2024 年京⼤知球会

退職記念講演要旨

桜島から教えてもらったこと−
ブルカノ式噴⽕偏重研究からの脱却
井⼝ 正⼈
1.

はじめに
私が 1981 年に勤務を始めた防災研究所附属桜島⽕⼭観測所は、1960 年に⽕⼭噴⽕発⽣の実践的予知研究を⽬的として設⽴されたものである。設⽴の契機になったのは 1955
年に始まった桜島南岳の爆発活動であり、その活動は翌1956 年にはさらに激しくなった。桜島では 1914 年に⼤正噴⽕と呼ばれる⼤規模噴⽕が発⽣していたため、活動の活発化に地元は⾮常に不安を覚えた。当時、理学部の教授であった故佐々憲三先⽣は、故吉川圭三先⽣（後に桜島⽕⼭観測所第 2 代所⻑）および故加茂幸介先⽣（後に第 3 代所⻑）と調査を⾏い、桜島の噴⽕活動は⻑期化するという⾒通しを⽴てた。⿅児島県を中⼼とする地元は国に対して恒常的観測施設の要望活動を⾏い、⽂部省は京都⼤学防災研究所に附属施設を設置することを決定した。京都⼤学が担当することになったのは、戦前より京都⼤学は理学部附属の阿蘇⼭の⽕⼭研究施設において観測研究を継続して九州に拠点を持っていたことによるが、学内において担当したのは 1951 年に新たに設置された新進気鋭の防災研究所であった。
設⽴当初から現在まで、災害を発⽣させる噴⽕はブルカノ式と呼ばれる爆発であり、主要な研究課題はブルカノ式噴⽕の発⽣を如何に予知するかであった。噴⽕活動の開始から 60年以上が経過した 2024 年現在では爆発活動は低下傾向を⽰す⼀⽅で、桜島の主マグマたまりがあるとされる姶良カルデラの地盤は着実に隆起と膨張を続け、⼤正噴⽕以降に蓄積されたマグマの量は⼤正噴⽕で噴出したマグマ量に匹敵する。⼤正噴⽕はプリニー式と呼ばれる⼤量の軽⽯を噴出する噴⽕に始まり、⽕砕流の発⽣を経て、溶岩流出に⾄った 20 世紀以降では我が国最⼤規模噴⽕である。したがって、このような噴⽕に対応するためには、これまでのブルカノ式噴⽕の研究成果に基礎を置きつつも、⽕⼭活動の基本原理に⽴ち返った新たな視点が求められる。
2.

ブルカノ式噴⽕研究の重要性
2.1 主要な噴⽕様式としてのブルカノ式
桜島⽕⼭は 1955 年から南岳及びその東の昭和⽕⼝において噴⽕活動を続けている。代表的な噴⽕様式はブルカノ式噴⽕である。ブルカノ式噴⽕とは、数分の間にマグマ物質を放出し、マッシュルーム状の噴煙を形成する噴⽕であり、強い空気振動（爆発⾳）と⽕⼭岩塊の放出を伴う。桜島のブルカノ式噴⽕では噴煙は⽕⼝上 5000m 以上の⾼度に達することもある。また、空気振動は⼭腹において 1000Pa を超えることもある。京都⼤学防災研究所桜島
⽕⼭観測所ではハルタ⼭（南岳⼭頂⽕⼝から 2.7km）において空気振動の振幅を 10Pa 以上の噴⽕を「爆発」として計数しているが、2023 年 12 ⽉までに 15002 回の爆発が発⽣している。
1955 年から 2023 年までの年間の爆発回数と⽕⼭灰放出量推定値を図 1 に⽰す。なお、⽕⼭灰放出量推定値は⿅児島県内 62 点（南岳から 50 ㎞以内）における⽉別降灰量から求めたものである。
過去 69 年間の噴⽕活動は 4 つの活動期に分けられる。1960 年に爆発回数のピーク（414回）を持つ第 1 活動期はブルカノ式噴⽕が繰り返された。1971 年には年間爆発回数が 10 回まで低下したが、1972 年 9 ⽉から爆発が頻発するようになり、10 ⽉ 2 ⽇の爆発では南岳⼭頂から 3.2 ㎞離れた古⾥温泉の海岸まで⽕⼭岩塊に達した。この爆発は第 2 活動期の開始を告げる象徴的な爆発と⾔える。第 2 活動期は、ブルカノ式噴⽕の発⽣回数が多いが、ブルカノ式噴⽕だけでなく、⽕⼭灰が連続的に放出される噴⽕もよく発⽣した。その結果、1985年に 2960 万トンの⽕⼭灰が放出されたのをはじめとして年間⽕⼭灰量が 1000 万トンを超えることも多く、降灰量が最も多かったのがこの時期である。
第 2 活動期は 21 世紀に⼊り急速に衰えたが、かわって 2009 年からは昭和⽕⼝における爆発回数が急増した（昭和⽕⼝活動期）。昭和⽕⼝は 1946 年に溶岩を流出した⽕⼝であるが、その後静穏であった。2006 年と 2007 年にマグマ⽔蒸気噴⽕が繰り返され、2008 年からはマグマ噴⽕に移⾏していた。2011 年には 1095 回の爆発が発⽣したように第 2 活動期よりも回数が多い。⼀⽅、⽕⼭灰量は第 2 活動期よりも少ないので、⼩規模爆発が頻発した時期と⾔える。なお、この活動期における南岳⽕⼝の爆発は 3 回に過ぎない。

図1

桜島における年間の爆発回数と⽕⼭灰放出量推定値（1955 年〜2023 年）

ところが、2017 年 10 ⽉ 30 ⽇から南岳に噴⽕活動の中⼼が回帰し、その状態が現在まで続いている（第 3 活動期）。この時期における爆発の定義を満たす噴⽕回数は過去の活動に⽐べてそん⾊ないが、⽕⼭灰量が年間 200 万トン以下と激減している。
2.2 ⽕⼭災害要因としてのブルカノ式噴⽕
このような 1955 年以降の桜島の噴⽕活動における噴⽕災害の要因は⽕⼭岩塊、⽕⼭レキ、⽕⼭灰、空気振動である。このうち⽕⼭岩塊、⽕⼭レキ、空気振動による災害はブルカノ式噴⽕により発⽣した。
図 2 に南岳爆発に伴う⽕⼭岩塊の到達距離を⽰す。距離 2.5km 以上は現地調査によって⽕⼭岩塊の落下が確認されている。距離 2.5km 未満の⽕⼭岩塊については、気象庁が発⾏する⽕⼭観測報に記述される合⽬に基づいて、合⽬の距離範囲における乱数（確率⼀定）で距離を与えた。気象庁は 2007 年 12 ⽉以降、噴⽕警報を発表しているが、特別警報に相当するレベル 5 の警報の発表基準の 1 つに⽕⼭岩塊の 2.4km を超える⾶散がある。2022 年 7⽉ 24 ⽇の爆発では、⽕⼭岩塊が 2.4km を超えて⾶散したとして気象庁はレベル 5 の噴⽕警報を発表したが、それ以前でも 20 回のレベル 5 の噴⽕警報に相当する爆発があったことが分かる。1972 年 10 ⽉ 2 ⽇と 1986 年 11 ⽉ 23 ⽇の爆発では⽕⼭岩塊が古⾥の海岸まで達した。特に、1986 年の爆発では⽕⼭岩塊がホテルを直撃して負傷者もでた。それ以外にも

家屋を直撃あるいは近傍に落下した事例も多い。

図2

南岳爆発に伴う⽕⼭岩塊の到達距離

⼀⽅、⽕⼭レキ、空気振動による被害には、家屋、建物の損傷が多い。図 3 にハルタ⼭（南岳⽕⼝から 2.7 ㎞北⻄）における南岳爆発による空気振動振幅の推移を⽰す。窓ガラスの破損などの被害があった事例（36 回）を■で⽰した。被害は 1984 年と 1985 年に集中しており、この時期の空気振動の振幅が⼤きい。桜島⽕⼭観測所（袴腰）の窓ガラスも割れたことがある。概ね 300Pa を超えると窓ガラスの破損などの被害の可能性が⾼まるといえる。

1200

ハルタ山空振振幅(Pa)

1000

空振推定値
被害を伴った空振

800
600
400200

南岳爆発回数

01955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020

図3500
4003002001000
1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020

南岳の爆発による空気振動振幅の推移。推定値は⿅児島地⽅気象台における空気振動振幅をハルタ⼭の距離相当に換算したものである。ハルタ⼭における空気振動観測は志⽥式微気圧計とアネロイド気圧計である。最近は低周波マイクロホンが⽤いられている。
2.3 ブルカノ式噴⽕に伴う現象の強さ−モニタリングの視点からブルカノ式噴⽕は爆発地震を伴う。⽕⼭においては A 型（⽕⼭構造性）地震、B 型（低周波）地震、爆発地震、⽕⼭性微動など多様な種類の地震が観測される。このうち、爆発地震は最も振幅が⼤きく、初動も明瞭であることが多い。1970 年代にはすでに震源位置が海⾯下 0−2 ㎞に決められており、初動は全⽅位に押しであることは早い段階で分かっていた。
さらに、波形の解析から初動は等⽅膨張、それに続く引き波は円筒型の収縮、さらにその後のレーリー波は極浅部の当⽅膨張と⽔平収縮により引き起こされていることが明らかになっている。すなわち、ブルカノ式噴⽕に伴う爆発地震は最も研究対象になりやすいのである。
ブルカノ式噴⽕に伴う地盤変動もよく観測されている。桜島⽕⼭観測所の草創期から観測壕を⽤いた地盤変動の観測は⾏われていたが、ブルカノ式噴⽕に伴う地盤変動を明瞭にとらえるには⾄っていなかった。これを解決したのが溶岩ドームを掘削して 1985 年に完成したハルタ⼭観測坑道（掘削全⻑ 250m）である。ハルタ⼭観測坑道に設置した⽔管傾斜計と伸縮計（基線⻑ 28m）によりブルカノ式噴⽕に同期する南岳⽕⼝⽅向の沈降傾斜と収縮ひずみを捉えただけでなく、噴⽕に前駆する南岳⽕⼝⽅向の沈降傾斜と収縮ひずみを検知することができた（Ishihara, 1990）。それまでは、B 型地震の群発現象がブルカノ式噴⽕の前駆現象として捉えれており、⿅児島地⽅気象台は B 型地震群発をもってしばしば臨時⽕⼭情報を発表して分活動に注意を促していた。当時、B 型地震群発は最も有効な予測⼿段であったが、観測坑道における⽕⼝⽅向の隆起傾斜と膨張ひずみの検知は、ブルカノ式噴⽕との対応関係においてそれをはるかに上回るものであった。

図43.

ハルタ⼭観測坑道におけるブルカノ式噴⽕に前後する地盤変動（Ishihara, 1990）

ブルカノ式噴⽕のメカニズムにみる揮発性成分の重要性
このようにブルカノ式噴⽕に関する研究はハザード要因としての重要性と観測のしやすさから⼤きく進展してきたが、依然として謎であるのはなぜ爆発地震は等⽅膨張により始まるかであり、しかも空気振動との並⾏観測によれば⽕道最上部に形成された溶岩ドーム破壊に対応する空気振動の発⽣より 1 秒以上も早い時刻に等⽅膨張は発⽣しているかである。Kanamori et al. (1984) のモデルによれば、⾼圧な粘性マグマを封⼊する蓋が取れることにより、下向きのシングルフォースと収縮⼒源が働くことになっている。収縮はマグマの噴出過程であり、下向きのシングルフォースは粘性により瞬時に噴出できないマグマの表⾯における圧⼒を 0 にするための反作⽤と解釈されている。マグマの圧⼒が⾼まれば蓋は取れそうであるが、その前に発⽣する等⽅膨張はどのように解釈されるのであろうか。
そこで、ブルカノ式噴⽕発⽣直前の地盤変動を詳しく⾒てみる。図 5 に地盤変動の拡⼤図を⽰す。ブルカノ式噴⽕に伴う空気振動（爆発）は 11 時 15 分 27 秒に発⽣しているが、⼩規模な収縮はその約 1 分前の 11 時 14 分 5〜30 秒頃に始まっている。すなわち、ブルカノ式噴⽕の発⽣により、前駆的な隆起・膨張は沈降・収縮に反転するが、その転換点は噴⽕の開始に対応せず、それ以前に沈降・収縮に転じていることが分かる。これを爆発地震の開始を含めて時系列に沿ってまとめると、11 時 14 分 5〜30 秒頃に収縮開始、11 時 15 分 26

秒に爆発地震の等⽅膨張、11 時 15 分 27 秒に蓋の破壊（空気振動発⽣）となる。このような⼩収縮➡膨張➡蓋の破壊という噴⽕発⽣までのプロセスは諏訪之瀬島やインドネシアのスメル⽕⼭の爆発でも時間スケールは異なるが同様にみられる。

図 5

ブルカノ式噴⽕に伴う地盤変動の拡⼤図。ブルカノ式噴⽕に伴う空気振動（爆発）は 11 時 15 分 27 秒に発⽣しているが、⼩規模な収縮はその約 1 分前の 11 時 14 分 5〜30秒に始まっている。
このような⼀連のプロセスは図 6 に⽰すモデルにより解釈される。１：ブルカノ式噴⽕
発⽣前には⽕道最上部に蓋としての溶岩ドーム、その下にガスたまりが形成されている考えられる（Ishihara, 1990）。⽕道にマグマが貫⼊し⽕道内の圧⼒が上昇する。２：⽕道内の圧⼒が上昇すると⽕道最上部からガスがリークする。爆発直前のガスリークは桜島や諏訪之瀬島で観察されている。ガスのリークによりガス溜まりの圧⼒は低下する。３：ガス溜まりの下に⽔に飽和したマグマが存在するとすれば、圧⼒低下により発泡が始まり、急激に体積が増加する。これが、爆発地震初動を発⽣させる等⽅膨張に対応する。４：発泡して体積が増加したマグマは急速に⽕道内を上昇し、蓋を破壊する。これが、ブルカノ式噴⽕の開始に対応する。２の段階において圧⼒低下は始まるが、３と４の段階では⼀時的に圧⼒が増加する。５：蓋が破壊された⽕道からは⽕⼭灰と⽕⼭ガスが噴出し、急激な収縮が始まり、圧⼒も低下する。この⼀連の現象の解釈において、爆発地震の等⽅膨張は⽔に飽和した⾼圧マグマの減圧による発泡現象であり、少なくともブルカノ式噴⽕は揮発性成分（⽔）を含んだ⾼圧マグマの減圧発泡現象とみることができる。以上のことから揮発性成分がブルカノ式

噴⽕発⽣に極めて重要な役割を果たしていると考えられる。

図64.

ブルカノ式噴⽕を⾼圧マグマの減圧・発泡現象とするモデル化

揮発性成分がより強く関与する噴⽕様式
ブルカノ式噴⽕発⽣には揮発性成分が重要な役割を果たしているが、⽕⼭噴⽕には揮発性成分がより強く関与するの発⽣様式がある。代表的な噴⽕様式に軽⽯を噴出するプリニー式噴⽕がある。桜島の⼤正噴⽕はプリニー式噴⽕が 1 ⽉ 12 ⽇の 10 時ごろに始まり、噴⽕活動は 1 ⽇程度続いた。13 ⽇の 20 時ごろには⽕砕流が発⽣し、その後、溶岩が流下しているのが確認されている。この⼀連の噴⽕活動の推移はマグマからの脱ガスの進⾏過程を⾒ていると考えればよい。噴⽕活動の初期段階においてプリニー式噴⽕が発⽣することは、揮発性成分を多量に含むマグマが貫⼊したことを意味する。貫⼊過程において脱ガスが顕著ではないと考えられるので、マグマの貫⼊速度が⼤きかったことを⽰唆する。噴⽕活動前の地震活動の激しさや地盤変動の⼤きさはそれを指⽰する。噴⽕活動の最終段階では、プリニー式噴⽕によって脱ガスしたマグマの溢れ出しである溶岩流出に⾄っている。

図7

1914 年桜島⼤正噴⽕の推移。

桜島の南岳噴⽕活動期においてもブルカノ式噴⽕だけでなく、ストロンボリ式噴⽕や⽕⼭灰連続放出が発⽣している。少なくともブルカノ式噴⽕は図 6 の 1 に⽰すように溶岩ドームとガスたまりが分離していて脱ガスが進⾏している段階での現象と考えられる。⽔溶性⽕⼭灰付着成分の量を⾒てみると⽕⼭灰連続放出はブルカノ式噴⽕と同様であるが、ストロンボリ式噴⽕はブルカノ式噴⽕より明らかに塩素、フッ素とも多く（図 7）ブルカノ式
噴⽕と⽕⼭灰連続放出は脱ガス後の古いマグマを放出しているのに対し、ストロンボリ式噴⽕は脱ガス前の揮発性成分を多量に含む新鮮なマグマの噴出と⾔える。

図7

噴⽕様式ごとの⽕⼭灰付着⽔溶性塩素とフッ素の量（Nogami et al., 2006 に加筆）

ストロンボリ式噴⽕は BL 型地震（先に述べた B 型地震のうち、1−3Hz の低周波成分が卓越するもの、B 型地震の⼤半を占める）の群発を伴う。したがって、BL 型地震が爆発に先⾏して多発することは、ストロンボリ式噴⽕からブルカノ式噴⽕への推移を意味する。これをマグマに含まれる揮発性成分からみると揮発性成分を多量に含むマグマの⽕⼝底への上昇過程から脱ガスマグマの噴出への過程とみることができる。詳細を図 8 に⽰す。1：⽕道内を揮発性成分に富むマグマが上昇し、⽕⼝底まで達する。この時、ストロンボリ式噴⽕が発⽣し、２：噴⽕に伴い脱ガスとマグマの結晶化が進⾏する。３：その結果、⽕⼝底には溶岩ドームが、その下にはガスたまりが形成される。Ａマグマは脱ガス後のマグマに位置づけられる。この段階で新鮮なＢマグマが⽕道内を貫⼊してくるとブルカノ式噴⽕に選考する地盤の膨張が観測される。この地盤変動の膨張源の深さは 4 ㎞付近と推定されているので、地盤の膨張はＡマグマの変化ではなく、Ｂマグマの貫⼊を⾒ている。４：Ｂマグマの貫⼊により、Ａマグマがブルカノ式噴⽕の発⽣として排出される。Ａマグマがすべて排出されるまでブルカノ式噴⽕は繰り返される。ストロンボリ式噴⽕後にブルカノ式噴⽕の発⽣回数が急増するのはこのためである。5-7：Ａマグマがすべて排出されるとＢマグマは⽕道内を上昇することができ、減圧により再びストロンボリ式噴⽕の活動へ移⾏する。Ｂ型地震群発は第 1、2 活動期において最も信頼のおけるブルカノ式噴⽕の前兆現象と考えられていたが、それでもＢ型地震群発後にブルカノ式噴⽕が発⽣しないことやＢ型地震群発なしにブルカノ式噴⽕が発⽣したことも多い。ブルカノ式噴⽕の発⽣には脱ガスマグマの存在と揮発性成分に富むマグマの新規貫⼊が必要とする図 8 のモデルに基づいて考えると、Ｂ型地震群発後にブルカノ式噴⽕が発⽣しないことはＢマグマの貫⼊がなかったことを意味する。
逆に、Ｂ型地震群発なしにブルカノ式噴⽕が発⽣することは、脱ガスマグマが依然として存在し続けていたところに、Ｂマグマが貫⼊してきたことを⽰唆する。

図8

ストロンボリ式噴⽕からブルカノ式噴⽕への推移。⽴尾・井⼝（2009）に加筆。

5.

まとめ
① 1955 年以降の桜島南岳活動はストロンボリ式噴⽕、ブルカノ式噴⽕、⽕⼭灰連続放出の 3 つの噴⽕様式で特徴づけられ、これらはストロンボリ式噴⽕→ブルカノ式噴⽕→⽕⼭灰連続放出の順に推移する。
② ブルカノ式噴⽕は短時間に⾼噴出率でマグマ物質を放出する。これらのマグマ物質は、⽕⼭岩塊、レキ、⽕⼭灰であり、南岳活動期における主要な⽕⼭災害の発⽣要因である。また、ブルカノ式噴⽕に伴う空振もしばしば被害を引き起こしてきた。
③ ブルカノ式噴⽕の解析から⽕⼭噴⽕は揮発性成分を含む⾼圧マグマの減圧発泡現象であることがわかるが、マグマからの脱ガスが進⾏して⽕⼭ガス溜まりと溶岩ドームが分離した状態で発⽣しており、その多くは脱ガスマグマを⽕⼭灰として排出している。
④ ストロンボリ式噴⽕は、より揮発性成分に富む新鮮なマグマの⽕⼝底までの上昇によって発⽣する。
⑤ ⼤規模噴⽕であるプリニー式噴⽕は揮発性成分を多量に含むマグマの速度の速い貫⼊により発⽣し、噴⽕に伴う発泡が顕著である。
以上のことから、⽕⼭噴⽕様式の多様性は揮発性成分の寄与が⼤きく、ブルカノ式噴⽕偏重研究には、⽕⼭活動全般を理解するのに限界がある。
⽂献
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