火山 第 48 巻 (2003)
第 1 号 145῍149 頁

解説ῌ紹介

マグマ供給系の構造と噴火機構のモデル化
ῌ物質科学研究からのアプロ῏チῌ
中 田 節 也῎
Magma Supplying System and Modeling of Eruption Mechanism
ῌApproach from Material Scienceῌ
Setsuya N6@696῎
1. は じ め にたῌ このモデル化に際してはῌ 物質科学的側面だけでは物質科学的に火山噴火を予知する上でῌ 初期噴出物のなく地球物理観測の結果も踏まえた総合的アプロ῏チが中に本質物質が有無を確認することと階段ダイアグラム

不可欠である῍ 本論では噴火予知研究に関する物質学的の適用の重要性とその問題点を 5 年前の本シンポジウム側面の現状をいくつか拾い上げῌ マグマ供給系を理解すにおいて強調した ῑ中田ῌ 1997ῒ῍ またῌ その際ῌ 21 世紀る上で重要ないくつかの成果を示しῌ 実現した火道掘削に取り組む課題としてῌ 放射非平衡を利用したマグマの研究の紹介を簡単にする῍

地殻滞留時間の測定や脱ガスプロセスを解明するための手段として火道の掘削を挙げた῍

2. 地質岩石学的手法からの噴火予知の現状

その後ῌ 雌阿寒岳ῌ 駒ヶ岳ῌ 九重火山ῌ 有珠山ῌ 三宅

噴火履歴の定量的解読によって経験則を見つけだしῌ

島の噴火を迎えῌ 先に挙げた 2 つのツ῏ルが噴火予知のそれによって将来起こりうる噴火の開始時期ῌ 様式ῌ 噴

即戦力としては問題が多いことが思い知らされた気がす出量についておおざっぱな予想をすることが可能になる῍ またῌ 伊豆大島 1986 年噴火ῌ 普賢岳 1990ῐ95 年噴火を初めῌ 有珠山῎三宅島 2000 年噴火ではῌ それぞれの火山で直近の噴火とは全く異なる様式で噴火が推移しῌ
それぞれの火山において直近の噴火事例のみをもって噴火の推移予測をすることがいかに危険であるかが明らかにされた῍ しかしῌ 一方でこれらの噴火はそれぞれの火山で決して初めてのものではなくῌ 何らかの形でῌ 過去に起こった噴火に類似することも事実であった῍ このためῌ 今の噴火予測技術をより実用化する上においてはῌ有史の記録がある噴火だけではなくῌ その火山の生い立ちから噴火履歴を洗い直すなどῌ 噴出物調査やその解析に基づく基礎研究の積み上げが必要であることがあらためて認識された῍ その際ῌ 単なる基礎研究の積み上げだ
けではなくῌ より定量的な結果に基づいた噴火予測のためのモデル化が重要であることは言うまでもない῍ ま῎ ΐ113῍0032 東京都文京区弥生 1῍1῍1
東京大学地震研究所火山噴火予知研究推進センタ῏Volcano Research Center, University of Tokyo, 1῍1῍1Yayoi, Bunkyo-ku, Tokyo 113῍0032, Japan.
e-mail: nakada@eri.u-tokyo.ac.jp

Fig. 1. Cumulative volume of eruption products(dense rock equivalent, DRE) plotted against
the ages of eruptions (step diagram) of Miyakejima volcano (from Tsukui et al., 2001).
Caldera collapses occurred 2,500 years ago andin AD 2000.

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中 田 節 也る῍ 特にῌ 噴出時間と積算噴出量を示した階段ダイアグラムが重要視されῌ 多くの地質研究者がその作成に精力を注いできた῍ しかしῌ 階段ダイアグラムでは長期間にわたる平均的なマグマ生産率ῌ あるいは噴出率を理解しやすいがῌ それに基づいてῌ 迎える噴火の推移や継続時間などについての予測を行うのは現状では困難であると言わざるを得ない῍ 例えばῌ 潜在ドῐムの活動が繰り返して起こる有珠山のような噴火においては階段ダイアグラムすら作ることができない῍ またῌ 三宅島 2000 年噴火のような地下での大量マグマの貫入イベントが起こる場
合にはῌ 階段ダイアグラムを用いての活動評価はやはり困難である (Fig. 1)῍ 現状では少なくとも 1 万年程度はさかのぼってῌ その火山が経てきた噴火を洗い出しῌ 噴
火様式にどれだけのスペクトルがありῌ その頻度がどうであったのかをできるだけ定量的に捉えておくことが重要であろう῍ この意味ではῌ 現在ῌ 富士山で行われているハザῐドマップ作りで実施されている研究 ῑ藤井ῌ 本シンポジウムを参照ῒ はῌ 今後の噴火予知の物質科学的研究の雛形でありῌ 試金石になりうるものかもしれな
い῍
噴火の初期に放出されたῌ 新しいマグマに由来する火山灰 ῑ本質物質ῒ からマグマの情報を読みとりῌ その後の噴火の推移予測に役立てることがいくつかの火山噴火で試みられた῍ 噴出物の中に本質物質が存在しῌ それがFig. 2. The largest eruption in the Miyakejima 2000
eruption, whose ash cloud reached about 16 km
above sea level. Taken from Mikurajima on theAug. 18 evening. Courtesy of K. Takeiri.

時間とともに増加すればῌ 活動の活発化が予想されるからである῍ しかしῌ 新たに開口したばかりの火口から放3. 噴出物からみたマグマ供給系のモデル

出される様῏の岩片の中からῌ 少ない量の本質物質を見

これまでにῌ 噴出物の研究から地下のマグマ過程につ極めるためには高度ῌ かつῌ 総合的な地質岩石学的知識いていくつもモデルが提案されてきている῍ そのひとつと英断が必要である῍ 九重火山の 1995 年の噴火や有珠にῌ 噴出前に地下で組成の異なるマグマの混合が起こっ山の 2000 年の初期の噴火では本質物質が認められたがῌておりῌ それが間接的あるいは直接的な噴火の引き金にその直後にはῌ 噴出物中の本質物質の量は減少するととなっているというモデルがある῍ もし混合前のマグマのもに噴火活動は沈静化に向かった῍ 三宅島の 2000 年噴状態やマグマ混合の瞬間をῌ 地球物理学的な連続観測に

火ではῌ 噴出火山灰中に本質物質が存在すると主張する

よって捉えることができたならばῌ 噴火の中期的予測が産総研研究者とῌ それは疑わしいとする地震研研究者が可能になるかもしれない῍

議論を交わしている最中の 8 月 18 日にῌ それまでで最例えばῌ 駒ヶ岳の 1929 年噴火の研究ではῌ 結晶質でお大規模の噴火が起きῌ 火山弾やその破片が住宅地に達す

粥状 ῑクリスタルマッシュῒ マグマ溜まりにより高温でる所まで放出された ῑ例えばῌ 宇都῎他ῌ 2001ῒ (Fig. 2)῍

より苦鉄質のマグマが注入しῌ それが噴火の熱的引き金

この火山弾自身もその後の議論の対象になりはしたものと な っ た と 提 案 さ れ た (Takeuchi and Nakamura,のῌ この本質の可能性が高い物質の本格的噴出によって2001)῍ このようなお粥状マグマ溜まりに高温マグマがその後の噴火に対して厳戒態勢をとることになった῍ し断続的に注入するモデルは熱的にも安定であるらしいかしῌ 実際には 8 月 18 日のできごとが噴火活動として(Koyaguchi and Kaneko, 2000)῍ 雲仙普賢岳噴火でも同はクライマックスであった῍ このようにῌ 本質物質から種のマグマ混合が起こったことが提案された ῑNakam-

正確ῌ かつῌ 迅速に地下のマグマの状態を理解するのは

ura, 1995 などῒ῍ 雲仙火山ではῌ 最近約 300 年間の溶岩難しくῌ しかもタイムリῐな予測はなかなか厳しい῍

中の斑晶の同位体局所分析からはῌ ほとんどの斑晶が石基 ῑメルトῒ とは非平衡でありῌ かつῌ 約 300 年間同じ斑晶が含まれ続けることを示した (Nakai et al., 2002)῍マグマ供給系の構造と噴火機構のモデル化

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このことからῌ 斑晶の多くが外来性であることが指摘さた火山噴火の噴出物の研究からもより明らかになった῍

れῌ 長時間存続した母岩の部分溶融部がお粥状マグマ溜

噴火様式の本質的な違いは上昇中におけるマグマの脱ガまりの実体である可能性が提案される῍

ス効率であると結論することができる῍

一方ῌ 伊豆大島 1986 年噴火においては異なる組成の減圧に伴うマグマの発泡によって気泡が成長しῌ 気泡マグマが噴出しῌ 岩石学的検討から複数のマグマポケッ同士が連結する῍ 脱ガスは連結した気泡の隔壁の穴や隙トが存在したと提案された ῑ荒牧῎藤井ῌ 1988ῒ῍ その後間を通して効果的に起こると考えられている῍ このたの地震波の散乱を使った研究ではῌ これに見合うようにめῌ 気泡の連結度とマグマの上昇に要する時間 ῑ上昇速

複数のマグマ溜まりが地下に存在することが示された

度の逆数ῒ のかけ合わせたようなものが脱ガス効率を決(Mikada et al., 1997)῍ またῌ 三宅島 2000 年噴火でも 2 種めていると単純化して考えることが可能である῍ 一方ῌ

類の本質物質が出現しῌ 深度の異なるマグマ溜まりに由メルトの脱水が十分に進行するとメルトの粘性率が上昇来するものと提案された ῑ中川῎他ῌ 2001ῒ῍ 三宅島のする῍ このためメルトから気泡への揮発性成分の拡散にGPS 観測によっては地下約 8 km にマグマの蓄積が起よる気泡成長率は低下するがῌ マグマの減圧による気泡こっていることが示され ῑ渡辺῎他ῌ 2000 未公表ῒῌ 2000の膨張によって気泡は成長しようとする῍ 粘性率の上昇

年噴火では地下約 3 km 以深にマグマ溜まりがあることが気泡の膨張を妨げれば気泡中の圧力は増加し続ける῍が地震学的に示された ῑ酒井῎他ῌ 2000 未公表ῒ῍ さら

このためῌ 脱ガスがより進行しながらも発泡したマグマにῌ 東宮 (1995) は有珠山の 2000 年噴火の前にῌ 4ῐ5 kmの過剰圧が蓄積されて爆発的噴火を起こすことがありうと 10 km の深さに異なるマグマ溜まりがあることを実ることになる῍ このように一見矛盾することが起こり

験岩石学的に予想した῍ 2000 年噴火では地殻変動や地震

得ῌ マグマの上昇速度が一義的にマグマの噴火様式を決活動の解析から有珠山の下約 3 km と 10 km にそれぞれめているとは言えないなどῌ 脱ガス過程は複雑である῍

マグマ溜まりが存在し下部溜まりからのマグマの移動がMelnik and Sparks (1999) が行った火道をゆっくり上噴火に先行したと解釈されている ῑ渡辺ῌ 2003 本シンポ昇するマグマのモデル計算によるとῌ 火道最上部においジウムῒ῍て過剰圧が最大になる場所がある῍ これはῌ 減圧による気泡の成長ῌ 脱水によるマグマの物性変化ῌ 脱ガスによ4. 噴火様式と脱ガス過程の複雑さるマグマの圧密効果などを組み合わせた結果として生じ噴火の推移予測が難しい原因のひとつには噴火プロセるものである῍ 天然の系ではこれに減圧による結晶作用スの複雑さがある῍ 例えばῌ プリニ῏式噴火と溶岩ド῏が加わるためῌ 火道浅部ではより効果的な過剰圧上昇がム噴火の違いはῌ マグマが地下でもっている初期揮発性期待される (Sparks, 1997)῍ このような火口直下での過成分量の差には依存しないことがここ約 10 年に起こっ剰圧の上昇モデルはῌ 火山体の浅部でおこる火山性地震

Fig. 3. Temporal changes in the depth of LF hypocenters, e#usion rate and properties of lavas during the 1991ῌ
1995 eruption at Unzen. Although hypocenters contains vertical uncertainties up to 500 m, the temporal
relationship does smaller uncertainties. Data from Kyushu Univ. Porosity was calculated from apparent speciﬁcgravity, assuming the speciﬁc gravity of non-vesiculated lava as 2.5. Water content was treated as deﬁciency ofXRF analytical total from 100 wt%.

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中 田 節 也の巣やῌ 地殻変動や小爆発の圧力源が浅部にあることなどを上手く説明することができる῍ 普賢岳の溶岩ドῐム
噴火において観察された溶岩噴出量の時間変化の波ῌ 浅部低周波地震ῌ 初期のブルカノ式噴火やῌ 噴出物に見られた岩石学的な特徴の系統的な変化 (Fig. 3) はこのような火道上部で起こるマグマのプロセスによって説明されうる可能性が高い ῒ例えばῌ Nakada et al., 1999ΐ῍
5. 火道掘削と脱ガス過程の研究

火山体深部への掘削は 3 次元的に火山の構造を理解する上でῌ 最も効果的で確実な方法である῍ 掘削による火山体の本格的な調査はῌ これまでῌ 地熱開発に伴うものを除いてほとんどやられてこなかった῍ 1999 年から 6 カ年計画で始まった雲仙火山の科学掘削研究 ῒ科学技術振興調整費総合研究ῌ 代表῏ 宇都浩三ΐ ではῌ 雲仙火山の火山体およびマグマ発達史と火山性地溝の発達過程が解Fig. 4. Trajectory of conduit drilling of the Heisei
Shinzan at Unzen. After Sakuma (2002).

される῍

明されつつある῍ 例えばῌ 1) 雲仙火山の 50 万年間の歴

物質科学的アプロῐチの重要な研究としてῌ ここで一史を通して地溝とマグマの活動がそれぞれ一定の速度で部紹介した微小部分分析などῌ より精度を上げたミクロ起きていたわけではないことῌ 2) 火山活動の中心域が部分の分析技術を導入した岩石化学的研究と同時にῌ マ

時代と共に西部から東部に移動してきたことῌ 3) 雲仙

グマの条件を再現した実験岩石学的研究が挙げられる῍

火山の活動史の初期には玄武岩とデイサイトマグマが同噴出物や火道に残っている溶岩から得られる組織などの時に活動していたことῌ などが分かってきている῍ さら

岩石学的情報がῌ どのようなマグマ過程で作り出されたにῌ 4) 雲仙火山の発達の初期にはῌ 現在の非爆発的な噴かを減圧と脱ガス速度をコントロῐルした条件で再現し火活動とは異なりῌ 軽石流を含む爆発的な噴火活動が起てみせること ῒ例えばῌ Gardner et al., 2000ΐ はῌ 今後のきていたことも明らかになった῍ すなわちῌ マグマの組

噴火予知の物質科学的な研究において極めて重要になる

成は角閃石῎黒雲母を含むデイサイトと共通しほとんどであろう῍ このような実験岩石学的な成果をῌ マグマの変化していないにもかかわらずῌ 噴火様式は火山体の発上昇過程を主にモニタῐできる地球物理学的観測とリン達とともにより溢流的なものに移行してきたことになクすることによってῌ 今まで以上の噴火機構のモデルがる῍ この噴火様式の時代的進化の原因を探ることが山体噴火のつど作成できるようになると期待される῍から火道にかけての一連の掘削研究のゴῐルのひとつでもある῍ 2002 年度末からはῌ 平成新山 ῒ普賢岳溶岩ドῐ
ムΐ の火道上部に向けた掘削が開始される῍ この掘削によってῌ 平成噴火で効果的な脱ガスがどのように起きたかの現場検証が行われる予定である (Fig. 4)῍
6. お わ り に噴火機構を解き明かす上で火道やマグマ溜まりを標的にした掘削で得られる知見は多い῍ 掘削研究はῌ 脱ガスプロセス解明だけでなくῌ 噴火経歴の解読や火山体構造を 3 次元的に理解する上でも今後不可欠な研究手段となると思われる῍ またῌ その掘削坑を利用したより深部での地球物理観測によってῌ 地表のノイズを取り去ることができῌ 多点観測を行うことにより地下立体アレイを作り上げることができる῍ これによってῌ 噴火の前兆や噴火中の現象をより精度よくとらえることができるようになりῌ 噴火機構を理解する上で重要なものになると期待

引用文献
荒牧重雄῎藤井敏嗣 (1988) 伊豆大島火山 1986ῑ1987 年
噴火の岩石学的῎地質学的モデル῍ 火山ῌ 33, S297῍
S306.
Eichelberger, J. C., Carrigan, C. R., Westrich, H. R. andShannon, J. R. (1986) Non-explosive silicic volcanism.
Nature, 323, 598῍602.
Gardner, J. E., Hilton, M. and Carroll, M. R. (2000)
Bubble growth in highly viscous silicate melts duringcontinuous decompression from high pressure. Geochim.
Cosmochim. Acta, 64, 1473῍1483.
Koyaguchi, T. and Kaneko, K. (2000) Thermal evolutionof silicic magma chambers after basalt replenishments.
Trans. Royal. Soc. Edinburgh Earth Sci., 91, 47῍60.
中川光弘῎宮坂瑞穂῎中田節也 (2001) 伊豆諸島三宅島
火山の岩石学的研究ῌ西暦 2000 年噴火のマグマ供給システムῌ῍ 地球惑星科学関連合同大会予稿集ῌ V0῍
23.
Melnik, O. and Sparks, R. S. J. (1999) Nonlinear dynamics

マグマ供給系の構造と噴火機構のモデル化
of lava extrusion. Nature, 402, 37῍41.
Mikada, H., Watanabe, H. and Sakashita, S. (1997) Evidence for subsurface magma bodies beneath Izu-Oshima
volcano inferred from a seimic scattering analysis andpossible interpretation of the magma plumbing system of
the 1986 eruptive activity. Phys. Earth Planet. Int., 104,257῍269.
中田節也 (1997) 噴火予測に関する地質学῎岩石学的研究の問題と将来展望῍ 火山ῌ 42, 111῍114.
Nakada, S. and Motomura, Y. (1999) Petrology of the1991῍1995 eruption at Unzen: e#usion pulsation andgroundmass crystallization. J. Volcanol. Geotherm. Res.,89, 173῍196.
Nakada, S., Shimizu, H. and Ohta, K. (1999) Overview ofthe 1990῍1995 eruption at Unzen Volcano. J. Volcanol.
Geotherm. Res., 89, 1῍22.
Nakai, S., Maeda, Y. and Nakada, S. (2002) Common
origin of plagioclase in the last three eruptions of Unzen
volcano, Japan. In Extended abstract, “Unzen Workshop
2002,” 8῍59.
Nakamura, M. (1995) Continuous mixing of crystal mush149

and replenished magma in the ongoing Unzen eruption,Geology, 23, 807῍810.
Sakuma, S. (2002) Planning the well for conduit drilling. In
Extended abstract, “Unzen Workshop 2002,” 34῍36.
Sparks, R. S. J. (1997) Causes and consequences of pressurization in lava dome eruption. Earth Planet. Sci.
Lett., 150, 177῍189.
Takeuchi, S. and Nakamura, M. (2001) Role of precursory
less-viscous mixed magma in the eruption of phenocrystrich magma: evidence from the Hokkaido-Komagatake
1929 eruption. Bull. Volcanol., 63, 365῍376.
津久井雅志῎新堀賢志῎川辺禎久῎鈴木裕一 (2001) 三
宅島火山の形成史῍ 地学雑ῌ 110, 156῍167.
東宮昭彦 (1995) 有珠火山は今後も噴火し続けるか῍ 岩
波科学ῌ 65, 692῍697.
宇都浩三῎風早康平῍ 齋藤元治῎伊東順一῎高田 亮῎川辺禎久 ῎ 星住英夫 ῎ 山元孝広 ῎ 宮城磯治 ῎ 東宮昭
彦῎佐藤久夫῎濱崎聡志῎篠原宏志 (2001) 三宅島火山 2000 年噴火のマグマ上昇モデルῌ8 月 18 日噴出物
および高濃度 SO2 火山ガスからの考察ῌ῍ 地学雑ῌ110, 257῍270.