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日本惑星科学会誌 Vol. 21, No. 3, 2012

特集「無人観測ロボット その2」

伊豆大島火山のマグマ供給システムと噴火予測
渡辺 秀文

1

（要旨）最初に，伊豆大島火山 1986 年噴火前後の観測データを総合して得られた，噴火の中長期的前兆過程の概念モデルとその実証結果を紹介する．次に，1989 年後半以降再開した深部からのマグマ供給による山体膨張変動の特徴，およびそれと大島直下の上部マントルで発生する深部低周波地震活動との関連についての新しい知見，それらから得られる山体変動メカニズムの仮説を紹介する．最後に，噴火準備過程とその進行状況の指標が得られる可能性を述べ，仮説を実証するための今後の課題をあげる．

合には，ある程度の予測をすることができるようにな

1. はじめに：噴火予知研究の現状と課題った．例えば，ハワイのキラウエア火山や鹿児島県の桜島火山では，噴火の予報が可能な段階になっている．

火山噴火を予知するためには，以下の 5 要素
（噴火噴火の数時間前には山体がごくわずか膨らみ，小さなの時期，場所，規模，様式，推移）を予測する必要が地震も起こるので，こういう噴火の兆候が捕捉されるある．もし，これらの全てに答えることを予知というと，これから数時間以内に噴火が起るだろうという予ならば，噴火予知はまだ当分は不可能であろう．その報が可能である．このように，噴火がもうすぐ起こる

理由は，マグマそのものや火山噴火に至るメカニズムかどうかを予知することを短期的予知という．その火をまだ完全には理解できていないためである．表 1 に，山で同じ様式の噴火が繰り返し起こっている場合には，火山噴火予知研究の現状と関連する課題を模式的に示噴火に伴って発生する異常現象を数多く観測して経験す．

をつめば，短期予知はかなりの程度実用的になる．数

これまで火山噴火予知の研究では，噴火の前兆現象

百年あるいは数千年に１回噴火するような火山では，を捉えることに多くの努力を払ってきた．その結果現このような経験を積むことはできないが，そのような在では，常時観測を続けている火山で噴火が起こる場

火山でも観測体制がある程度整っていれば，噴火前に何らかの異常現象が捉えられるので，噴火が起こりそうだと予測することが可能な場合がある．例えば，雲表1：火山噴火予知研究の現状と課題．
活動プロセス

長期中期

短期推移

今後の課題

仙普賢岳が 1990 年 11 月 17 日に 198 年ぶりに噴火を始

マグマ供給系△○○△

構造探査・

めた際には，火山研究者達はその数ヵ月前から噴火の供給様式

△○

○

△

集中観測

可能性を認識し，１ヵ月前には確実に噴火するだろう

噴火準備過程△○◎̶

観測解析技術開発
物理化学モデルマグマの移動Ñ̶◎○

３次元構造・応力場>10年~10年<1年△ 研究例少ない ○ 統合観測による事例研究進展中 ◎ 常時観測により可能

1. 東京大学名誉教授
watanabe@eri.u-tokyo.ac.jpと予測して，様々な観測の準備をしていた．
しかし，今は静かな火山が 10 年後に噴火するか，あるいは 10 年間は噴火しないかどうかという，中長期的な予知については非常に困難である．噴火に前兆現象があるとしても，その前兆がいつ発生するのか予想できないからである．中長期予測の方法としては，各火山の過去の噴火の記録を解き明かして，何年毎に1■2012遊星人Vol21-3.indd

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噴火する特徴があるかなどを調べることが考えられる（噴火履歴の解明）．さらに根本的には，噴火に至る仕組みを理解し，観測によってそれらを把握することが必要である（噴火準備過程の把握）．

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2. 伊豆大島火山の噴火履歴と噴火シナリオ
伊豆大島火山の基盤をなす 3 個の火山は，10 万年前噴火の様式（爆発的噴火，溶岩噴泉，水蒸気爆発なよりも古い時代に活動したものと推定されている．現ど）についての予知もかなりやっかいである．ひとつ

在の伊豆大島火山は数万年前から活動を開始し，スコの火山でもいろいろなタイプの噴火をすることがある

リア（黒灰色の多孔質噴出物），溶岩流，火山灰放出とので，将来起こる噴火がどのような様式のものかを正いうパターンを繰り返して山体を形成した．約 1700

確に予測することは大変困難である．それでも過去の年前の大噴火に伴い山頂カルデラが形成された．噴火

噴火の様式を詳しく調べれば，その火山でどのような堆積物の地質学的調査によってその後の詳細な噴火履タイプの噴火が多いのかはわかるし，その場合に災害歴が明らかにされ，数億トン以上を噴出する大規模噴を減らすためにはどのような準備をしておけばよいか

火が 150 〜 200 年間隔で繰り返し発生したことがわかも予測することができる．っている．最後の大規模噴火が安永噴火（1777 － 92

もうひとつやっかいな問題は，噴火が始まった後で年）である．安永噴火以降は中規模以下の噴火のみで，今後どうなるだろうかという見通しに関する予知であ

最近では数千万トンを噴出する中規模噴火が 30 － 40

る．残念ながら，現在のところこの予知はほとんど不年間隔で繰り返し発生している．1986 年噴火が最新可能である．その理由は，噴火を引き起こすマグマがの中規模噴火である．

地下にどのくらい蓄えられているのかがよく分からないからであり，たとえそれが分かったとしても，その内どれだけが噴出してしまえば噴火が終わるのかなど

3. 伊豆大島火山1986年噴火の前兆過程と概念モデルが分からないからである．これらの問題に答えるため

1986 年噴火では，噴火前後の観測により様々な前には，地下に蓄えられたマグマの量を知るとともに，兆現象が観測され，マグマ供給システムについて重要

噴火が起こるメカニズムについてより具体的に理解をな情報が得られた．以下に，噴火の 10 年以上前から深める必要がある．

観測された前兆過程の特徴とそれを説明するモデルを

火山活動の仕組みについてもっと理解を深め，活動紹介する．

予測をより確実なものとするために，最近いくつかの噴火開始前には，多くの場合，火山体の隆起・膨張新しい試みがなされている．ひとつは火山体の地下構や地震活動の高まりが観測される．しかし伊豆大島火造を詳しく調べることによって，マグマ溜まりの位置，山 1986 年噴火では，噴火の数年前から噴火開始直前

形，大きさやマグマの上昇経路となる火道，さまざまに至るまで，山頂カルデラ内では隆起・膨張が観測さな異常現象発生の鍵となる地下水の分布などを明らかれず，地震活動の高まりもみられなかった．図１に，にしようとする試みである．マグマはどこにあるの光波測距による山頂カルデラと北山腹を横断する基線か？噴火の前にはどのように上昇してくるのか？その長の変化とカルデラ内の年間地震発生回数の推移を示

時噴火の前兆現象はどこでどのように発生するのか？

す．1970 年代から 1980 年頃にかけては，経年的な基これらが分かれば，噴火前の短期的な異常現象が観測

線長の伸びと地震活動の高まりが認められるが，噴火された際に，その意味を的確に解釈することができる

開始前の数年間は特に顕著な異常変化は認められない．

であろう．もうひとつは，中長期的予測をめざして噴一方山頂火口周辺では，1980 年頃以降，地磁気全力火の準備過程，すなわち噴火と噴火の間に地下のマグや見かけ比抵抗の経年的な減少が観測され，特に噴火マ溜りでは何が進行しているのかを明らかにしようとの 3ヶ月前からは減少速度が加速した [1]．これらは，する試みである．本論文では，これらの問題に関して明らかに火口地下の温度上昇を示すもので，噴火の短伊豆大島火山において実施されてきた研究の成果をレ期的な前兆現象であった．1986 年 10 月に開催されたビューする．

火山噴火予知連絡会では，これらの一見矛盾する異常現象の解釈に苦慮したが，地殻変動観測で山頂部の隆■2012遊星人Vol21-3.indd

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山体変動：EDMV●地震活動

図1： 伊豆大島火山1986年噴火前のカルデラおよび北山腹を横断する基線長の変化と地震活動．
記号Vは気象庁体積歪計の設置場所．

1

図2： 伊豆大島火山1986年噴火前兆過程の模式図．

図3：
伊豆大島火山1986年噴火のマグマ供給系概念モデル．
2

3

起・膨張が認められないことを重視し，本格的な噴火統一的に説明できることに気づいた [2]．1986 年噴火はしばらく後であろうと判断された．しかし実際には，の前兆過程の模式図を図 2 に，それを統一的に説明す

その約 1ヶ月後に山頂噴火が始まった．このことは，る概念モデルを図 3 に示す．深部からマグマ溜りへの当時の噴火予知計画関係者には痛恨事であり，筆者に準定常的なマグマ供給により山体膨張が継続していた

とってもその後の観測研究の強い動機となった．

が，1980 年頃にマグマ溜りから火口へ向けて火山ガ

筆者は噴火後，噴火前の地震，地殻変動，電磁気観スやマグマが上昇開始するとともに，山体膨張が鈍化

測データを総合的に検討し，一見矛盾する前兆現象がし，火口地下浅部の温度上昇により地磁気や比抵抗の■2012遊星人Vol21-3.indd

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図4： 1986年噴火後のカルデラおよび北山腹を横断する基線長の変化．

異常変化が始まったというわけである．このモデルの

4
直下では海面下約 2 km と浅くなっているのが注目さ

基本的な仮定は，「噴火準備期における深部からの準れる．点線より深い領域では殆ど地震が発生していな定常的なマグマ供給・蓄積による山体膨張の継続」でい（earthquake-free zone）．また，国土地理院が噴火あるが，噴火後も繰り返した光波測距およびその後の後に実施した三角点の GPS 測量により，大島がカルGPS 観測によって実証された（図 4）[2, 3]．伊豆大島火デラ北部を中心として放射状に膨張していることが分山の山体膨張は 1989 年後半に再開し，表面現象は静穏であるが現在も継続している．

4. �グ���システムに関する課題と観測成果
伊豆大島火山の中長期的な噴火予測のためには，マグマ供給システムと噴火準備の物理化学過程を解明する必要がある．具体的な課題としては，マグマ供給系の３次元構造の解明，深部からのマグマ供給・蓄積過程の把握，噴火に至る過程の理解（特に，マグマ溜り内の揮発成分濃度や気泡存在度の変化，噴火へ向けてのマグマ再上昇開始の条件など）があげられる．これ
らの課題を解決するために，噴火後にも様々な観測研究が実施され，いくつかの重要な成果が得られている．
以下に，それらを紹介する．
1986 年噴火後に整備された稠密地震観測網によって，大島周辺で発生する地震の精密な震源決定ができるようになった．1997 － 98 年に大島周辺で発生した地震の震源分布を図 5 に示す．震源の深さの下限が，大島沿岸から海域では 5 km より深いが，大島中央部■2012遊星人Vol21-3.indd

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図5： 伊豆大島周辺で1997-98年に発生した地震の震源分布と山体膨張変動源の推定領域（P）．

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Izu-OshimaCaldera

図6： 伊豆大島火山における三角点の水平変位ベクトル（1988-94年）．国土地理院GPS繰り返し測量による（[4]より転載）．

図7： 散乱波トモグラフィーによって捉えられた伊豆大島地下の（青色）と震源分布（赤色）の山頂カルデラを通る 7
6 散乱体分布
東西断面図（[5]より転載）．

かった（図 6）[4]．膨張変動源の深さは約 5 〜 9 km と推な GPS 連続観測網が展開されている．国土地理院に定され，図 5 の下部断面図に記号 P で示してある．さよる大島を南北，東西に横断する基線長の経年変化をらに，稠密地震観測網を用いて，大島周辺数百 km の図 8 に示す．経年的な山体膨張が継続しているが，そ範囲で発生する近地地震からの入射 P 波の散乱波形をの速度には鈍化傾向が認められる．また重畳して，収観測し，散乱波トモグラフィーによって大島地下の散縮・膨張の揺らぎが繰り返し発生している．このよう乱体分布がイメージングされた（図 7）．深さ 9 km 付

な山体膨張の特徴は，伊豆大島北西山腹に設置されて近の強い散乱体はメルトでないと説明できず，マグマいる，より高感度な体積歪計の観測データにさらに明溜りと解釈された [5]．これら独立な三つの観測成果瞭に認められる（図 9）．図 9 の上部は，トレンド補正を総合すると，伊豆大島火山の主マグマ溜りは大島中後の歪変化と指数減衰曲線で近似した長期トレンド除

央部の地下 9 km 付近にあり，その周囲には，高温の去後の残差変動，下部はカルデラ内で発生する地震のために変形するが地震は発生しない，延性領域が存在月間回数である．経年的な膨張変動は 2006 年まではするものと推定される．

指数減衰曲線で非常に良く近似できるが，2007 年以降，残された重要課題は，マグマ溜り内でどのような物

経年的な膨張速度が指数減衰トレンドから外れて大き理化学的変化が進行し噴火に至るのかという噴火準備くなっていることが分かる．殆どの残差変動イベント

過程の理解と，それを如何にして観測により捉えるかは収縮から始まり膨張に転じており，膨張加速期間にという問題である．

カルデラ内の地震発生回数が増大していることが注目

5. 最近の山体変動の特徴と噴火準備過程の探求される．また，残差変動の振幅と継続時間は 1999 年頃以降増大しており，最後の 2010 年のイベントでは振幅が約 2 μ strain となっている（図 10）．このような最近の山体変動の特徴，および山体変動と大島直下

歪の収縮－膨張変動は 1986 年噴火前にも観測されての上部マントルで発生する深部低周波地震活動との時おり，振幅は最大で約 5 μ strain であった．これらの間的な相互関連から，噴火準備過程の解明にとって重膨張変動の特徴から，以下に述べるように，噴火準備要な情報が得られている．以下に概要を紹介する．

過程について重要な示唆を得ることができる．

伊豆大島においては，1996 年頃から国土地理院に殆どの残差変動イベントが収縮から始まり膨張に転より GPS 連続観測が開始され，その後，東京大学地じることは，変動メカニズムについての重要な制約で震研究所，防災科学技術研究所，気象庁によって稠密ある．収縮の原因としては，深部から上昇蓄積したマ■2012遊星人Vol21-3.indd

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図8： 図左は，伊豆大島における稠密GPS観測網．図右は，国土地理院による山体を横断する基線長の経年変化（図右上：山体8を南北に横断する基線長変化，図右下：山体を東西に横断する基線長変化，曲線は指数減衰曲線による近似，右上と右下の図の下部は観測値から近似曲線を差し引いた残差）．

図9： 図上は，伊豆大島北西山腹の気象庁高感度体積歪計（図1の記号V）によって捉えられた，歪の経年変化と指数減衰曲線で近9似した長期トレンドを差し引いた残差変動．図下は，カルデラ内で発生する地震の月間回数．

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Out gas（CO2など ）浅部マグマ溜り

減圧増圧

深部マグマ溜り（山体収縮期）図10：歪収縮－膨張変動イベントの振幅と継続時間の推移．
（山体膨張期）


図11：山体収縮－膨張変動サイクル発生メカニズムの概念
モデル．

図13：深部低周波地震，山体周辺およびカルデラ内で発生する

地震の積算回数．



図12：伊豆大島南東直下の上部マントルに発生する深部低周波地震の震源分布（2001-11年，気象庁一元化震源による）．

グマの後退とマグマ溜りからのガス流出による減圧が考えられるが，収縮 – 膨張サイクルの規則性を考えると前者は考え難い．収縮 – 膨張サイクルを説明する概念モデルを図 11 に示す：（1）浅部マグマ溜り上部に濃縮した CO2 に富む気泡が間欠的に外部へ流出すること

図14：体積歪変化と深部低周波地震積算回数の関係．
により減圧し，（2）その結果生じる深部マグマ溜りとの圧力差の変化により，深部から浅部へ向けて揮発性観測されている収縮 – 膨張変動の振幅増大は，浅部マ分に富むマグマの上昇が起こり，（3）浅部マグマ溜りグマ溜り上部の気泡に富んだ領域の体積増加を示唆し，へ上昇したマグマの発泡により浅部マグマ溜りの増圧噴火準備過程の進行を示す重要な指標となる可能性がが起こる．このモデルが正しければ，1999 年以降にある．例えば，図 10 の収縮 – 膨張変動振幅の増加傾向■2012遊星人Vol21-3.indd

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205をそのまま外挿すると，1986 年噴火前の最大振幅約 5μ strain に達するのは約 10 年後となる．

謝 辞

経年的な膨張速度が 2007 年以降それまでの指数減衰的なトレンドから外れて大きくなっていることにつ

国土地理院からは GPS 測位データ，気象庁からはいても，大島直下深さ 30～40 km の上部マントルに発体積歪変化データおよび深部低周波地震の一元化震源

生する深部低周波地震活動から新たな知見が得られてデータを提供していただきました．伊豆大島無人観測

いる．気象庁一元化処理による 2001 － 2011 年の期間

ロボットシンポジウムにおける講演および遊星人へのの深部低周波地震の震源分布を図 12 に，深部低周波投稿の機会をいただいた主催者代表・佐伯和人先生に地震と山体周辺およびカルデラ内で発生する地震の積感謝致します．

算回数を図 13 に示す．図 13 から，深部低周波地震の発生回数が 2007 年以降増大していること，それに約参考文献

1.5ヶ月遅れて山体周辺の地震回数が増加していることが分かる．また，2010 年の膨張イベントに際しても同様な時間的な関連が認められる．従って，2007[1] Yukutake, T. et al., 1990, J. Geomag. Geoelectr. 42,151, 277.

年以降の山体膨張速度の増大は，上部マントルからの[2] 渡辺秀文，1998，火山 43，271．

マグマ供給率の増大によるものと考えられる．さらに，[3] 渡辺秀文，1995，科学 65，631．

体積歪変化と深部低周波地震の積算発生回数の関係を[4] 国土地理院，1996，火山噴火予知連絡会報 65，

調べると，2007 年および 2010 年の両イベントとも，山体収縮が先行し，その後の反転膨張と深部低周波地震の発生回数増加がほぼ同期していることが分かった

38．
[5] Mikada, et al., 1997, Phys. Earth Planet. Inter. 104,257.

（図 14）．このことは，図 11 に示した収縮 – 膨張サイクルの概念モデルを支持する重要な観測事実である．

6. 今後の課題
本論文では，1986 年噴火前後の観測データを総合して得られた伊豆大島火山のマグマ供給システムに関する概念モデル，およびその実証結果を紹介した．また，最近の山体変動の特徴および山体変動と大島直下の深部低周波地震活動との関連にもとづき，山体収縮－膨張変動の概念モデルを提案した．特に，浅部マグマ溜りからのガス流出が山体収縮 – 膨張サイクルをトリガーするという仮説は，収縮 – 膨張変動の振幅変化から噴火準備過程の進行状況を推定する指標を得られることになるので，重要な実証課題である．そのためには，山体変動と火口周辺での CO2 ガス放出量変化との関連を調べる必要がある．筆者は 2005 年以来，山頂火口近傍で地中 CO2 ガス濃度の連続観測を継続しているが，山体膨張の加速に引き続いて地中 CO2 濃度が上昇することを確認している．今後も観測を継続し，山体収縮期にも CO2 濃度の上昇が見られるかどうかを確認する予定である．

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