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・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・208(a) 業務題目(b) 担当者(c) 業務の目的(d) ６か年の年次実施計画（過去年度は、実施業務の要約）
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２４年度業務目的(2)

平成２４年度の成果・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・209(a) 業務の要約(b) 業務の実施方法及び成果
1) 地震活動観測
2）地温及び水温観測
3) 噴気ガス及び湯釜火口湖の化学観測
4）GPS 観測
5）ハイドロフォン観測(c) 結論ならびに今後の課題(d) 引用文献(e) 成果の論文発表・口頭発表等(f) 特許出願，ソフトウエア開発，仕様・標準等の策定

207(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

氏名

メールアドレス教授

小川 康雄

oga@ksvo.titech.ac.jp

同教授

野上 健治

knogami@ksvo.titech.ac.jp

同准教授

神田 径

kanda@ksvo.titech.ac.jp

同講師

寺田 暁彦

terada@ksvo.titech.ac.jp

同研究員

山脇 輝夫

yamawaki@ksvotitech.ac.jp

国立 大 学法 人 東京 工 業 大学

役職

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及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か年の年次実施計画（過去年度は、実施業務の要約）
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及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た。
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及び地殻変動観測・微小地震観測から、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た。
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及び地殻変動観測・微小地震観測から、ひずみ集208

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た。
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・温泉水などの化学組成などの繰り返し観測及び地殻変動観測・微小地震観測・ハイドロフォ
ン 観 測 ・GPS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２４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及び地殻変動観測・微小地震観測・ハイドロフォン観測・GPS 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。
(2)

平成２４年度の成果(a) 業務の要約
湯釜火口・水釜火口及びその周辺において、活動火口観測システムによる微小地震観測、地温及び水温観測、化学観測、GPS 観測を行い、ひずみ集中に連動して起こる地殻内流体の変動を捉える(b) 業務の実施方法及び成果
草津白根山における観測項目とその観測点位置を図 1 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（地図中央）、水釜火口（湯釜火口の北東）及びその周辺で、微小地震観測、地温及び水温観測、化学観測を実施している。さらに、平成 21 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、GPS 観測について述べる。

209

図1

草津白根山の山頂域の観測点の分布。

KSW,KSS,KSE はボアホール地震計と傾斜計、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に設置している。
1) 地震活動観測2008年1月から2012年12月末までの震源分布は、水釜火口と湯釜火口を含む領域とさらに湯釜の南1.5km範囲に集中している（図2）。

210

図2

2008年1月から2012年12月末までの草津白根山湯釜火口周辺における震源分布。右図には南北断面での投影を、下図には東西断面での投影を示す。
ほとんどの地震はマグニチュード-1以下で、震源の深さは湯釜北東部で海抜2kmから海抜1kmの範囲に集中している。その一方で、湯釜の南側の震源は海抜0～1kmの深度に広がる。
2011年3月11日に発生した東北地方太平洋沖地震、及び3月12日早朝に発生した長野県北部地震の余震活動の影響で4月末までの約3か月間は草津白根山頂領域で発生していた微小地震活動を捉える事は困難であった。余震回数が減少した5月以降、微小地震活動を検知できるようになったが、東北地方太平洋沖地震の前後で震源分布に顕著な変化は認められない。
211

図3に2008年1月から2012年12月末までの震源分布とその時系列を示す。

図3

草津白根山湯釜火口周辺における2008年1月から2012年12月末までの震源分布（左）とその時系列（右）。
2009年7月から2011年6月にかけては湯釜火口の南方の地震活動が低調な時期であった。
この時期は後述するように、水釜の北側外斜面の噴気活動が活発な時期で、噴気温度の上昇が開始した時期と一致する。2011年7月まで噴気温度は沸点を超えていたが、その後噴気活動は停止した。また、湯釜湖水中に含まれる塩化物イオンや硫酸イオンはマグマからの火山ガスが起源であるが、これらの濃度変化も2009年7月以降に上昇し始め、2011年10月には2009年7月と同レベルまで下がった。その直後から地震活動が再び活発化しており、火山性流体である火山ガスや熱水の動きと地震活動が対応していることは注目に値する。
地震活動は湯釜北東の地温異常帯から水釜にかけての領域がもっとも活発で、定常的に地震活動が起こっているが、これも東北地方太平洋沖地震の前後で顕著な変化は認められない。また、その後に発生している東北地方太平洋沖地震の余震活動の影響もなく、顕著な変化は認められない。湯釜火口の南方の地震活動が低調な時期だった2011年5月27日に傾斜変動を伴う火山性微動が発生し、その直後から湯釜南部を中心に地震活動が活発化したが、ごく短期間で収束し、現在に至るまで同様の火山性微動の発生はない。
2008年1月から2012年2月までに発生した地震のマグニチュードの時間変化を図4に示す。
2009年には湯釜の南方でM1クラスの比較的大きな地震が発生したが、その後は観測されていない。2010年1月から5月にかけての欠測は通信障害によるものである。

212

図4

草津白根山湯釜火口周辺で発生している微小地震のM―T図。

2) 地温及び水温観測
草津白根山山頂は熱水系の発達している火山であり、湯釜・水釜・涸釜の火口湖がある。
マグマから放出される揮発性成分は火山体内部の熱水系を経て噴気ガス・温泉水・火口湖水・土壌ガスとして地表に達している。地温・噴気温度の観測は、熱のキャリアである火山性流体の分布や移動を把握する上できわめて重要である。水釜火口では1976年に水蒸気爆発が発生しているが、その数年前から火口周辺に噴気の出現が観測されている。水釜火口内に設置した4点の地温計による連続観測の結果を図5に示す。2008年以降、水釜の地温（図1中のG1～G4）の明瞭な年周変動が認められるだけで、熱異常が発生している兆候は認められない。この領域では微小地震活動は続いているが、水釜火口内への熱異常をもたらすような火山性流体の放出は現時点では認められない。
これに対して、湯釜北東湖岸（図1中のG5）の地温は、年周変動が全く見られず、2009年5月以降、この標高の沸点（～94度C）に達している（図6）。この温度上昇は、前述の湯釜南方の地震活動が低調になる時期に対応している。地温がスパイク上に低下するのは降雨や降雪によるためであり、その影響がなくなると再び沸点まで上昇している。これらの結果は、湯釜北東を中心とした領域に火山ガスが2008年頃から継続的に供給され続けていることを示しており、地震活動の変化にはほとんど関係なく、その供給量は年々増加していることを示している。また、地震活動の中心から放出している火山ガスであるにも関わらずその組成は北側噴気地帯のガス組成とは全く異なっていることは注目すべきである。
水位に見られるパルス状の増加は、機器異常によるものである。また湯釜火口湖の水温については、明瞭な年周変動が認められる。火山活動に起因する変化は見出せないが、湯釜水温は山頂の気温よりも通年で高く、最近の5年間は常時大量の熱が湯釜を通じて放熱さ213れていることを示している。東北地方太平洋沖地震の前後で変化は認められない。

図5

図6

水釜火口内の 1m 深地温の変動

湯釜北東湖岸の熱異常帯の地温変動（red）、湖水の水位（light blue）、湖水温（green）、気温(black)、降水量(blue)。
214

3)

噴気ガス及び湯釜火口湖の化学観測
図 7 に草津白根山山頂域の噴気地帯の分布を示す。2010 年秋頃から水釜と湯釜の接合部、水釜のピーク下付近の湯釜内火口壁に熱異常が現れ始め、2011 年にはその活動が顕著になり、弱い噴気活動が確認された。2012 年の熱活動の状況に変化はない。現在、湯釜内の内壁や湖岸には顕著な熱異常帯及び噴気が少なくとも 4 か所確認されており、その面積は僅かながら年々増加している。噴気温度はいずれもこの標高での沸点程度であるが、この結果は、この領域に火山ガスが継続的に供給され続けている事を意味する。
図 8 に草津白根山山頂北側に分布する噴気帯を示す。この噴気帯は約 1km にわたって沸点及びそれを超える噴気が円弧状に配列している。水釜北噴気の化学組成及び噴気温度の時系列を図 9 に示す。水釜北噴気では、2009 年 8 月に噴気温度が 104℃に上昇している。
この標高の沸点は 94℃であるので、加圧蒸気として放出されている。この時期は、前述の湯釜南方の地震活動の低下に対応している。その後、2011 年 6 月以降噴気活動は急速に弱まり、現在は停止しているが、その西側の噴気帯の活動が徐々に活発化しており、火山性流体の供給経路が変動したものと推察される。現在、湯釜南での微小地震活動が再び活発化しており、熱活動とも併せて、その関連性を明らかにする必要がある。
北側噴気の化学組成及び噴気温度の時系列を図 10 示す。北側噴気は、噴気温度が沸点を 10℃程度上回っており、加圧蒸気である。2009 年の地震活動が低調な時期に噴気温度は若干上昇している。H2S 濃度も僅かに上昇しているが、地震活動が再度活発化した時期に急激に低下し始めている。他の成分には顕著な変化が見られないことから、熱水貯留層内で固相の硫黄としての沈積が起こっている可能性がある。

215

図7

草津白根山山頂域の噴気地帯の分布。湯釜東噴気が 2011 年に顕在化した熱異常帯。

図8

草津白根山北側噴気地帯と代表的な噴気温度の分布

216

図9

図 10

水釜北噴気の温度、H2,CO2, H2S 濃度の時間変化

北側噴気の温度、H2S, H2 濃度の時間変化（2000 年~）
217図 11 に湯釜北東噴気の化学組成及び噴気温度の時系列を示す。

図 11

湯釜北東噴気の化学組成及び噴気温度の時間変化

湯釜北東噴気は、噴気温度が沸点を下回っており、加圧蒸気ではない。水釜北噴気に対応するような噴気温度の上昇は見られず、安定的な変動をしている。しかしながら、ドラ
イガス中の硫化水素の濃度は水釜北噴気や北側噴気より高く、水素濃度については数十倍高く、本白根山深部にあると考えられている stagnant マグマからの寄与が大きいものと考えられる。
湯釜火口湖水の陰イオン成分の時間変化を図 12 に示す。湯釜火口南側の地震活動が静穏だった 2009 年 7 月から 2011 年 6 月にかけては塩化物イオン濃度が上昇しており、火山ガスの変動と同調している。これらの陰イオンは火山ガス起源であり、この期間にマグマもしくは浅部熱水系からのガス供給量が増えていることを示唆する。2012 年からはこれらの濃度は再び上昇傾向に転じており、湯釜火口南側の地震活動が再び静穏になっていることから、ガス供給量が増大している可能性が高い。火山性流体の変動は水蒸気爆発発生の鍵であり、この変動は今後も注意深く観測していく必要がある。

218

図 12湯釜湖水中の塩化物イオン及び硫酸イオン濃度の時間変化

4) GPS 観測2009 年 9 月より、図 13 に示した 3 観測点において GPS の連続観測を開始した。KSE 及
び KSW 観測点の 3 成分の変動を、KSR を基準として図 14 に示す。2 つの測線ともに 12 月から 4 月にかけて大きな変動が見られるが、5 月からは 11 月以前の値に戻っている。これは、観測点の凍上によるものであり、今後改修する必要がある。なお、東北地方太平洋沖地震、及び長野県北部地震の影響は認められない。

図 13GPS 連続観測点の位置

219

図 14

2009 年 9 月から 2013 年 1 月までの KSR を基準とした KSE, KSW の PS 観測による変位測量結果。ここで 2010 年 4 月から 5 月までの欠測は、GLONASS チャンネルの変更に伴う受信障害、2010 年 1 月から 2 月の KSE の欠測は通信機器不良に伴う通信障害である。
5) ハイドロフォン観測2008 年より湯釜の中央と湖岸の 2 か所にハイドロフォンを設置し、水中音圧の観測を開始した。図 15 に日毎の平均値と振幅の二乗平均平方根の時間変化を示す。観測音圧の日平均値は、季節によらず、ほぼ一定値を示していたが、2011 年 7 月末から約 1 年間は何らかの原因（おそらくセンサーの不具合）により低下した。湯釜中央のセンサーは 2012 年 7月から 9 月にかけて音圧の日平均値が急激に上昇し、その直後に停止した。湖岸のセンサ
ーは 2012 年 7 月に回復している。一方、振幅の二乗平均平方根は、いずれの観測点においても冬から春にかけて値が大きくなる季節変化が認められる。湯釜火口の湖底からのガスの放出量の変動を表していると思われる。

220

図 15

ハイドロフォン観測値の日毎の平均値、及び振幅の二乗平均平方根。Center は中央、Shore は湖岸の観測点を示す。

(c) 結論ならびに今後の課題
2008 年から 2012 年末までの地震活動データ、地温・水温観測データ、噴気の化学観測データが蓄積されている。2009 年からは GPS データが取得されている。
221

2009 年 7 月ころから湯釜南方の地震活動が低調化しているのと同時期に、水釜北噴気では噴気温度の上昇が観測されている。また、2011 年夏頃には水釜北噴気は閉塞したが、これ以降地震活動が活発化している。湯釜湖水の化学組成も地震活動が低調な時期に各陰イオン成分濃度が上昇している。これらの結果は、湯釜直下にあると推定されている熱水貯留層からのガスや熱水の放出経路が一時的に確立されたことで、熱水貯留層周辺で地震を発生しにくくなった可能性がある。地震活動はその後活発化し、活動が継続しているが、これに対応するように湯釜湖水の陰イオン濃度低下が認められる。2011 年の秋以降、再び陰イオン濃度の上昇が認められるので、今後の地震活動の変動に注目する必要がある。
地熱活動領域はその後移動しており、火山性流体の経路の変化があった可能性が高い。
熱活動の表面現象と湯釜南領域での地震活動について、注意深く観測する必要がある。地磁気観測からは、草津白根山の山体が時間とともに帯磁する傾向があり、草津白根山が冷却しつつあると考えられている（気象庁地磁気観測所、2010 3））ので、湯釜南方が高温化した可能性は考えにくい。また変動を起こす場である火山体の構造(たとえば Nurhasan etal., 2006,小川ほか, 2011 2) )についての知見を深めることも、変動の本質的な理解にとって重要である。
2011 年 5 月 27 日 00 時 30 分頃、火山性微動の発生とともに、湯釜周辺に設置されている傾斜計が 1μ ラジアンを超える変動を示した。このような活動は、同火山に傾斜計が設置された 1990 年以降、初めてである。傾斜変動解析から、深部から本白根山中腹へ向けて上昇してきた熱水などの火山性流体が、キャップロック下部に沿って湯釜へと向かう流体輸送経路が、実際に活動したと考えられる。本活動において、湯釜などに異常は認められなかった。しかし、本事象は群発地震や火山性微動を伴っており、近年の草津白根山としては特筆すべき活動と言える。
水蒸気爆発場である草津白根山湯釜の地下浅部にあると考えられる熱水系に対して火山性流体が常時供給され、その量は年々増加している可能性が高い。このような火山性流体のパルス的 input が水蒸気爆発のトリガーになる可能性があると考えられる。今後、湯釜近傍の火山体の構造と熱水系の観測に加えて、深部からの火山性流体の供給経路や、広域での火山体の構造を理解する必要がある。

(d) 引用文献
1) Nurhasan, Y. Ogawa, N. Ujihara, S.B. Tank, Y. Honkura, S. Onizawa, T. Mori, andM. Makino, Two electrical conductors beneath Kusatsu-Shirane volcano, Japan, imagedby audiomagnetotellurics and their implications for hydrothermal system, EarthPlanets Space, 58, 1053–1059, 2006.
2) 小川康雄・Nurhasan・山脇輝夫,・野上健治・神田径草津白根火山の 3 次元比抵抗構造と新たな高温域との関係,CA 研究会、京都大学宇治、2011.
3) 気象庁地磁気観測所、草津白根山における地磁気全磁力変化、第 117 回火山噴火予知連
絡会資料、P12-13、2010

222

(e) 成果の論文発表・口頭発表等
著者

題名

発表先

発表年月日

雑微動相関による草津白根

日本地球惑星科

平成 23 年 5

山の構造時間変化検出の試

学連合 2011 年大月

み・ポスター会 千葉幕張山脇輝夫，青山裕，寺

草津白根山における広帯域

日 本 火 山 学 会

田暁彦，野上健治

地震観測・口頭2011 年秋期大会、 10 月

山脇輝夫

平 成 23 年

北海道旭川
山脇輝夫，青山裕，寺

草津白根山における広帯域

日 本 火 山 学 会

平 成 23 年

田暁彦，野上健治

地震観測・ポスター

2011 年秋期大会、 10 月
北海道旭川

神田径，小山崇夫，小草津白根山における地磁気

日 本 火 山 学 会

川 康雄，山脇輝夫，寺連続観測・口頭

2011 年秋期大会、 10 月

田暁彦，ボーンチャイ

平 成 23 年

北海道旭川

スク ソングフン
寺田暁彦，青山裕，野草津白根火山で 2011 年 5 月

日 本 火 山 学 会

平 成 23 年

上健治，山脇輝夫，齋

27 日に観測された火山性微2011 年秋期大会、 10 月

藤政城

動を伴う地殻変動－傾斜変

北海道旭川

動から示唆される浅部流体輸送過程－・口頭
Seismic noise analysis at
Kusatsu-Shirane volcano,
Japan
ポスター

米国地球物理学平 成 23 年

連合秋季大会 サ

12 月

山脇輝夫，野上健治，

草津白根山南部の地震活

日本地球惑星科

平成 24 年 5青山裕動・ポスター学連合 2012 年大月

Yamawaki, T., Aoyama,H.,

Terada,A.

andNogami, K.

ンフランシスコ会 千葉幕張(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

223