九大地熱・火山研究報告第 11 号 (2002) 101-105 頁

地磁気変化から見た九重硫黄山の熱源の冷却
小澤正幸＊・福岡晃一郎＊・西島潤＊＊・藤光康宏＊＊・江原幸雄＊＊

Cooling of the Heat Source beneath Kuju-Iwoyama Deduced from Geomagnetic Changes
Masayuki OZAWA*, Koichiro FUKUOKA*, Jun NISHIJIMA**,
Yasuhiro FUJIMITSU**and Sachio EHARA**
ABSTRACT
We carried out geomagnetic repeat observations at Kuju-Iwoyama, the central part of Kuju volcano in May, July, Octoberand December, 2001. We paid special attention to geomagnetic changes from May to July. In this period, geomagnetic total
force decreased on the north of Kuju-Iwoyama and decreased on the south of Kuju-Iwoyama. This change is thought to becaused by the magnetization with cooling of the heat source beneath Kuju-Iwoyama.
１．序論の北東山腹にある通称九重硫黄山地域で、活発な噴気高温の火山岩が冷却する際に、キュリー点を通過す活動を行っている。

ると、地球磁場の方向と同一方向に帯磁することはよ

九重火山の活動は今から 30 万年前（Watanabe et al.,

く知られている。この現象を利用して、地表での地磁1987）あるいは 14 万年前（鎌田，1997）頃に開始し、気観測から、地中で発生する熱的変化に伴う磁気的変数万年前には主要な活動は終了したと考えられてい化を知ることが可能である。
大分県九重火山の九重硫黄山地域では、1995 年の水蒸気爆発以後、地磁気連続観測が開始され、火山岩の冷却に伴う帯磁が原因と見られる 1 年間で約 40nTにも及ぶ全磁力変化が観測されている（田中ほか，1998）。また、1999 年 4 月から、2000 年 1 月にかけて、計 4 回地磁気繰り返し観測が実施され、火山岩の冷却に伴う帯磁が原因と見られる全磁力変化が観測されている（坂中ほか，2001）。
本論文では、2001 年に行った地磁気全磁力繰り返し観測の結果から得られた全磁力変化をもとに、その変化を説明する磁気ダイポールを推定し、九重硫黄山地域内部の磁気的および熱的変化の考察を行う。
２．
九重火山の概要
九重火山は九州中部に位置し（Fig. 1）、フィリピン海プレートの沈み込みに伴って形成された典型的な島弧の安山岩質火山である。この九重火山は、東西に22km、南北に 24km に広がっている約 20 個のドーム状火山体から構成されている。活動の中心は、星生山

Fig. 1 Location map of Kuju-Iwoyama* 九州大学大学院工学府地球資源システム工学専攻地球熱システム学研究室〒 812-8581 福岡県福岡市東区箱崎 6-10-1
Laboratory of Geothermics, Department of Earth Resources Engineering, Graduate School of Engineering, Kyushu
University, 6-10-1 Hakozaki, Higashi-ku, Fukuoka 812-8581** 九州大学大学院工学研究院地球資源システム工学部門地球熱システム学研究室〒 812-8581 福岡県福岡市東区箱崎 6-10-1
Laboratory of Geothermics, Department of Earth Resources Engineering, Faculty of Engineering, Kyushu University, 6-10-1
Hakozaki, Higashi-ku, Fukuoka 812-8581
101

小澤正幸・福岡晃一郎・西島潤・藤光康宏・江原幸雄

る。有史以後の活動に関しては、噴気活動の活発化あを行なった観測点のうち、N1C、P1L、E1A の観測結

るいは水蒸気爆発と見られる活動が 17 世紀半ば以降、果を、Fig. 3 に示す。5 月、7 月、12 月の観測結果と60 〜 100 年程度の間隔で生じている。このような背比較すると、10 月の観測結果にはマイナスの方向に景のもと、1995 年 10 月 11 日九重火山で 257 年ぶり磁気ノイズが混入していると考えられる。磁気ノイズに火山灰の噴出を伴う噴火活動が開始された。この噴の原因としては、地磁気の季節変化、九重硫黄山地域火により、噴気地域（A, B, C-region）の南方 300m のと基準点とした京都大学火山研究センターの地磁気変地点に新たに火口列（D-region）が東西に 350m にわ化の地域差、地磁気の擾乱などが挙げられ、種々検討たって形成された。また、同年の 12 月下旬にも火山したが原因を特定できなかった。この磁気ノイズの問

灰の噴出を伴う噴火が発生した。

題は今後引き続き検討したい。

３．地磁気全磁力繰り返し観測
3−1N1C

観測方法

970
960

13 〜 14 日、10 月 26 〜 27 日、12 月 25 〜 26 日の計 4950(nT)

観測は九重硫黄山地域で、2001 年 5 月 26 日、7 月回、行った。Fig. 2 に観測点の位置図を示す。

940

観測には、オーバーハウザープロトン磁力計（GEM930社製、GSM − 19）を用い、センサーの高さは、地上

920
5/1から 2m の位置に固定して、観測を行った。

6 /1 7 /1

8 /1

9 /1 1 0/1 1 1/1 1 2/1Date

2001 年 5 月 26 日、7 月 13 〜 14 日、10 月 26 〜 27日には、1 つの観測点につき 10 回連続して、観測した。

P1L
650で 5 分以上観測した。

640(nT)12 月 25 〜 26 日には、1 つの観測点につき 10 秒間隔

6306206106005/16 /1 7 /1

8 /1

9 /1 1 0/1 1 1/1 1 2/1
Date

E1A250(nT)240230220210200
5/1

6 /1 7 /1

8 /1

9 /1 1 0/1 1 1/1 1 2/1
Date

Fig. 3 Geomagnetic changes at N1C, P1L and E1A.
４．磁気ダイポールの推定
10 月の観測結果には磁気ノイズの混入が見られ、12 月の観測は悪天候のため観測点数が少なかったので、以下では 5 月 26 日から 7 月 13 日までの全磁力変Fig. 2 Location map of observation points.
3−2化に注目して、議論を進める。この期間の全磁力変化補正方法の空間分布を Fig. 4 に示す。

地磁気の永年変化、磁気嵐、日変化の影響を取り除Fig. 4 を見ると、全磁力は観測地域の北側で減少し、くために、九重硫黄山地域と南西に約 30km 離れた京南側で増加しており、対象領域内に現在の地球磁場方都大学火山研究センターでの全磁力値の差を用いた。

向と同一帯磁方向の磁気ダイポールがある場合と同じ変化と考えられるので、磁気ダイポールの位置と強度

3−3

観測結果を推定した。

2001 年の 5 月、7 月、10 月、12 月に繰り返し観測

磁気ダイポールの位置と強度は、共役勾配法によっ102

地磁気変化から見た九重硫黄山の熱源の冷却て最小二乗法的に決定した。決定するパラメータは、を見積もると、8.9 ± 4.9A/m となり、この値と比較す

磁気ダイポールの x、y、z 座標と、ダイポールモーメると、2A/m の磁化獲得は、やや少ないと考えられる。

ントの 4 個である。パラメータの初期値として、磁気ダイポールの位置を星生山の北 100m、東 100m、標高 1000 ｍとし、ダイポールモーメントの初期値を 1.0× 107Am2 として、反復計算を行った。残差の減少率が 0.1% 以下になった時点で収束と判定した。この際に用いた地磁気伏角と偏角はそれぞれ、+47°、-6°である。周辺の値とかけ離れた値を示す観測点 NR2、NR3、NC2、AF は、磁気ノイズが大きいと判断して、入力データから取り除いて計算を行った。

Fig. 5 Location map of the estimated magnetic dipole.
12
Observed value
Calculated value

10
Geomagnetic change (nT)Fig. 4 Distribution of geomagnetic changes from May 26
to July 13, 2001.
その結果、磁気ダイポールの位置は、星生山の北390 ｍ、東 327 ｍ、標高 1059 ｍ（深さ約 450m）の位置に求まり（Fig. 5）、ダイポールモーメントは、8.2286420-2× 106Am2 となり、田中ほか（1998）や坂中ほか（2001）-4と同様に 2A/m の磁化を獲得したと考えれば、半径-6KU1 SB P1L N1C NC1 AN SG NKS E1A SKS ER1 S0A SEA NR1

6399.4 ｍ（体積 4.11 × 10 m ）の球が帯磁したものと等

Observation point

Fig. 6 Comparison of observed and calculated totalmagnetic intensities.

価である。観測値と計算値のフィッティングの状態をFig. 6 に示す。1 個のダイポールだけでは、完全にはデータを説明できていないが、これ以上の収束は見ら５．議論れなかった。
この求められた磁気ダイポールについて考察する。

5−1

放熱量観測との比較

磁気ダイポールが発生した原因を、高温の火山岩が冷火山岩の磁化は、磁性鉱物のマグネタイトやチタノ

却される過程でキュリー温度を通過する際に獲得するマグネタイトによって起き、火山岩の磁化は温度の上帯磁によるものと仮定すると、2001 年 5 月から 7 月

昇とともに小さくなり、キュリー温度に達すると完全にかけての全磁力変化は、A-region の南端の地表下、に磁化を失う。それらの磁性鉱物を含む火山岩が、冷約 450 ｍ付近の領域で、火山岩が冷却されて、帯磁し却される際にキュリー温度を通過すれば、地磁気変化たために起こったのではないかと考えられる。

としてとらえることができ、逆に地磁気変化から、温ここでは、田中ほか（1998）や坂中ほか（2001）と度変化及び、磁化に寄与した熱エネルギーを見積もる

同様に 2A/m の磁化獲得を仮定したが、1978 年に行わこと可能である。

れた豊肥地域内の岩石試料の自然残留磁化、帯磁率測

九重硫黄山地域の構成岩石についての残留磁化−温定結果（電源開発㈱，1979）中の第四紀涌蓋山溶岩と度関係については未測定であるが、田中ほか（1998）

第四紀花牟札火山岩類の計 7 個の岩石試料から、全磁は九重硫黄山地域の構成岩石の残留磁化の強さを化（自然残留磁化と地球磁場による誘導磁化との和）2A/m と仮定し、熱エネルギーあたりの磁化変化効率103小澤正幸・福岡晃一郎・西島潤・藤光康宏・江原幸雄のよい温度領域が 200 〜 400℃であることを考慮して、球が次第に冷却していくことを仮定して、考えること磁化の獲得には、200℃程度の温度変化が必要であるにした。今回の観測結果から、50 日間で、体積 4.11として、火山岩の冷却に必要な熱エネルギーを推定し× 106m3 の火山岩の冷却を推定した。この体積は半た。
同様な方法で、2001 年 5 月 26 日から 7 月 13 日までの全磁力変化から求めた磁気ダイポールから、火山岩の冷却に必要な熱エネルギーを推定した。火山岩の冷却に必要な熱エネルギーは、質量（＝体積×密度）×温度変化×比熱で与えられる。火山岩の密度を 2300kg/m3、比熱を 1000J/kg ･ K とすると、今回の地磁気繰り返し観測の結果から、火山岩の冷却領域の体積を 4.11 × 106m3 と推定できたので、九重硫
黄山地域で失われた熱エネルギーは、50 日間で 1.89× 1015J（ ＝ 4.11 × 106m3 × 2300 kg/m3 × 200K ×1000J/kg ･ K）となり、時間率に換算すると 438MW

Fig. 8 Representative patterns of temperature change atB-region(B2a), C-region(C) and D-reigion(d).となる。
1997 年以降九重硫黄山地域の全体の放熱量（Fig.
7）は、約 600 〜 1100MW で安定しているので、この径 300m の球の場合、外側の厚さ 3.7m の球殻の部分、傾向が 2001 年まで続いていると考えると、地磁気変半径 250m の球の場合、外側の厚さ 5.4m の球殻の部分、化から推定した火山岩の冷却に寄与する熱エネルギー

半径 200m の球の場合、外側の厚さ 8.5m の球殻の部（438MW）の約 1.4 〜 2.5 倍大きくなる。放熱量と地分と同じ体積である。球殻の厚さ d の部分が熱伝導だ

磁気変化から推定した火山岩の冷却に寄与する熱エネ

けで冷却される期間τ t（熱的緩和時間）を以下の式

ルギーとの差は、地磁気変化から推定した冷却領域よで求めるとそれぞれ 40 日、84 日、209 日となり、今りも深部から供給されている熱エネルギーに起因する回の観測期間は 50 日間であるので、熱源自身は、熱と考えられる。

伝導的に冷却している可能性が考えられる。

7000

d2
τt =
4κ

6000

Heat discharge rate(MW)5000

τ t：時定数 (s)d：厚さ (m)κ：熱拡散率 1 × 10-6(m2/s)

4000
3000
2000
100000/7/1

黄山地域の水の質量バランス（Fig. 9, 10）が、重力変00/10/1

00/4/100/1/1

99/7/1

99/10/1

99/4/199/1/1

98/7/1

98/10/1

98/4/198/1/1

97/7/1

97/10/1

97/4/197/1/1

96/7/1

96/10/1

96/1/1

95/10/1

96/4/1

次に、1995 年噴火後から 1998 年にかけての九重硫

0動量と水蒸気放出量から求められている（Fujimitsu etDateal., 1999）。Fig. 9, 10 から、噴火に伴って地下の流体

Fig. 7 Temporal variation of total heat discharge rate from
Kuju-Iwoyama.
5−2が大量に大気中に放出されたため、九重硫黄山地域内部は一時的に地下水が欠損し、それを補うように大量1995 年噴火後の九重硫黄山地域の熱源冷却の地下水が周囲から供給されていくのがわかる。この噴火後の地磁気観測から得られた地磁気全磁力は、Mass decrease estimatedSteam discharge

ずれも、北側で減少し、南側で増加し、帯磁の傾向をfrom gravity change

89,000 t/day示しており、熱源は冷却し続けていると考えられる。

55,000 t/day

田中ほか（1998）、坂中ほか（2001）、そして本研究い

また、噴火後の火口・噴気温度（Fig. 8）は、長期的にみると低下しており、このことからも噴火後、火山活動が低下し、地磁気観測と同じく熱源の冷却の傾向がうかがえる。
この冷却について以下のように考えた。1995 年噴

Magmatic water

Underground water

Recharge from31,000 t/day

58,000 t/day

surrounding
3,000 t/day

火後、一貫して冷却が続いていることから、地下の高温部が次第に冷却していると考えることができる。まFig. 9 Mass balance of ground water from mid-October,
1995 to January, 1996.（Fujimitsu et al., 1999）

た冷却域の形状が分かっていないので、ある大きさの104

地磁気変化から見た九重硫黄山の熱源の冷却

Mass decrease estimatedSteam discharge

from gravity change

26,000 t/day

謝辞
本研究にあたり、京都大学理学研究科附属地球熱学研究施設火山研究センターの全磁力連続観測データを2,800 t/day

利用させていただいた田中良和氏、橋本武志氏、宇津木充氏に、この紙面をおかりして深く感謝の意を表します。

Magmatic water

Underground water

Recharge from

9,000 t/day

17,000 t/day

surrounding

参考文献

14,200t/day

電源開発株式会社（1979）；昭和 53 年度大規模深部地熱発電所環境保全実証調査報告書，27-28.

Fig. 10 Mass balance of ground water from January, 1996
to November, 1998.（Fujimitsu et al., 1999）

Fujimitsu,Y., Ehara,S., Nakano,Y., Nishijima,J. andことから、1995 年の噴火後、九重硫黄山地域の熱源

Koya,M. (1999); Water discharge and recharge balance

自身は熱伝導的に冷却しているが、周囲から供給されof Kuju volcano, Japan, deduced from thermal andる地下水によって、その熱は急速に地表にもたらされgravity measurements, Geothermal Resources Councilているていると考えられる。

Transactions, Vol.23, 415-418.

６．結論

鎌田浩毅（1997）；宮原地域の地質，地域地質研究報告，

2001 年 5 月、7 月、10 月、12 月の計 4 回、九重硫地質調査所，1-127.

黄山地域で地磁気全磁力繰り返し観測を行った。10月の観測結果には磁気ノイズの混入が見られ、12 月

坂中伸也・田中良和・宇津木充・橋本武志（2001）；の観測は悪天候のため観測点数が少なかったので、5

九重硫黄山での地磁気変化による噴気火道の形状推月から 7 月までの全磁力変化だけに注目して、解析を定，秋田大学工学資源学部研究報告，第 22 号，25-38.

行った。その結果全磁力変化は、熱源の冷却による火山岩の帯磁で説明がつくことがわかった。この変

田中良和・橋本武志・茂木透・江原幸雄（1998）；地化をもっともよく説明する磁気ダイポールの位置は、磁気変化から推定される九重火山の熱放出，科学研究

A-region の南端の地表下、約 450 ｍとなり、さらに費報告書「発達史的観点を取り入れた地熱構造の解明

2A/m の磁化を獲得したと考えれば、半径 99.4 ｍ（体とその地熱資源探査への応用に関する研究」，217-224.

63

積 4.11 × 10 m ）の球が帯磁したものと等価となる。
このような全磁力変化は、九重硫黄山地域の周囲か

Watanabe,K., Hayashi,M. and Fujino,T. (1987); Fission

ら供給される地下水が、熱源を冷却しているために起

track age of volcanoes in the Kuju volcanic region in

こっていると考えられる。

relation to geothermal activity, Jour. Geotherm. Res. Soc.

今後の課題として、観測を継続し、良質なデータ

Japan, Vol.9, No.3, 207-217.

を蓄積すること、及び基準点となる連続観測点を新たに九重硫黄山地域の周辺に設けることなどがあげられる。

105