の SAR 衛星が火山活動メカニズムを解明す
る有用な情報をもたらすことが強く期待される῍謝辞本研究で用いた JERS-1 衛星の SAR デ῏タの所有権
は経済産業省および宇宙開発事業団 ῐ現宇宙航空研究開発機構ῑ にありῌ 財団法人リモ῏ト῎センシング技術セ
ンタ῏によって配布されたものである῍ またῌ 本論文に

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小澤 拓῎宗包浩志῎矢来博司῎村上 亮

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ῐ編集担当 大倉敬宏ῑ