３．１．９

ひずみ集中と地殻内流体変動の解明

目次(1)

業務の内容・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・162(a) 業務題目(b) 担当者(c) 業務の目的(d) ６ヵ年の年次実施計画
1) 平成１９年度
2) 平成２０年度
3) 平成２１年度
4) 平成２２年度
5) 平成２３年度
6) 平成２４年度(e) 平成２１年度業務目的(2)

平成２１年度の成果・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・163(a)業務の要約(b)業務の成果
1) 地震活動観測
2）地温および水温観測
3) 湯釜火口湖の化学観測
4）GPS 観測(c) 結論ならびに今後の課題(d) 引用文献(e) 学会等発表実績(f) 特許出願、ソフトウエア開発、仕様・標準等の策定(3)

平成２２年度業務計画案・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・167

161

(1) 業務の内容(a) 業 務 題 目

ひずみ集中と地殻内流体変動の解明(b) 担当者
所属機関
国立大学法人東京工業大学

役職

氏名

メールアドレス教授

小川 康雄

oga@ksvo.titech.ac.jp

准教授

野上 健治

knogami@ksvo.titech.ac.jp

准教授

大場 武

ohba@ ksvo.titech.ac.jp

研究員

山脇 輝夫

yamawaki@ ksvo.titech.ac.jp

火山流体研究センター(c) 業務の目的
草津白根山山頂周辺に整備された活動火口観測システムによる水位・水温・降水量等の連続観測を実施し、これらと火山ガス、湖水・温泉水などの化学組成などの繰り返し観測および地殻変動観測から、ひずみ集中よる 地殻活動とそれに連動する地殻内流体の変動を捉える。
(d) ６ヵ年の年次実施計画
1) 平成１９年度：草津白根山周辺でひずみ集中に連動する地殻内流体の変化と流体貯留層近傍での地震活動の変化を捉え、ひずみ集中帯の機構解明に資する調査研究を行うためのデータ搬送装置、火山流体観測装置テレメーターシステム、地温観測システムから構成される活動火口観測システムを整備するとともに、地殻内流体の効果的把握のための観測点配置等に関する検討を行った。
2) 平成２０年度：活動火口観測システムを構築し、ひずみ集中に連動して起こる地殻内流体の変動をとらえるために、火山ガスの化学組成、活動的火口湖の湖水の水位・水質、流体貯留層近傍での地震活動などの観測を行った。
3) 平 成 ２ １ 年 度 ： 草 津 白 根 山 山 頂 周 辺 に 整 備 さ れ た 活 動 火 口 観 測 シ ス テ ム に よる水位・水温・降水量等の連続観測を実施し、これらと火山ガス、湖水・温泉水などの化学組成などの繰り返し観測 および地殻変動観測から、ひずみ集中よる地殻活動とそれに連動する地殻内流体の変動を捉える。
4) 平 成 ２ ２ 年 度 ： 草 津 白 根 山 山 頂 周 辺 に 整 備 さ れ た 活 動 火 口 観 測 シ ス テ ム に よ る 水
位・水温・降水量等の連続観測を引き続き実施し、これらと火山ガス、湖水・温泉水などの化学組成などの繰り返し観測および地殻変動観測・微小地震観測・ハイドロフ
ォン観測から、ひずみ集中による地殻活動とそれに連動する地殻内流体の変動を捉える。
5) 平 成 ２ ３ 年 度 ： 草 津 白 根 山 山 頂 周 辺 に 整 備 さ れ た 活 動 火 口 観 測 シ ス テ ム に よ る 水
位・水温・降水量等の連続観測を引き続き実施し、これらと火山ガス、湖水・温泉水などの化学組成などの繰り返し観測および地殻変動観測・微小地震観測・ハイドロフ
ォン観測から、ひずみ集中による地殻活動とそれに連動する地殻内流体の変動を捉える。
6) 平 成 ２ ４ 年 度 ： 草 津 白 根 山 山 頂 周 辺 に 整 備 さ れ た 活 動 火 口 観 測 シ ス テ ム に よ る 水
位・水温・降水量等の連続観測を引き続き実施し、これらと火山ガス、湖水・温泉水
162

などの化学組成などの繰り返し観測および地殻変動観測・微小地震観測・ハイドロフ
ォン観測から、ひずみ集中による地殻活動とそれに連動する地殻内流体の変動を捉える。
(e) 平成２１年度業務目的
草津白根山山頂周辺に整備された活動火口観測システムによる水位・水温・降水量等の連続観測を実施し、これらと火山ガス、湖水・温泉水などの化学組成などの繰り返し観測 お
よび地殻変動観測から、ひずみ集中よる地殻活動とそれに連動する地殻内流体の変動を捉える。
(2) 平成２１年度の成果(a) 業務の要約
活動火口観測システムを構築し、ひずみ集中に連動して起こる地殻内流体の変動をとらえるために、火山ガスの化学組成、活動的火口湖の湖水の水位・水質、流体貯留層近傍での地震活動、GPS による地盤変動などの観測を行った。
(b) 業務の成果
草津白根火山における観測項目とその観測点位置を図 1(P168)に示す。平成 19 年度に活動火口観測システムを構築し、平成 20 年度より、湯釜火口、水釜火口およびその周辺で、地震観測、地温観測、火山ガス観測、湯釜火口湖水の化学データ観測を実施している。さらに、今年度 10 月からは火口周辺の 3 か所において GPS 連続観測を開始している。以下、地震活動観測、地温観測、火山ガスの化学分析、湯釜火口湖水の化学分析、GPS 観測について述べる。
1) 地震活動観測
図2(P169)に示す通り、2006年11月以降の震源は、主に湯釜北東部に集中し、その深さは海抜2kmから海抜1kmの範囲に集中する。地震は湯釜の北東にある水釜まで分布するがそのさらに北方には分布しない。これに対して湯釜の南側には、ほぼ南北性の地震の震源が海抜0～1kmの深度に広がる。
図3(P170)に、地震の震源を南北断面に投影したものの時系列を示す。湯釜北東の活動域は、2006年12月と2007年6月下旬、2008年10月初めに活動の高まりがあるが、2006年以降の活動は、概して低調である。
図4(P171)にM-T図を示す。地震の規模は、殆どがマグニチュード-2から-1の間に集中し、地震の日別発生頻度は、5回以下が殆どである。2009年の7月以降、やや地震活動の低下がある。
図5（上）(P172)に2009年9月12日に湯釜東方で発生したM-0.3の地震の震源を示す。この地震では、図5（下）(P172)に示すように、湯釜火口湖内に設置したハイドロフォンにおいて、明瞭な地震波動を計測した。この図は、3点のボアホール地震計の3成分100Hzサンプリング記録と、湯釜火口湖内のハイドロフォン2か所の100Hzサンプリングの時系列デー
163

タを並べたものであるが、H1は湯釜火口湖中央、H2は湯釜火口湖南岸のデータである。
ハイドロフォンのデータについては、別途、10KHzサンプリングでボイスレコーダにも記録している。
図6(P173)は、図5(P172)の地震発生時をまたぐ10分間について、10秒の時間窓ごとのランニングスペクトルを解析したものである。340Hz付近に定常的なパワースペクトルのピークが存在している。横軸は時刻（時：分：秒）であるが、01:19:21の0～70Hz付近の大きなパワーが湯釜東方の地震に対応する。地震の前後で顕著なパワースペクトルの変動はない。
2) 地温および水温観測
図7(P174)に示すように、2008年10月より、水釜の地温、湯釜北東壁の地温、湯釜の水位、湯釜の水温、気温、降水量を計測している。湯釜の水温および気温は季節変動が顕著であり、湯釜の水温は気温に比べ約10度高い状態で推移している。
これに対して、水釜内の4か所（図1中のG1～G4、P168）の変動は降雪によると思われる温度の低下が12月から2008年6月まで見られる。湯釜北東壁（図1中のG5、P168）の地温は2008年7月26日に出現が確認された新しい噴気帯で計測している。G5では降雨に対応して急激に下がることが記録されているが、2009年5月以降沸点に到達し、現在に至っている。
3) 湯釜火口湖の化学観測
火口湖の化学成分の繰り返し観測によって、火山の熱水系の変動を読み取ることができる（Ohba et al., 2008）。冬季を除く 4 月から 11 月の期間、ほぼ毎月、草津白根山の山頂に位置する火口湖湯釜で水温の計測と湖水の採取を行い、湖水の化学分析を行ってきた。
2001 年から 2009 年末までの地化学データの変動を図 8(P175)に示す。
Mg/Cl 比は水－岩石相互作用の度合いを示す適切な指標である。図 8(上) (P175)に示されるように、湖水の Mg/Cl 比は、2006 年の 10 月から急激に上昇し、2007 年から高い値を保ち、その後は緩やかに低下しつつあるように見える。また 2009 年に入りやや上昇する兆しがある。
湯釜湖水の SO 4 2- 濃度は、地表から供給される流入水中の SO 4 2- によって、季節変動を示す（図 8（中）、P175）。しかしながら、2007 年夏季には湯釜湖水の SO 4 2- 濃度が前後の期間に比べて大きく SO 4 2- が過剰に供給されたと判断される。これは、図 8（上）(P175)で示した 2007 年の高い Mg/Cl 比に対応しており、水－岩石相互作用が高まったことと調和する。
湯釜湖水は、湖底から供給される熱水と地表流入水の混合物であり、湖水に含まれるSiO 2 濃度は、熱水と地表流入水濃度の間にあると考えられる。地表流入水の SiO 2 濃度にどのような時間変動があるのか解明されていないが、平均すれば、ほぼ一定である可能性は高い。熱水の SiO 2 濃度は、熱水の温度に依存するので、湯釜湖水の SiO 2 濃度は、熱水の温度を反映すると思われる。図 8（下）(P175)に示されるように、SiO 2 濃度は、2006年の 11 月から上昇を開始し、2007 年は高く、その後、2008 年に入り低下している。2009
年に入ってふたたび濃度が上昇する傾向がみられる。
164

以上のことをまとめると、2006 年の夏に深部熱水のシーリングゾーンが破壊され、それによって深部から硫黄を含む揮発性成分が湯釜下の熱水系に供給され、湖水の SO 4 2- 濃度が上昇したと考えられる。また、シーリングゾーンを構成する二次鉱物の溶解で一部のSO 4 2- イオンが供給された可能性もありうる。2009 年に入って、ふたたび、地下における水-岩石作用が高まる傾向がある。
4) GPS 観測2009 年 10 月より、図 1(P168)に示した 3 観測点において GPS の連続観測を開始した。
KSS を基準とした、KSE および KSW 観測点の 3 成分の変動を図 9(P176)に示す。2009年 12 月より KSW において、相対的に南西に動く傾向がみられるが、凍上による影響も考えられる。今後の長期間にわたるデータの蓄積が必要である。
(c) 結論ならびに今後の課題
2008 年 10 月から、活動火口観測システムが運用され、水温データ、地温データが連続的に記録できるようになった。また水位データやハイドロフォンのデータも連続記録されるようになった。さらに、2009 年 10 月からは、GPS 連続観測も開始した。これらデータを蓄積し、季節変動をと火山活動との分離を図ることが今後の課題であるが、そのためには長期間にわたりデータを蓄積することが肝要である。また変動を起こす場である火山体の構造(たとえば Nurhasan et al., 2006)についての知見をふかめることも、変動の本質的な理解にとって重要である。
(d) 引用文献
1) Ohba, T., J. Hirabayashi and K. Nogami, Temporal changes in the chemistry of lakewater within Yugama Crater, Kusatsu-Shirane Volcano, Japan: Implications for theevolution of the magmatic hydrothermal system, J. Volcanol. Geotherm. Res., 178,131-144, 2008.
2) Nurhasan, Y. Ogawa, N. Ujihara, S.B. Tank, Y. Honkura, S. Onizawa, T. Mori, and M.
Makino, Two electrical conductors beneath Kusatsu-Shirane volcano, Japan, imaged byaudiomagnetotellurics and their implications for hydrothermal system, Earth Planets
Space, 58, 1053–1059, 2006.
(e) 学会等発表実績
学会等における口頭・ポスター発表
発表成果(発表題目、口頭・ポスター発表の別)
草津白根火山ボーリングコ
アの粘土鉱物の分析(口頭)MT 法 3 次元インバージョ
ンと微小地震観測による草発表者氏名

発表場所(学会等名)

CA研究会(東京大学
地震研究所）
小川康雄・Nurhasan・ 日本火山学
S.B.Tank・氏原直人・ 会秋季大会

横山達也・野上健治・
小川康雄

165

発表時期

国際・国内の別

2010年2月

国内

2009年
10月

国内

津白根火山の蒸気だまりのイメージング(口頭)草津白根山山頂領域の噴気・熱活動(2008年〜2009年）(口頭)
草津白根火山湯釜火口におけるハイドロフォン観測(ポスター)
Imaging of a vapor
reservoir at
Kusatsu-Shiranevolcano、 by 3D-MT
inversion(口頭)「ひずみ集中 帯の重点的調査観測・研究」の概要(口頭)日本海東縁歪み集中帯(庄内―新庄地域）の比抵抗構
造イメージング(口頭)草津白根山火口湖湯釜：フィールド観測から明らかになってきた火山熱水系の仕組み(口頭)陽イオン組成に基づいた草津白根山温泉水の形成過程・ポスター
ハロゲン元素及び129I シ
ステムを用いた群馬県草津
白根火山熱水系における火山性成分の起源の推定(口頭)IMAGING OF
HYDROTHERMALSYSTEM IN
KUSATSU-SHIRANE
VOLCANO、 JAPAN、USING THREEDIMENSIONALMAGNETOTELLURIC
INVERSION(口頭)
Differential degassing
magma beneath the

本蔵義守・山脇輝夫

小田原

日本火山学会秋季大会
小田原
日本火山学会秋季大会
小田原
小 川 康 雄 ・ ヌ ル ハ ッ サ 地球電磁気
ン・タンク ブレント・ 地球惑星圏
氏 原 直 人 ・ 本 蔵 義 守 ・ 学会
山脇輝夫

2009年
10月

国内

2009年
10月

国内

2009年9月

国内

日本地球惑
星科 学連
合2008年大会、 幕張

2009年5月

国内

日本地球惑
星科学連合
2008年大会、 幕張

2009年5月

国内

信州大学山
岳総合研究
所シンポジ
ウム
日本地球惑
星科学連合
大会
第7回同位体科学研究会、横浜

2009年

国内

2009年

国内

2009年

国内

NURHASAN ・ Y.
Ogawa・N. Ujihara・
S. B. Tank ・ Y.
Honkura ・ Teruo
Yamawaki

11th IAGA
Generalassembly、
Sopron、
Hungary

2009年8月

国際

Takeshi OHBA

IAVCEI
Commissio

2010年3月国際

野上健治・山脇輝夫・
小川康雄・寺田暁彦・
気象庁地震火 山部
山脇輝夫・小川康雄

小原一成・金沢敏彦・
平田直・飯尾能久・茂木透・松澤 暢・山中佳子・松本聡・小川康雄・佐藤比呂志・小平秀
一・鷺谷威・今泉俊文・
岡村行信・藤原広行・
岩田知孝・纐纈一起・
佐竹健治・松浦律子
市原寛・上嶋誠・坂中伸也・小河勉・西谷忠
師・小川康 雄・渡邉篤
志・山谷祐介・臼井嘉
哉・森田裕一・吉村令
慧・三品正明大場武

清水惇・大場武

柏木祐・村松康行・大場武・Udo Fehn

166

crater lake Yugama on
Kusatsu-Shirane
volcano、 Japan(口頭)Observation ofhydroacoustic noise at
Kusatsu-Shirane
volcano、 Japan (ポスター)

T.
Yamawaki;
Ogawa

Y.

n of
Volcanic
Lakes、7thWorkshop
on Volcanic
Lakes、
Costa Rica
AGU fallmeeting、SanFrancisco2009年
12月

国際学会誌・雑誌等における論文掲載
掲載論文(論文題目）

発表者氏名

草津白根山
草津白根山火口湖湯釜：フィールド観測から明らかになってきた火山熱水系の仕組み

野上健治
大場武

発表場所
(雑誌等名)
震災予防
信州大学山岳総合研究所ニュースレター

発表時期
2009年
2009年

国際・国内の別
国内
国内

マスコミ等における報道・掲載
なし(f) 特許出願、ソフトウエア開発、仕様・標準等の策定
1) 特許出願
なし
2) ソフトウエア開発
なし
3) 仕様・標準等の策定
なし(3) 平成２２年度業務計画案
草津白根山山頂周辺に整備された活動火口観測システムによる水位・水温・降水量 等の 連続 観測 を実 施し 、こ れら と火 山ガ ス、湖水・温 泉水 など の化 学 組 成 な
ど の 繰 り 返 し 観 測 お よ び 地 殻 変 動 観 測 か ら 、ひ ず み 集 中 よ る 地 殻 活 動 と そ れ に連動する地殻内流体の変動を捉える。

167

図1

草津白根火山の山頂域を取り巻く観測項目と、観測点の分布KSW。KSS、 KSE はボアホール地震計、KSJ、JIE、KSN は地表の地震計を表わす。G1から G5 は水釜の地温センサーの位置を表わす。G5 は湯釜の北東縁に位置し、2008 年から活動的になった噴気帯のなかにある。□は今年度から整備された GPS 連続観測点を表す。

168

図2

2006 年 11 月 1 日から 2009 年 11 月 1 日までの震源分布。草津白根山頂域の地震観測点を（＋）であらわす。右および下に南北断面および東西断面に投影した震源位置を表す。

169

図3

2006 年 11 月 1 日から 2009 年 11 月 1 日までの震源分布を南北断面に投影した時系列。湯釜北東の活動度が高く、かつ変動も大きいことがわかる。また、湯釜水釜の北方で地震活動の北限が明瞭であることが特徴である。

170

図42006 年 11 月 1 日から 2009 年 10 月 20 日までの草津白根火山における地震の M-T図。2009 年 7 月から地震活動がやや低下しているように見える。

171

図5

（上図）2009 年 9 月 12 日に発生した M-0。3 の湯釜東方の地震の震源。
（下図）この地震に関する地震波形。3 つのボアホール観測点（KSW、KSE、KSS）の 3 成分波形記録および、湯釜火口湖における 2 つのハイドロフォンデータの波形記録を示す。図中には3 つの地震イベントが記録されているが、上図の震源は、3 つ目の地震に対応するもので、ハイドロフォンの記録が明瞭である。
172

図 6

ハイドロフォン（図 5、P172）の 10 秒間のランニングスペクトル。ボイスレコー

ダを使用し、10KHz サンプリングにて記録したもの。横軸は時刻（時：分：秒）である。

173

図7

上から順に水釜の地温（地表下 1m 深）、湯釜北東壁に 2008 年に出現した新しい噴気（図 1(P168)の G5 観測点）の地温、湯釜の水位、湯釜の水温、湯釜の気温、降水量を表す。

174

0.015

Mg/Cl weight ratio

Mg/Cl

0.010.005

Year (2000-2009)
3000
-Cl

Conc. (mg/liter)

2500

2000

1500

SO42-1000

Year (2000 to 2009)200

SiO2 (mg/liter)

175

150

125

100

Year (2000-2009)

図 8

湯釜火口湖の化学成分の変動。（上）Mg/Cl 比は水－岩石相互作用の度合いを示す。

Mg/Cl 比は、2006 年の 10 月から急激に上昇。（中）SO 4 2- 濃度は、地表から供給される流入水による季節変動があるが、2006 年の 6 月からの変動は、有意に大きい。
（下）SiO 2 濃度は、熱水の温度を反映する。2006 年の 11 月から上昇を開始し、2007 年は高く、その後、2008 年に入り低下している。
175

図9

GPS による地盤変動観測(KSS を基準とする）。X(東向き＋)、Y(北向き＋)、H(水平距離)とする。上図は KSS を基準とした KSE の変動、下図は KSS を基準とした KSW の変動。
176