2003 年草津白根火山人工地震探査概要
筒井智樹 1・鬼澤真也 2・森 健彦 3・野上健治 2・
平林順一 2・小川康雄 2・水橋正英 2・及川光弘 2・齋藤政城 2・
若林 亨 2・高木憲朗 2・鈴木敦生 4・草薙智浩 1・梶井達矢 1・田中麻貴・及川 純５・中道治久 6・
山下祐一郎 7・吉川 慎 3・松島 健 8・河野裕希 8・
堀 美緒 8
１:秋田大学2：東京工業大学
3：京都大学
4：北海道大学
5：東京大学
6：防災科学技術研究所
7：愛知教育大学
8：九州大学

Seismic exploration 2003 in Kusatsu-Shirane Volcano
T. Tsutsui1, S. Onizawa2, T. Mori3, K. Nogami2,
J. Hirabayashi2, Y. Ogawa2, S. Mizuhashi2, M.Oikawa2,
M. Saito2, N. Takagi2, T. Wakabayashi2, A. Suzuki4,
T. Kusanagi1, T. Kajii1, M. Tanaka T., H. Nakamichi6, J. Oikawa5,
Y. Yamashita7, S. Yoshikawa3, T. Matsushima8, Y. Kohno8,and M. Hori8.
1: Akita University
2: Tokyo Institute of Technology
3: Kyoto University
4: Hokkaido University
5: University of Tokyo
6: National Institiute of Earth Science and Disaster prevention
7: Aichi University of Education
8: Kyushu University
１．はじめに群馬県北西端に位置する草津白根火山は 1805 年の噴火活動が記録に残されて以来、たびたび噴火活動が報告されてきた活動レベルの高い活火山である（たとえば気象庁, 1984）。最近では
1982-83 年に水蒸気爆発を発生したほか、1989 年にも微噴火を発生している（井田・他, 1989, 平

林, 1996）。このようにいまなお活発な活動が続いている草津白根火山は首都圏から数時間のところにありその立地を生かして観光開発が進められた結果、山頂部へのアクセスがもっとも容易な活火山のひとつでもある。アクセスが容易であるが故にもっとも噴火被害の危険性が高い湯釜火口の際にまで無防備な旅行者の入り込みが可能となり、草津白根火山は他の活火山に比べて火山活動を対象とした防災対策を充実させることが強く要請されている。火山活動を対象とした防災対策の充実のためには火山活動状況の把握と湯釜火口の地下活動のメカニズムを知ることが重要な課題である。
草津白根火山では火山活動状況の把握と湯釜火口の地下活動の解明を目的として、これまでに３回の集中総合観測が行われてきた。これらの集中総合観測などの結果から、湯釜を中心とする山頂火口群の一つである水釜付近の地下で熱水活動が行われていることが示唆された（井田・他,1989, 桂・他, 1996, 手塚・他, 1996）。
熱水活動を含む活火山の地下活動の状況を監視する際のバロメーターのひとつとして、火山性地震あるいは火山性微動の発生頻度が用いられる。草津白根火山ではこれらの火山地震学的現象を監視することを目的として東京大学地震研究所による常設地震観測網が稼働していたが、2000年以降東京工業大学の手によって高密度地震観測ネットワークが整備され火山性地震の検知能力が向上した（森・他, 2001）。さらに詳細な地下活動の把握を行うためには、火山性地震の震源決定精度を改良する必要があり、震源決定の際の基礎的な物理量である地震波速度構造の精度向上の要請が高まっていた。
このような背景をふまえ、2003 年に行われた草津白根火山集中総合観測では地下活動に対する地震学的アプローチを推進させるべく、人工地震探査が一つの項目として加えられた。今回の人工地震探査のねらいを以下に述べる。
１）草津白根火山山体の地震波速度構造を実証的にとらえる
２）湯釜火口とその周辺の詳細な地下構造イメージを得る
本稿ではこの人工地震探査観測の詳細について述べる。なお、目的 1)については鬼澤・他（本報告書）に、目的 2)については筒井・他（本報告書）に述べられている。

２．人工地震観測の概要本項目は 2003 年 9 月 25 日～10 月 1 日の期間に実施された。人工地震の震源には合計 40kg のダイナマイト発破を用い、山頂部に２ヶ所および山麓に１ヶ所の発破点を配置した。山頂部の２発破点ではそれぞれ 5kg の薬量を用い、山麓では 30kg の薬量を用いた。これら３つの発破点に加えて合計 96 点の臨時観測点からなる観測網を展開した。観測網は発破点 S1 および S2 を結び高密度に配置された 71 点から構成される山頂部(Summit)観測網と、発破点 S3 から草津白根火山山体全域に展開された 25 点からなる広域(Regional)観測網から構成された。山頂部観測網では擬似反射記録法(Tsutsui, 1992)による湯釜周辺の浅部構造の地下構造イメージングを狙い、また広域観測網では P 波初動走時解析ならびに振幅解析による草津白根火山山体の地震波速度構造を狙っている。観測点測位にはラピッドスタティック法 GPS 測位とトータルステーションをもちいた。観測網を地形図上にプロットしたものを第１図に示す。

第 1 図：草津白根火山構造探査測線。(a)広域(Regional)観測網、 (b)山頂域(Summit)観測網を示す。
ともに黒丸は臨時観測点を、白丸は発破点を示す。YGM:湯釜、MTS: 本白根山、MNZ:万座温泉、
KSS:草津温泉、SUL:草津硫黄鉱山、ISZ:石津硫黄鉱山、YMT:山田峠、MGM:水釜、KKM:涸釜、YUI:弓ヶ池、RH:草津白根レストハウス。

発破作業は 9 月 28 日 21 時 30 分から 22 時にかけて 15 分間隔で行われ、83 観測点で良好な波形データを取得した。また、人工地震探査のために展開された臨時観測網では草津白根火山山頂部に発生する火山性地震の諸元の把握を目的として、9 月 29 日早朝まで自然地震の待ち受け観測が行われ、複数の自然地震波形記録を得ることができた。自然地震観測の報告は堀・他（本報告書）に述べられている。

２．発破作業
人工地震探査計画の具体的な検討は 2004 年 6 月 4～6 日にかけて東工大火山流体センターで行われた。これまで行われてきた火山体構造探査の実績をもとに当初計画の測線長を勘案して、物理探鉱技術協会(1979)を参考に山頂部 5kg, 山麓部 30kg の発破を用いることとした。また、発破点の発破深度はハウザーの公式と物理探鉱技術協会(1979)を参考に、薬量 5kg の発破 S1 およびS2 に対して発破深度約 6m, 薬量 30kg の S3 に対して 15m とした。発破点 S1, S2 はユンボを用いて 5m×5m×深さ 6m の縦穴を掘削の上、ケーシングパイプを埋設した。発破点 S3 はエアー吹き工法で爆破孔掘削を行った。
発破点工作の詳細を第 2 図に示す。発破に伴う吹き上がりを避けるために S1 および S2 地点では孔口に置いたブラスティングマットの上に土嚢を積み、さらに土嚢の飛散防止として防爆シートで覆った。S3 地点での吹き上がり防止対策としては孔口を 1.5m×3m の鉄板でふさぎ、その上に 1.5m 厚の盛り土を施した上にユンボを載せた。当日の発破点の状況を写真１に示す。
さらに発破孔内の火薬の工作の詳細を第 3 図に示す。火薬には桐３号ダイナマイト(１本 100g)を用い、地震探査用雷管で点火を行った。不発対策として発破点 S1 および S2 ではダイナマイト
50 本に４本の地震探査用雷管を用いた。同様に発破点 S3 ではダイナマイト 300 本に 10 本の地震探査用雷管を用いた。発破孔に火薬を装填後、タンピング材として砂を込めた。

第２図：発破点工作図。左は S3 地点、右は S1, S2 地点を示す。

第３図：火薬工作図。下左は S1, S2 地点爆薬装填計画。残りは S3 地点装填計画を示す。

写真１：発破点 S3（森 健彦撮影）。中央のユンボの下に発破孔がある。

発破の正確な時刻を知るために第 4 図に示すショットマーク発生装置を製作し、孔外雷管とともに現地で用いた。電源として単 3 乾電池 2 本をもちいる簡単な回路であるが、ショットマーク発生完了がインジケータランプ(LED)の点灯で確認できる。発破前の結線完了状態で 0V が、発破完了状態で LED の順方向電圧降下に相当する電圧 1.7V がショットマーク出力にあらわれる。この出力をデータロガーLS8000SH に入力し、1kHz でサンプリングしたものをショットマーク観測データとした。
9 月 28 日の発破スケジュールは事前に大学関係者と発破業者との間で綿密に打ち合わせが重ねられた。県境に位置する草津白根火山では山頂部自動車道路への交通量が日没後に著しく減少することと、草津町での人工ノイズ発生状況とを勘案して 21:30 から 15 分間隔で発破作業を行うこととした。

第４図：ショットマークボックスなお，発破点 S1 については業者のミスによる絶縁不良のためにショットマークが得られなかった．発破 S1 の発破時刻の推定と２回の発破時刻の詳細については筒井・他（本報告書）の付録に記述されている。
３．臨時観測点の展開
人工地震の観測を目的とした臨時観測点の展開は 9 月 26 日～27 日にかけて行われた。本観測参加者が 6 班に分かれ、観測点設置を 4 班が受け持ち、残りの 2 班で測量を行った。合計 96
観測点のうち 84 点を上下動成分で構成し、残りの 12 点で三成分観測を行った。観測網を構成する観測点および発破点の座標を、その詳細とともに第１表に示す。
合計 96 点の臨時観測点を構成する装置の組み合わせは次の３種類である。76 点の上下動観測点および 8 点の 3 成分観測点(L01-L59, R01-R19, R91-R97)では固有周波数 2Hz の L-22D とLS8000SH（森田・浜口, 1996； 白山工業製）を使用した。8 観測点(H81-H88)では LS8000SH との比較を目的として 4.5Hz の地震計 GS-11D(GeoSpace 社製)と LS8200SD（白山工業製）を用いて観測を行った。Q71～Q74 はLE-3Dlite（レナルツ社製）と LZ8000（松島他,1998；白山工業製）を使用した。
臨時観測点はつぎのように２つの観測網に割り当てられた。71 点が山頂部観測網を構成し、L01～L59 観測点はほぼ 100m～150m 間隔で設置された。H81～H88 観測点および Q71～Q74 観測点
は L01～L59 観測点のカバーする範囲内に設置された。残りの 25 点(R01～R97 観測点)は 1～4km間隔で広域観測網を構成した。なお、Q71～Q74 観測点における観測の詳細は堀・他（本報告書）に記述されている。
すべての発破が完了した翌日、臨時観測点の撤去作業とともに観測データの回収が行われた。
全 96 観測点のうち、89 点で波形データを得ることができた。データを得られなかった点ではスケジュール設定ミスおよび地震計系統の断線・転倒の他にバッテリー消耗が主な原因であった。
４．観測波形とその特徴
本発破によって広域観測網で得られた人工地震波形を第 5 図 a～c に示す。第 5 図は縦軸に震源距離(km)、横軸に走時(s)をとって表示している。第 5 図 a, b にみられるように発破 S1, S2 は震源距離約 3km の距離まで初動が明瞭に確認できる。一方発破 S3 では震源距離 10km を超えて明瞭に初動が確認される（第 5 図 c）。なお第 5 図は山頂部観測網を含む領域を示しているが、図の見やすさを考慮して山頂部観測網の波形は一部のみをプロットした。山麓部の発破 S3 に対する初動では約 2.5km/s の見かけ速度が震源距離 2km 以下の場所で観測されるとともに、約 6km/s の見かけ速度が震源距離 5.5km 以上の場所で観測される。

第５図：広域(regional)観測網における観測記録。(a)発破点 S1, (b)発破点 S2, (c)発破点 S3。

第６図：S3。

山頂部(Summit)観測網における波形記録例。(a)発破点 S1, (b)発破点 S2, (c)発破点

さらに山頂部観測網で得られた波形記録を第 6 図 a～c に示す。第 6 図の横軸は走時(s)であるが、観測点ごとに波形記録を等間隔に並べて示した。山頂観測網内では発破 S1, S2 のいずれも明瞭に初動が観測される（第 6 図 a, b）。また、震源距離が 6-8km の範囲である山麓における発破 S3 に対しても明瞭な初動が観測されている（第 6 図 c）。
山頂部の発破 S1 および S2 の初動は震源距離 2km 付近まで約 3km/s 以上の見かけ速度を示すが、震源近傍では 4km/s を超える見かけ速度を示す。さらに第 6 図 c の各波形では北西ほど後続相の出現走時が系統的に早くなる傾向が認められ、東に向かって深くなる基盤深度分布の傾向（牧野・他, 2002）と調和的であることから、湯釜近傍の浅部構造の影響を反映していることが期待される。
解析結果については鬼澤・他（本報告書）、筒井・他（本報告書）に記述されている。
５．まとめ
今回の集中観測では草津白根火山の地下構造調査を目的に、3 地点における発破を山体上に展開された 96 臨時観測点で観測した。草津白根火山山頂部では観測点間隔 100～150m の高密度観測網の中で薬量 5kg の発破を２ヶ所で行い、山麓では薬量 30kg の発破を１ヶ所で行った。山頂部の発破ではいずれも震源距離 3km まで初動が明瞭に観測された。初動走時は震源近傍で 4km/s を超える見かけ速度を示した後、震源距離 2km 付近まで 3km/s の見かけ速度を示す。山麓の発破は震源距離 10km を超えて明瞭な初動が観測された。山麓の発破に対する初動走時は震源距離 2km以内では 2.5km/s の見かけ速度を示し、震源距離 5.5km 以上の地点では約 6km/s の見かけ速度を示す。さらに山麓の発破に対する山頂部観測網の各点では系統的に出現時刻が変化する後続相が認められる。以上のことから今回の観測で得られた観測データは草津白根山の地下構造の解明に貢献するであろうことが期待される。
謝辞
本観測の実施にあたり、草津町、六合村の皆様に理解をいただき、絶大なる協力を賜った。また、草津町役場、株式会社コクド、群馬県中之条土木事務所、群馬県中之条行政事務所、環境省
万座自然保護官事務所、林野庁吾妻森林管理署にはご助力をいただいた。発破孔の作孔には山田工業株式会社の協力を得た上、円滑かつ安全な発破作業は久住土建株式会社の献身的な協力に負うところが大きかった。利根コンサルタンツ東北支店伊藤憲哉氏には本計画の立ち上げの際にお世話になった。また、ショットタイムの取得のための雷管周りの工作は日本油脂（株）民田利明氏にご指導をいただいた。本観測は東京大学地震研究所客員教官研究費、及び東京大学地震研究所共同利用研究費（課題番号：2003-G-17、研究課題：重複反射波を用いた火山体内部構造の推定の試み）を用いて行われた。
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山下祐一郎・吉川慎・松島健彦・野上健治・平林順一・小川康雄・水橋亨・高木憲朗・鈴木敦生・田中麻貴・及川健・河野裕希・堀純・中道治久・

美緒 (2004) 草津白根火山湯釜火口周辺の地

震反射断面 －擬似反射記録法による反射断面の推定－ 、本報告書
鬼澤真也・森健彦・筒井智樹・平林順一・野上健治・松島健・草津白根集中観測

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