草津白根火山における火山性地震の震源分布
堀 美緒1・河野裕希1・松島 健2
鬼澤真也3・平林順一3・野上健治3
草津白根集中観測 人工地震探査グループ
1: 九州大学大学院理学府地球惑星科学専攻
2:九州大学大学院理学研究院附属地震火山観測研究センター
3:東京工業大学火山流体研究センター

Hypocentral distribution of the volcanic earthquakes
at Kusatsu-Shirane Volcano
Mio Hori1・Yuhki Kohno1・ Takeshi Matsushima2
Shin’ya Onizawa3・ Junichi Hirabayashi3・Kenji Nogami3
2003 Kusatsu-Shirane Volcano Seismic Experiment Group
1: Department of Earth and Planetary Sciences, Graduate School of Sciences, Kyushu Univ.
2: Institute of Seismology and Volcanology, Faculty of Sciences, Kyushu Univ.
3:Volcanic Fluid Research Center Tokyo Institute of Technology

1. はじめに
第 4 回草津白根火山集中総合観測の一環として，2003 年 9 月 25 日から 10 月 1 日までの期間，草津白根山頂部付近で自然地震観測を行った．9 月 28 日夜に実施された人工地震探査の前後に探査用ロガーとは別に 4 地点の臨時観測点を設置し，東京工業大学が収録している定常地震観測点のデータと統合することで火山性地震の震源分布を精度よく求めることができた．

2. 観測
2-1．観測方法と観測機器について観測点と発破点の配置を図 1 に示す．設置した地震計は人工地震探査用 84 点の他に，人工地震探査小アレイ 8 点と自然地震観測用 4 点の計 96 点である．そのほかに東京工業大学が収録している定常地震観測点が 6 点ある．自然地震観測用の観測点は，最近発生している地震の震源が集中する湯釜北東部の水釜付近に 1 点と，それを囲むように 3 点設置した．人工地震探査小アレ
イは，新しく開発された小型軽量ロガー8 台を用いて湯釜の南東部に展開した．観測された地震の記録はすべて，地震計と接続されたデータロガーに収録された．記録される時刻データは，GPS により時刻較正されたものである．観測点の座標および使用機器は表１および表 2 にまとめた．人工地震探査用 84 点の座標や人工地震探査実験の詳細については筒井ほか（2004，本報告書）を参照されたい．

2-2．観測結果観測された自然地震は，自然地震観測地点の 4 点のデータがそろう 9 月 27 日 16 時 20 分から9 月 30 日 9 時 30 分までに 30 個ほどあった．それらは，いずれも最大振幅が 1 × 10 −6 m/s ほどの微小地震であり，卓越周波数 8-10Hz の比較的高周波な火山性地震である．観測点 Q74 で観測された波形の例を図 2 に示す．波形の特徴としては，P 相の立ち上がりが明瞭なもの(図 2 a)と不明
瞭なもの(図 2 b)があったが，今回観測された地震の多くは後者の P，S 相が不明瞭な地震であった．

(a)

(a)

(b)

図１

観測点・発破点配置図，(a) 広域，(b) 山頂部．

(a)

(b)
図 2 観測点 Q74 で観測された自然地震波形例．(a) 9 月 28 日 19 時 28 分の地震， (b)9 月 28 日 15 時
43 分の地震．いずれも 4-16Hz の band-pass filter をかけた波形である．

表 1. 観測点座標

観測点

常時観測点

自然地震観測用
臨時点

人工地震探査用
アレイ点

KSE
KSW
KSJ
KSS
YNE
JIW
Q71
Q72
Q73
Q74
H81
H82
H83
H84
H85
H86
H87
H88

座標(Tokyo測地系)
観測期間
緯度(deg) 経度(deg) 高度(m)36.64081 138.54774
1893
36.64412 138.52980
1883
36.63603 138.54845
1997
36.63578 138.53774
1906
36.64436 138.54817
1940
36.63650 138.54056
2003
36.63805 138.53974
2048 9/27 10:32:42 〜9/30 09:29:59
36.64213 138.53992
2080 9/27 14:16:12〜9/30 23:49:59
36.64560 138.54322
1961 9/27 15:11:48〜9/30 09:59:59
36.64362 138.53435
2124 9/27 16:16:48〜9/30 10:59:59
36.63484 138.54505
1977
9/28 20:23:16〜9/29 8:29:59
36.63541 138.54406
1970
9/28 18:30:00〜9/29 7:19:59
36.63608 138.54300
1972
欠測
36.63679 138.54187
1985
9/28 18:30:00〜9/29 7:19:59
36.63740 138.54076
2013
欠測36.63611 138.54207
1978
9/28 18:30:00〜9/29 7:19:59
36.63639 138.54236
1979
9/28 18:30:00〜9/29 7:19:59
36.63670 138.54292
1979
9/28 18:30:00〜9/29 7:19:59

表 2．観測機器
地震計
サンプリング感度(V/m/s)
固有周期(Hz) 周波数(Hz)1100
KSE 167.0 ,173.6 ,168.7
KSW 183.1 ,182.4 ,180.9
1100
KSJ
165
1100
KSS
305 , 223 , 220
1100
YNE
240
1100
JIW
240
1100
Q71
400
1200
Q72
400
1200
Q73
400
1200
Q74
400
1200
H8182.74.5500
H8282.74.5500
H8382.74.5500
H8482.74.5500
H8582.74.5
500
H8682.74.5500
H8782.74.5
500
H8882.74.5
500

観測点

常時観測点

自然地震観測用臨時点 Lennartz社製
ＬＥ−３Ｄｌite
白山工業製LZ-8000

人工地震探査用
アレイ点
Geo Space社製
GS-11D
白山工業製
LS-8200SD

増幅率
NS
EW
×10×10×10×10×1×1×100×100×100×100×100×100
×100×100

VH×10×10×10×1×500
×500
×100
×100×100×100×1×1×1×1×1×1×1×1

VL×10×10×10×102.5(a)走時T [s]21.5

図 3S1S2
T=d/2.7

1

人工地震で得られた走時曲線．(a)S1・S2 の発破によるもの，(b) S3 の発破によるもの，(c) S3 の発破によるものに高度0.5補正したもの

0024681012

震源距離 d [km]2.52.5(b)1.5S3T=d/5.3+0.45

1

S1・S2走時曲線0.5(c)

2補正走時 T [s]走時 T [s]2

1.5S3T=⊿/6.45+0.37

1

S1・S2走時曲線0.5000246
震源距離 d [km]810120246
震央距離 ⊿ [km]81012図 4. 2003 年 9 月 28 日 19 時 28 分 44 秒の地震波形．観測点名の横の数字はそれぞれの最大振幅，赤矢印は P 波初動の読み取り位置を示す．

3．震源決定3-1. 震源決定の方法
震源決定は，最小二乗法による方法で行った．仮震源の座標と仮震源時を初期値として与え，走時残差の二乗和が最小になる補正値を求める．今回は，仮震源の座標を観測網の中心付近，深さを海抜 1500m とし，仮震源時は各地震の観測データの P 波到着時から適当な値を与え，観測方程式から正規方程式をたてて補正値を求めた．Gauss-Newton 法で計算の反復を行い，補正値がいずれも 0.015 以下になったときに解が収束したとみなし，震源を決定した．
計算走時は，人工地震探査の波形データからP波到着時を読み取って作った走時曲線(図 3 a，b，c)から，速度構造を推定して求めた．走時データの分布の形状から水平二層構造を仮定し，まず発破点S1，S2 の走時から表層の速度(V1)を,発破点S3 の走時から下層の速度(V2)を求めた．V2を決定する際には，観測点をS3 の高度に補正し，震央距離と補正走時からV2と境界面の深さを求めた．P波速度は，V1=2.7km/s，V2=6.45km/s，境界面は海抜 500mと推定された．

3-2. 使用データ
震源決定には，集中観測で設置した自然地震用観測点 4 点(Q71〜Q74)と，東京工業大学火山流体研究センターで収録している常時観測点 6 点(JIW，KSE，KSJ，KSS，KSW，YNE)の計 10点の観測データを使用した．観測点の位置は図 1 a，b に示している．震源決定を行った自然地震の数は 28 個である．読み取りに使った波形の例を図 4 に示す．これは 9 月 28 日 16 時 28 分のデータで，震源決定を行ったデータのうち，比較的初動が明瞭なものである．横軸に時間軸をとり，観測走時の早い順に並べてある．このような波形データから，今回は P 波到着時のみを読み取り，震源決定を行った．

4. 結果決定した震源分布を図 5 に示す．震源決定の結果，草津白根火山周辺の地震とみられるものは27 個である(表 3)．そのうち，解が収束したものは 18 個あったが，それらはすべて湯釜・水釜周辺に決定された．そのほかの地震に関しては，解が発散するか，ある値を中心として振動してしまい最終的に値が定まらなかった．震源分布の特徴としては，井田ほか(1989)で求められた震源分布と同様に湯釜北東部に集まる形になった．震源の深さはほとんどが海抜 1500m 以浅に決まり，これまでより浅くなった．地震のマグニチュードは-1.0〜-2.0 程度であった．

5. 考察
今回の震源決定では，人工地震探査のデータから求めた速度構造を使用することで精度よく震源座標が求められた．しかし，解が発散するものや空中に震源が決まるものがあった．この問題に関しては，速度構造をさらに詳しく解析することや計算過程において非負の拘束条件を与えることなどで改善する必要がある．
震源分布に関しては，桂ほか(1996)の電磁気探査による比抵抗構造において湯釜・水釜周辺の地下に低比抵抗域が求められていることや，牧野ほか(2002)の重力探査で水釜円頂丘付近に負の重力異常分布が見られていることなどから，地震発生域付近にマグマや熱水などがあり，その活動によってこの領域で地震が発生していると考えられる．

図 5. 震源分布図

6. まとめ2003 年 9 月 25 日から 10 月 1 日までの期間，群馬県北西部に位置する草津白根火山で集中総合観測の一環として人工地震探査・自然地震観測を行った．この観測で得られた人工地震探査の走時データから速度構造を推定し，最小二乗法により震源決定を行い，草津白根火山周辺で発生する火山性地震の震源分布を求めた．その結果，震源はこれまでよりも浅い位置に決まり，白根山の湯釜・水釜周辺の 1500m 以浅に集中した．この分布は，草津白根火山における熱水活動との関連性を示唆するものといえる．

謝辞
震源決定プログラムを作成するにあたり，九州大学大学院理学研究院附属地震火山観測研究センターの清水洋教授に丁寧にご指導いただいた．ここに記して感謝する．

表 3．震源決定結果．深さは海抜 0ｍを基準として下方向に正である．震源座標が空欄のものは，解が収束しなかった地震を示す．

震源座標(Tokyo 測地系)
震源時9/27 17:56:40.726

震源時

震源座標(Tokyo 測地系)

緯度

経度

深さ緯度

経度

深さ

(deg)

(deg)

(km)

(deg)

(deg)

(km)

36.6399138.5406-2.48

36.6413138.5419-1.95

9/28 07:47:59.539

9/27 18:29:41

9/28 12:17:03

9/27 19:14:17

9/28 13:50:59

9/27 19:34:36.911

36.6405138.5421-2.12

9/28 15:43:41.038

36.6407138.5424-1.35

9/27 20:17:20.113

36.6407138.5413-2.00

9/28 17:24:03.144

36.6411138.5418-1.94

9/27 20:47:00.978

36.6420138.5413-0.99

9/28 19:28:44.192

36.6410138.5411-1.62

9/27 21:45:23.600

36.6397138.5437-2.31

9/28 21:19:08

9/27 22:09:52.385

36.6406

138.5405-1.93

9/29 01:57:07
36.6407138.5413-2.02

36.6410138.5403-1.99

36.6408

138.5417-1.67

9/29 02:41:50.004

9/28 04:33:47
9/28 05:08:14.629

36.6409138.5436-2.21

9/29 04:18:01

9/28 05:21:04.095

36.6405138.5424-2.08

9/29 05:06:38.485

9/28 05:58:47.762

36.6401

138.5431-2.13

9/29 05:14:40

9/28 06:02:22.589

36.6415138.5438-2.28

9/2917:04:43.601

9/28 07:38:30.763

36.6408

138.5448

-2.46

参考文献
井田喜明・長田昇・沢田宗久・小山悦郎・鍵山恒臣，1989，草津白根山における常設地震観測と1989 年 1 月 6 日の小噴火，東京大学地震研究所彙報第 64 号，325-345
笠原順三・友田好文，1993，コンピュータ地球科学，東京大学出版会
桂郁雄・川東慶子・Djedi S. Widarto・西村進・茂木透・下泉政志・西田潤一・楠建一郎・鈴木浩
一・藤光康宏・城森明・山本哲也・山崎明・田口陽介，1996，草津白根火山での CSMT お
よび TDEM 探査，第 3 回草津白根山の集中総合観測報告書，61-72
牧野雅彦・渡辺史郎・住田達哉・小川康雄， 2002 ，草津白根山の重力探査， 月刊地球，号外

No.39，52-56
中川徹・小柳義夫，1982，最小二乗法による実験データ解析，東京大学出版会