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Institute for Geothermal Sciences
Graduate School of Science
Kyoto University20182022

地球熱学研究施設のめざすもの
地球は，内部の熱エネルギーを地殻変動，地震活動，火山活動，地熱温泉活動などの表層現象に変換する巨大な熱機関である．これまでは，これらの表層現象の時間スケールや発現様式の違い，あるいは実生活との関連を重視するあまり，それぞれを独立した現象として取り扱うことが一般的であった．しかし，地球の進化を，予言性をも含めて包括的に理解するためには，これまでの細分化された研究対象と研究手法を融合し，熱機関としての地球を総合的に研究することが必要不可欠である．
地球熱学研究施設では，地球上で最大規模の火山・地熱温泉活動域のひとつである中部九州地域を巨大な実験装置とみなして，野外観測・調査や物質科学的・理論的解析を行い，熱現象の総合解析を推進する．さらに，これらの結果を全地球的規模で展開する同様の研究結果と合わせて，地殻表層からマントル・核にいたる熱構造と熱現象の解析を進め，総合科学としての「地球熱学」の構築を目指している．

組織・研究領域 専門分野の異なる研究者が弾力的に協力できるよう，大部門制（地球熱学研究部門）を採っている．現在は，以下の５つの研究分野が置かれている．

地球熱学研究施設
地熱流体論研究分野

火山活動論研究分野
火山活動の観測手法および解析手法の向上を図りながら，火山活動と地殻変動，地震，地磁気などの観測量との相関を究明し，併せて火山噴火予知に関する基礎研究を推進する．

地熱温泉現象

物質循環
火山噴火
地下構造

地殻変動

火山構造論研究分野
阿蘇・九重・鶴見など中部九州地域の活火山を主対象に，それら火山体と周辺地熱域の力学的・熱的・水理的構造を究明す
るとともに，マグマの発生と挙動に関する研究を推進する．

地熱流体の深部かつ広域にわたる循
環，および地熱流体に含まれる各種化学物質の起源を究明するとともに，地熱流体を通してのエネルギーと物質の輸送過程に関する研究を推進する．

地熱テクトニクス研究分野
地震活動
マントルダイナミクス

火山・地熱温泉現象の発達過程とテクトニクスとの関連を解明するための研究，重力異常や重力偏差を用いた地下構造の研究，岩石物理学的視点からの地殻流体・熱水系の理解に向けた研究を推進する．

地球熱学情報研究分野（外国人客員）
世界各地における火山・地熱温泉活動および地球内部の熱的特性など地球熱学に関する情報を交換・蓄積するとともに，新手法の開拓を目指した国際共同研究をIGS推進する．
1987年，地球物理学研究施設（別府）に外国人客員部門として設置され，1997年の地球熱学研究施設への改組後も地球熱学情報研究分野として継続し，2021年12月現在国際的な地球熱学研究の発展に大きく貢献してきた．
2021年12月までに，地図に示す地域からのべ 37名の研究者を別府・阿蘇に迎え，現在も国際的研究の重要なパートナーとして共同研究を継続している．

出版物 Annual Report 「京都大学大学院理学研究科附属地球熱学研究施設活動報告」（1997～ ）ἢ㠉
1923年(T12)12月ࠉ኱ศ┴࠾ࡼࡧูᗓ⏫ࡢ᥼ຓ࡟ࡼࡾูᗓᮏ㤋ᘓ≀ࡀ❹ᕤ

1924年(T13)１月

1926年(T15)10月㛤ᡤᘧࢆᣲ⾜ྡ⛠ࡣᆅ⌫≀⌮Ꮫᩍᐊ㝃ᒓᆅ⌫≀⌮Ꮫ◊✲ᡤࣇࣛࣥࢫࡢ$OIUHG/$&52,;࠾ࡼࡧ࢔࣓ࣜ࢝ࡢ$/'$<ࡢ୧༤ኈࡀึ௦ᡤ㛗ᚿ⏣㡰༤ኈ࡟㜿⸽ⅆᒣ࡟◊✲ᡤࢆタ❧ࡍࡿࡼ࠺່ዡ

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1927年(S２)ࠉ
1928年(S３)

研究および業務の開始．地震計を設置
３月ⅆᒣ◊✲᪋タᮏ㤋᏶ᡂ࡜࡜ࡶ࡟◊✲ࢆ㛤ጞ㸬ᆅ㟈ィࢆタ⨨
11

1932年(S７)ࠉࠉࠉࠉ➨㸰ᅇᴟᖺ SRODU\HDU 㸬ⅆᒣ◊✲᪋タ࡟ᆅ☢Ẽほ ࡀ௜ຍ

1937年(S12)ᮏᏛᐁไࡢ୍㒊ᨵṇ࡟క࠸ᆅ⌫≀⌮Ꮫ◊✲ᡤ㸦ูᗓ㸧࡜ⅆᒣ◊✲᪋タ㸦㜿⸽㸧ࡀ⤫ྜ㸬ⅆᒣ Ἠ◊✲ᡤ࡜ᨵ⛠

1959年(S34)３月ᩥ㒊┬௧࡟ࡼࡾ୧◊✲ᡤࡀศ㞳㸪⌮Ꮫ㒊㝃ᒓᆅ⌫≀⌮Ꮫ◊✲᪋タ࡜ྠ㝃ᒓⅆᒣ◊✲᪋タࡀタ⨨ࡉࢀタഛ࡜ᐃဨࡀᣑ඘ࡉࢀࡓ

1987年(S62)４月ᆅ⌫≀⌮Ꮫ◊✲᪋タ㸦ูᗓ㸧࡟⇕Ỉ⎔ቃ㒊㛛࠾ࡼࡧᆅ⇕ᙧែ◊✲㒊㛛㸦እᅜேᐈဨ◊✲㒊㛛㸧ࡢ㸰㒊㛛㸦ᖺ᫬㝈㸧ࢆቑタ

1997年(H９)４月
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1998年(H10) ４月኱Ꮫ㝔⌮Ꮫ◊✲⛉㝃ᒓᆅ⌫⇕Ꮫ◊✲᪋タ࠾ࡼࡧྠ᪋タⅆᒣ◊✲ࢭࣥࢱ࣮࡜ࠉࠉࠉࠉࠉᨵ⛠ᵓᡂဨ
2022 年 4 月現在
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2022 年度

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3 准教授 ３，3 助教 2，
1 技術専門員２, 技術専門職員 1,教授 3，技術職員 1,ᢏ⾡⫋ဨ㻌䠎䠈◊✲ဨ㻨ᶵ㛵◊✲ဨ㻪㻌䠏䠈㠀ᖖ໅⫋ဨ㻌6
3 研究員 4, 非常勤職員 545୍ྕጤဨ㻌䠒䠈䚷䚷䚷㻌㻌㻌㻌஧ྕጤဨ㻌䠓䠈䚷䚷䚷㻌㻌㻌୕ྕጤဨ㻌䠍一号委員 6,二号委員 5,三号委員 1㻔ᑓ௵㻌ᩍᤵ䞉෸ᩍᤵ䠅㻌㻌㻌㻌㻔ᆅ⌫ᝨᫍ⛉Ꮫᑓᨷ㻌ᩍᤵ䠅㻌㻌㻌㻌㻌䠄๪◊✲⛉㛗䠅ᩍ⫱࣭ᆅᇦ♫఍㈉⊩ࠉᖹᡂᖺࡢᅜ❧኱Ꮫἲே໬ࡸᖹᡂᖺ࡟᥇ᢥࡉࢀࡓ⌮Ꮫ◊✲⛉ᆅ⌫ᝨᫍ⛉Ꮫᑓᨷୡ⣖&2(ࣉࣟࢢ࣒ࣛ࡞࡝ࢆዎᶵ࡟㸪ᆅ⌫⇕Ꮫ◊✲᪋タࡢᩍ⫱㈉⊩ࡢせồᗘࡀ㧗ࡲࡾ㸪⌧ᆅᩍ⫱ࢆ୰ᚰ࡟ᤣ࠼ࡓ㔝እᐇ⩦ࣉࣟࢢ
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研究の紹介

地熱流体論研究分野

沿岸域への地下水・ガスの流出- 生態系や環境への影響解明へ向けて -霧島火山・新燃岳
沿岸域は海洋の中で限られた海域であるが単位面積当たりの一次生産量は最大規模であり，地球上で生物活動の活発な場所のひとつとされている．その背景には海底湧水 (SGD) や CO2 シープが存在すると考えられており，その探査が世界各地で活発に行われている．
当研究室では，温泉科学の観点から同様な調査研究を行っており，地球内部起源のガスを含む CO2 シープ[ 大沢・三島，2017；右図の A] や，純粋な天水起源の海底湧水 [ 右図の B] を発見した．また，赤外サーモカ
メラを搭載したドローンを使った海底湧水の探索 [ 山田ほか，2016] をかわきりに，沿岸海底に流出する温泉水や火山ガスをえい航観測的な調査によって検出する方法の構築を行っている．

水位変化と地殻活動

地下水位は気圧，潮汐，地震などによって変化する．その変化を詳しく調べると，時空間的な地殻活動に関連した水理特性を理解することができる（例えば，Bredehoeft, 1966; Roeloﬀs, 1988）．地震後の水位変化は，主に地震によってもたらされた地殻歪によって引き起こされることが知られている．そこで，別府にある本施設内にある井戸で水位観測

熊本地震
M7.3

地下水位（m：標高）を行い，地殻活動との関係を研究している．

24

20
1月
2015

4月

7月

10月

1月
20164月

7月

10月

掘削深度が 300m の井戸における 2014 年 12 月から 2016 年 11 月までの地下水位の連続観測データ．2016
年 4 月 16 日に発生した熊本地震発生後、地下水位が上昇している。

地域貢献・地域密着型の温泉科学
当研究分野が長年かかげてきたテーマであり，地熱開発や温泉資源保護に関する種々の取り組みへの当分野の研究成

化学成分の濃度 (mg/L)

1000

01965

広く，その貢献度は500

また，最近は，別炭酸水素イオン(HCO3-)

府温泉地域を巨大な実験室にみたてて，

400
200

600

計り知れない．

800
600

果の利活用の範囲は温泉水が生物圏に与える影響に関する分

塩化物イオン (Cl-)
7585

年

95

2005

15

2006 年２月頃

別府温泉にある沸騰泉の化学成分のモニタリング

野横断的な調査研究を進めている．

SiO2(mg/L)

動力揚湯自噴

400

温泉水
河川水

300

2003 年
2005 年

川で 藻の河 た珪
府れ別 さ検出200

冷地下熱水 水とのを示 混合
す関係

冷川

100

( 通常の河川 )湧水

00.00001

0.0010.1

Li / Cl

別府の河川水中のシリカ (SiO2) が温泉排水に由来することを示す地球化学的証拠

その他，地熱流体にかぎらず地球固体圏に存在する様々な流体について，岩石学や地球内部電磁気学等と連携しながら研究を進め，ユニークな研究成果を公表している [ 例えば，Komori et al, 2013; Yoshida et al., 2015 ]．

研究の紹介地熱テクトニクス研究分野

地熱テクトニクス分野では，地形や地下構造など，広い意味での構造が，過去のどのようなプロセスによって形成されたかということ，すなわちテクトニクスを議論し，テクトニクスと地熱活動との関係を明らかにすることを目指している．
重力異常や重力偏差テンソルを用いた地下構造の推定や特徴的な構造の抽出，数値シミュレーションによる地下構造の復元をとおしてテクトニクスの再考や構築に取り組んでいる．
また，様々なスケールの断層（岩石亀裂）の岩石物理モデルを確立することにより，地殻流体の挙動の理解，ひいては熱水系の理解につなげる研究に取り組んでいる．
応力場の変化による岩石物性の変化が地熱活動に及ぼす影響等の理解は，当分野の重要な研究課題である．様々な時間・空間スケールでの応力場変化とそれに伴う地熱活動変化との関係を実験，観測，数値シミュレーション，理論的研究をとおして解明していきたいと考えている．

構造形状の推定[Degree]

地形や地下構造は形成時の応力場やプ

Kunisaki Pen.

ロセスを反映するため，これらの形状を知Beppu Bayることはテクトニクスを考える上で重要である．図1は，中部九州地域の重力異常かtoStudy Area

ら推定された大分‐熊本構造線等，断層や地層境界面の傾斜角分布である[cf. Kusu-

Shimabara Pen.

moto (2016), EPS]．大分‐熊本構造線はずれあるいは正断層タイプの構造線であcTeotommaua-K

Kumamoto Oit
M = 7.3

全体的に高角であると推定されており，横ine

LnicAso Calderaることが示唆される．形成時はせん断応力場あるいは伸張場であったと推察される．
0図 1: 構造境界の傾斜角分布図．重力異常から重力偏差テンソルを計算し，その最大固有ベクトルから傾斜を推定した．

20km

断層内の流体流動
地殻流体は地下の熱水系形成に重要な役割を担い，主に断層がその主要な流路となる．図2は，岩石亀裂をデジタル化し，応力状態の違いが岩石内部のミクロな流れとマクロな岩石物性値（比抵抗・弾性波速度）に与える影響を数値計算した結果である[cf.
Sawayama et al. (2021), RMRE]．様々な応力状態での流れ場と地上観測可能な物性値の関係を明らかにすることで，地下の流体流動挙動モニタリングに地球物理学的観測が役立てられるようになると期待される．

0Y Axis400300200100500600700400300 X Axis
2000100Z Axis
50100Z Axis

300X Axis

2001000 0-810100200300

400
Y Axis500

600

10-14100SmoothRough1020Eﬀective normal stress (MPa)0300
X Axis200
100306200

300

400
Y Axis500

600

210Smooth
Rough01020Eﬀective normal stress (MPa)400

300 X Axis
200

100

0150
100
Z Axis

500400300
2000 010σeﬀ = 8.540 MPa

700

50100

4600

100
Z AxisX Axis

(e)

500

150

700

100Y Axis
400
300

200

1000100

100
Z Axis0 0(c)

300 X Axis
200

50100

-1240015010(b)(c)σeﬀ = 4.048 MPa

400

Resistivity (Ω m)(a)7000700-1060050(d)

10500

100
Z Axis

50400

Y Axis40030020015015001000100150

Permeability (m2)(b)

σeﬀ = 2.072 MPa

Elastic wave velocity (km/s)

(a)

30

6100300200400
Y Axis500600700

01Normalized ﬂow velocity [-](f)

54P-wave

SmoothRough

S-waveSmoothRough3201020Eﬀective normal stress (MPa)

図 2: 応力状態の違いによる断層内の流体流動の変化 (a,b,c) と浸透率 (d)・比抵抗 (e)・弾性波速度 (f) の変化．
カラーコンターは最大流速で規格化した流れ場を示し，岩石亀裂の表面形状の上にイメージングしている .

30

研究の紹介火山活動論分野

火口湖からの放熱率推定
阿蘇火山の噴火活動は20年ほどの周期で繰り返され、活動静穏期は中岳第一火口内に湯だまりが形成される。60〜70℃の強酸性のお湯が火口底全域を覆うその姿は、多くの観光客を惹きつける。
これまでの観測研究により、 700

動静穏期から活動期・噴火期への移行時期には第一火口全体の熱活動が活発化し、湯だまりが消失する。熱活動の全容を明らかにするためには、湯だまりだけでなく、火口底からの噴気活動や、火口内壁に分布する地表熱異常域についての観測も欠かせない。近年では、ドローンを使用してこれらの熱活動を追跡することができるよう

250

500

150100200

熱異常域00磁化強度(emu/g)

10020010-50N4C3C

C1W1200

300

400

温度（°C)

5006001989年11月に噴出した火山岩の磁化-温度特性

4005000600

火口中央から噴煙が立ち上る（2020年6月）

地磁気変化を用いた
火口直下の温度モニタリング

S

100300Easting (m)

中岳第一火口の地表温度分布図（2022年3月）

一般に火山岩は強い磁化を持つため，火山周辺には磁気異

10-3

10-4

50

100

A=black essential porous lava
B=slightly porous essential bomb
C=oxidized accessory bomb
S=very fresh scoria

AB

10-2

干上がった火口底（2021年6月）

300になり、熱活動度の定量化が大きく進んだ。
10-1200

湯だまり

400

T（℃）

から噴出する熱水によることがわかっている。活600

Northing(m)

湯だまりが維持される原因の大部分は火口底下300

常が形成されている．
また岩石磁化は温度依存性を持ち，温S0

第一火口周辺の全磁力連続観測点分布度が高くなると磁化が弱まる性質を持つ事から，地下で温度変化が生じた場合，周辺の岩石の磁化強度が変化し磁気異常分布に変化が生じる．
こうした事から，火口周辺で地磁気を観測しその時間変化を捉える事で，地下の温度状態の推移を推火口北側（C3）の磁場変化定する事が出来る．当施設では火口周辺にプロトン磁力計を10nT用いた観測点アレイを展開し地磁気全磁力の連続観測を行っている．
この観測の結果，火口周辺の全磁力値は，中岳の火山活動に応じた時間変化をしている事が明らかになった．そ火口南側（W1）の磁場変化の解析から，磁場変化源が第一火口やや西寄りの地下200〜300mに求まり，この位置に温度変化域の重心が位置する事火口北側(C3)と南側(W1)の磁場変化．北側での磁場増加・南側での磁場減少は地下の温度が上昇した事を示す．

が明らかになった．

長周期微動から推察される阿蘇火山の内部構造
水準路線 地殻変動観測(水準測量)の結果

AVL1（火山研）に対する坊中線の変動(1963〜）ばれる特徴的な微動が常時発生しており，そのメカニズムを解明するため，当施設では1997年に広帯域地震計を用いた高密度観測ネットワークを構築した．この観測網で得られたデータから，

Amplitude (arbitrary units)

阿蘇火山では長周期微動（LPTs, Long-Period Tremors）と呼15秒 7.5秒

2002年11月

2003年7月

2004年4月

0.01

LPTsの振動源は地下の亀裂である事が明らかになった．
この亀

0.1

1
Frequency (Hz)

裂は火口列のやや西寄り，深さ1.5kmから僅かに傾いて深部に達Craters(Fumaroles)

1kmすると推察されている．当施設で継続されてきた地殻変動，地震0km

観測の結果，草千里ヶ浜火口の直下数kmにマグマだまりがある

Crack-like conduit
Cylindrical deformation
2Hz short-period tremor-1kmと推察されており，長周期微動はこのマグマだまりから放出される

-2km
-3km

火山性流体がこの亀裂を通り地表に達する際の共鳴現象によりSeismic reflectors& Rflector void

Fluid motion due tocrack resonance
Crack resonance-- Long-period tremor-4km

発生すると考えられている[Yamamoto et al., 1999]．さらに最近の研究から，
この長周期微動の振動周期は火山性流体の温度や成分の変化に伴って変化している事が明らかになった．

10

長周期微動のスペクトル．観測時期により卓越周波数が変化している．

阿蘇火山における水準測量(2012年9月)

Magma chamber(Low velocity zone)

長周期微動発生モデル
Yamamoto et al.(2000)[Yamamoto et al.,2000]

研究の紹介

火山構造論分野

中岳火口直下の電気比抵抗分布
地下媒質の電気抵抗（比抵抗）は地下水の分布や、地下の温度状態に対して感度を持つ．
また、その時間的な変化を捉えることで、火山活動の推移に伴った地下の熱的状態変化を知ることが出来る．
こうした比抵抗の時間的変化を捉える為に、我々は阿蘇中岳火口周辺で人口電流源を用いた電磁探査(ACTIVE)を繰り返し行ってきた．
これは大地に矩形電流を人工的に送信し、その過渡応答で生じる磁場を測定する観測方法で、アレイ観測に2014年8月より地下比抵抗の3次元構造を得ることが出来2015年8月

2014年8月から2015年8月までの比抵抗変化

る．2014年11月に始まる噴火に際しては、噴火前の2014年8月と、ストロンボリ式噴火を経た2015年8月の期間で有意な比抵抗変化を検出した．
この期間の比抵抗変化から、火口直下の溶存成分を多く含む帯水層が高抵抗化したことが明らかになり、その原因として、マグマの上昇により地下水の水頭面低下やガスの混入が起こったことが示唆される．

阿蘇カルデラの地殻深部構造
130.9

131.0

131.1

33.0

131.2

130.9

131.0

131.1

P波が地震波伝播速度の異なる媒質の境界を通過すると131.2

そこでS波が発生する．
レシーバ関数を用いると，遠地地震波

TNO

形からそのようなS波を検出することができ，境界の位置およASVH
MAKKUR KBM KGA

32.9

びS波速度のコントラストを推定することができる．マグマやIZM

AVL

水などの流体を含む領域は周囲より地震波の伝播速度が遅NMT

32.80km

観測点配置

10km

km01010のため，その境界面の深さ・位置を推定することで，流体の含深さ10km20まれる領域を特定することができる．我々は阿蘇カルデラに

Depth(km)
033.0
32.9

32.8

32.7

00km

km
01010

深さ18km20おいて稠密な地震観測を行ない，得られた遠地地震波形からレシーバ関数を作成し，遺伝的アルゴリズムインバージョ

10ンを用いて地殻のS波速度構造を推定した．その結果S波速20度が2.4km/s程度の低速度層がカルデラ西部・北東部の深さ304.015-23kmの領域，および中央火口丘東部の深さ8-15kmの403.0領域に存在することがわかった．
この低速度層は最大で15%2.0のマグマか30%の水を含むと考えられ，珪長質マグマを生成1.0する部分溶融領域に対応する可能性がある．

北緯32.9度

50

地球熱学施設所有の観測点

S波速度 (km/s)

32.7

く，その領域の境界に地震波速度のコントラストが生じる．そ

HKSH

地球熱学施設では，阿蘇火山・阿蘇カルデラのほかにも，九重火地球熱学研究施設■●

山や別府市周辺の火山など九州の火山周辺に観測点を設置し，火■●山の地下構造推定や噴火メカニズ
ム解明を目的とした観測・研究を

山上広場

九重連山

中岳第一火口◎行っている．
このほかにも，他の研究機関との共同研究やデータ共有

砂千里などを通して，国内外の火山においても観測・研究活動を実施・展開している．

観測室
地震計
GPS
磁力計
歪・傾斜計

阿蘇中岳
火山研究センター

観測室
地震計
GPS

地球熱学施設所有の常設・臨時観測点分布
左：中部九州をカバーする観測点網
右：阿蘇中岳火口周辺の観測点(本図の作成にあたり google earth を使用）᪋タ୍ぴ
京都大学大学院理学研究科
附属地球熱学研究施設本部
ࠛ874-0903
大分県別府市野口原３０８８3088
tel : 0977-22-0713
fax: 0977-22-0965
URL: http://www.vgs.kyoto-u.ac.jp/
登録有形文化財(建造物)1997ᆅ⌫≀⌮Ꮫ◊✲ᡤ㸦ูᗓ㸧ࡢ㛤ᡤᘧ㸦኱ṇᖺ᭶᪥㸧㠃✚P
面積 21,410m 2 

京都大学大学院理学研究科
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火山研究センター
ࠛ869-1404

熊本県阿蘇郡南阿蘇村河陽５２８０5280
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登録有形文化財(建造物)2012㠃✚P
面積 335,730m2 㛤ᡤᙜ᫬ࡢⅆᒣ◊✲ࢭࣥࢱ࣮

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N
050km

ユーラシ
アプレー
ト火山前線(第京都分室四紀)

本部（別府）★

★

中央構造火山◊究センター
（阿蘇）

160

12
沈み 0 80
込む 65の等 プレー 40km
深度
ト線

40線

3060

★ 6050

4030
30

2030

5040

フ
ォ
ッサ
マグ
ナ

2010k
m

20km

南海トラフ
（50mm/yr）フィリピ
ン海プレート

編集担当：：大沢信二
宇津木充
編集担当
大沢信二