火山 第 48 巻 (2003)
第 1 号 151῍156 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地球物理観測からのアプロῐチῌ
清水洋῎

Magma Supplying System and Modeling of Eruption Mechanism
ῌApproach from Geophysical Observationsῌ
Hiroshi S=>B>OJ῎
1. は じ め にあると解釈されるなどῌ 深さ 3 km 程度より浅部の基本

火山噴火予知計画に基づく観測網の整備によりῌ 雲的῎一般的な火山体内部構造モデルが得られた῍ またῌ仙ῌ 有珠ῌ 三宅島などῌ 最近の主な噴火に対してはῌ 確

これらの探査と並行してῌ 火山体のように強度に不均質実に前兆現象をとらえて事前に情報発信することができな媒質に適用可能なトモグラフィῐ手法 (Nishi, 2001)

るようになった῍ しかしῌ 噴火開始以降の活動推移予測が開発されて雲仙火山に適用されῌ 地殻変動から推定さはῌ 依然として容易ではない῍ 特にῌ 2000 年三宅島噴火れた圧力源の一つ (A-Source) に対応する低速度域が見のように活動が過去の事例から逸脱して新たな展開を見出された (Nishi, 2002)῍ この圧力源はῌ 噴火活動にともせた場合ῌ 経験的予測手法では限界がありῌ マグマの物なって発生した孤立型微動の震源域 ῒ清水ῌ 1992ΐ とも理῎化学モデルに立脚した定量的な予測手法の開発が必一致している῍ 岩手山においてはῌ 3 次元速度構造を用要である῍

いた震源決定法の開発が行われῌ トモグラフィῐで得ら

ここではῌ 火山活動の定量的予測の基礎となる火山体れた構造を用いて震源再決定を実施したところῌ 地震活およびマグマ供給系の構造と噴火機構のモデル化につい動が高速度の貫入岩体の周辺に集中的に発生している様てῌ 地球物理観測に基づく最近の研究成果のうち地震学子が明らかになった (Takana et al., 2002) (Fig. 1)῍ これ的手法によるものを中心に概観しῌ 課題と展望を述べらの結果はῌ 地震や微動の発生がマグマ供給系と密接にる῍関係していることを示しておりῌ これらの地震῎微動の発生機構の解明とそれに基づく噴火機構の研究の進展に2. マグマ供給系の構造つながるものとして注目される῍ このようにῌ これまで火道やマグマ溜りなどのマグマ供給系の構造解明を主の火山体構造探査実験を通じてῌ 火山体浅部における比目的としてῌ 火山体構造探査実験が第 5 次計画から年次

較的長波長の不均質構造のイメῐジング手法が確立さ的に実施されてきた῍ その結果ῌ 火山体下で高速度域がれῌ 不均質構造とマグマ活動との関連性が議論できるよ

浅く盛り上がるという伊豆大島や磐梯山で見出された特うになったことはῌ 火山性地震῎微動῎爆発などの発生

徴 ῒ植木ῌ 1990ΐ がῌ 他の火山においても確かめられ ῒた場の解明に向けて大きな進歩であった῍

とえばῌ 筒井῎他ῌ 1996῏ Tanaka et al., 2002ΐῌ 多くの火

しかし一方でῌ 本来の目的であったマグマ供給系の構山に共通の特徴であることが明らかになった῍ これらは造解明という点ではῌ 問題点や課題も明らかになった῍

過去にマグマが浅部に向けて上昇῎固化した貫入岩体で第一はイメῐジングの分解能の不足である῍ 初動走時を用いた屈折法やトモグラフィῐでは分解能は 1 km が限

῎ ῔855῍0843 島原市新山 2῍5643῍29
九州大学大学院理学研究院附属地震火山観測研究センタῐ
Institute of Seismology and Volcanology, Faculty ofSciences, Kyushu University, Shin’yama, Shimabara
855῍0843, Japan.
e-mail: shimizu@sevo.kyushu-u.ac.jp

界でありῌ 径数 10 mῑ数 100 m 程度と推定される火道のイメῐジングはきわめて困難である῍ 今後はῌ 回折波や反射῎散乱波などの波形を用いた探査および解析手法の開発に取り組みῌ イメῐジングの空間分解能を向上させることが必要である (Mikada et al., 1997)῍
第二はῌ 探査深度の不足である῍ これまでの地球物理

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清水洋

Fig. 1. Eastῌwest cross section of P-wave velocity structure and hypocenter distribution at Iwate Volcano(provided by Tanaka).

諸観測によればῌ 多くの火山においてマグマ溜りは 5῏km 以上の探査深度を得ることを試みた῍ そのためῌ 大10 km の深さに存在すると推定されるがῌ 現在の火山体型バイブレ῎タ 3 台を用いて 1 点あたり 34 回の発震を構造探査の規模では人工地震の初動 ῐ直達波ῌ 屈折波ῑ

行って S/N 比を上げるとともにῌ 発震点と受振点間隔は約 3 km 程度しか潜らずῌ 想定されるマグマ溜りの深をそれぞれ 50 m と 25 m として空間分解能を上げた῍ そ度に到達しない῍ 探査規模 ῐ測線長ῑ を 100 km 程度に拡の結果ῌ 測線のほぼ全域にわたって良好な記録が得ら大することが最も直接的な解決策であるがῌ 現有の装れῌ 反射法処理によって求められた深度断面からῌ 深さ

備ῌ マンパワ῎ῌ 経費などを考えると実現は容易ではな

約 3 km までの地溝帯の構造のほかῌ 火道に対応するとい῍ したがってῌ 初動だけではなく反射波などの後続波考えられる構造がイメ῎ジングされた῍ またῌ 下部地殻も用いた探査を検討する必要がある῍ またῌ 上部マントからの反射波も検出された῍ このことはῌ 反射波の利用

ルまで含めたより深部のマグマ供給系の解明には自然地が分解能と探査深度の向上にきわめて有効であることを震の利用が不可欠であるがῌ 現状では分解能が不足して示すものでありῌ 今後の火山体構造探査の方策についておりῌ Hi-net などの広域地震観測網の活用やῌ 人工地震一つの指標を与えるものであると考えられる῍

探査の結果を用いて浅部構造をはぎ取る等の工夫が必要であろう῍

第 6 次計画では火山の静的な構造の把握に加えῌ マグ
マの移動など火山体の状態変化を構造の時間変化として

雲仙火山では平成 11 年度から振興調整費による ῒ雲とらえる試みもなされた῍ 岩手山ではῌ 1999 年῏2001 年

仙科学掘削プロジェクトΐ が進行しておりῌ 平成 14 年度に人工地震を用いた探査が同じ場所で 4 回繰り返し実施

からはῌ 山腹から斜め掘りして海水準付近で火道を掘りされῌ 地震波線が通過する山体浅部にはこの間有意な速抜く作業に着手することになっている῍ この火道掘削の度変化がなかったことが確認された῍ しかしῌ 1998 年 9

ためには火道の位置について事前に正確な情報が必要で月に岩手山の南西で発生した M6.1 の地震の前後でῌ 爆あることからῌ 2001 年 12 月に火道検出を主目的とした

破地震動グル῎プなどによる人工地震探査が実施されῌ

人工地震探査が実施された῍ この探査ではῌ 反射法を主岩手山周辺域の地震波速度が最大 1% 減少していること体としῌ 分解能をできる限り上げることと少なくとも 10が後続波の位相遅れから確認された (Nishimura et al.,

マグマ供給系の構造と噴火機構のモデル化

1532000a)῍ さらにこの地震の前後で散乱体の位置も変化しリッド重力観測は火山性流体の変動を捉えるための最有ていることがアレイ観測によって検出された (Matsu-力手法の一つになると考えられる῍ さらにῌ 観測井の中

moto et al., 2001) (Fig. 2)῍ これらのことからῌ 人工地震に電極を多数設置して電場の鉛直成分の鉛直勾配を測定

探査とアレイ観測による後続波解析が構造の時間変化をする ῑ時間領域鉛直電場勾配法ῒ もῌ 深部の比抵抗変化把握するための標準的な地震学的手法になるものと予想にきわめて高感度であることからῌ 深部マグマ溜りなどされる῍の時間的な状態変化を捉えることができると期待され

このほかῌ 火山性流体の移動を検知するためにはῌ 絶
対重力観測と相対重力観測を組み合わせたハイブリッド

῏鍵山῎清水ῌ 2000ῐῌ 現在雲仙火山の科学掘削坑を利用した試験観測が始まっている῍

重力観測がきわめて有効であることがῌ 2000 年三宅島噴火の際に実証された ῏古屋῎他ῌ 2001ῐ῍ 今後ῌ ハイブ

Fig. 2. Temporal change of the scatterer location associated with the M6.1 earthquake near Iwate volcano (afterMatsumoto et al., 2001). Open star shows location of the scatterer before the earthquake. Solid star showsthat after the earthquake. M10 and M10R indicate the shot before and after the earthquake, respectively.
Small open circles show seismicity in and around Iwate volcano.

154清水洋

3. 噴火機構のモデル化

2 つのマグマ溜りが交互に膨張῎収縮を繰り返すモデル

噴火の発生機構のモデル化のためにはῌ マグマや熱水が提案されている (Nishimura et al., 2000b)῍ またῌ 三宅系などの火山性流体の性質と挙動ῌ マグマと地下水の相

島の長周期パルスや阿蘇山の長周期微動に対してはῌ 流互作用ῌ マグマからの脱ガス過程などを明らかにするこ

体で満たされたクラックが開口῎振動するモデルが考案とが必要である῍ 地震学的手法からはῌ 火山性地震῎微されている ῒ大湊῎熊谷ῌ 2001῏ Yamamoto et al., 1999ΐ῍

動の発生機構解析を通じてῌ マグマなどの火山性流体のこれらのモデルはῌ 震源形状や振動の周期などは個ῐに移動と物性ῌ 流体存在域 ῒ共鳴体ΐ の大きさ῎形状を明異なっているがῌ いずれも地震動が火山性流体の運動῎らかにすることができると期待される῍ またῌ 爆発地震

移動によって励起されている点で共通している῍ これらおよび爆発にともなう地盤変動の解析からῌ 火道浅部での研究成果はῌ 火山性流体の挙動解明に長周期地震動のの脱ガスの進行と爆発的噴火の発生過程について知見が観測がきわめて重要であることを示しておりῌ 今後さら得られるはずである῍に多くの火山において広帯域観測網を整備し観測事例を近年ῌ 広帯域地震観測や観測井を用いた高精度地殻変増やす必要がある῍ また同時にῌ さまざまな火山におい動観測によりῌ いくつかの火山において火山活動にともて比較研究を推進してῌ マグマタイプ῎噴火様式によるなう長周期地震動が検出されῌ それらの発生機構として火山性流体の挙動の違いやそれらに依存しない普遍的特さまざまなモデルが提出されている῍ たとえばῌ 有珠山徴の抽出を試みることが必要であろう῍ これらの比較研の長周期微動や岩手山の深部低周波地震についてはῌ マ究を促進するうえでῌ 観測事例のデῑタベῑスを作成す

グマ溜りから上部火道やクラックへマグマが急速に流動ることも有効であると思われる῍するモデルが提出されており (Yamamoto et al., 2001;

またῌ 爆発的噴火の発生過程についても研究が進みῌNakamichi, 2000)ῌ 岩手山西部の長周期地震についてはῌ

桜島のブルカノ式噴火ではῌ 爆発地震の初動から主要動

Fig. 3. Time sequence of the source of explosion earthquake at Sakurajima Volcano (after Tameguri et al., 2002).
(a) An isotropic expansion occurs at a depth of 2 km beneath the crater.
(b) A cylindrical contraction is generated by pressure decrease of the source region due to escape gases
upward in the conduit.
(c) Outbreak of gas pocket beneath a lava dome is started by shallow expansion, which is excited by a pressure
wave propagating from the deep source.
(d) Gases are released from the uppermost part of conduit. Horizontal contraction starts 1ῌ2 s after thebeginning of expansion.

マグマ供給系の構造と噴火機構のモデル化

155に至る phase の注意深い波形解析によりῌ 深部火道内で一方ῌ マグマ供給系の構造解明という観点からはῌ 未発生した等方膨張によって励起された圧力波が浅部ガス解決の課題があることも事実でありῌ 特に ῒ探査深度と溜りの破裂をトリガ῏するというプロセスが明らかに分解能の向上ΐ についてはῌ 反射῎散乱法を主体としたなってきた (Tameguri et al., 2002) (Fig. 3)῍ 一方ῌ 鉛直

探査῎解析手法の開発῎改良や火山探査に特化した観測

火道内で圧力不平衡が生じた場合の火道内の圧力変動と装置の開発などを推進する必要があると考えられる῍ そ

地殻への地震波の放出῎伝播がῌ 数値計算により求めらのためにはῌ これらの課題に専念できる若手研究者の確れῌ 流体の移流項に起因する急激な増圧現象やそれに引保も必要である῍

き続く長周期の減圧現象が火道内を伝播することῌ それ地球物理観測に基づく噴火機構の研究も着実に進んでらを火道近傍の観測点で地震波動として検知できること

おりῌ 特に近年の地震観測の広帯域化によりῌ 地震῎微などが示された ῐ西村ῌ 2001ῑ῍ したがってῌ 火口近傍

動῎爆発などの定量的な発生機構モデルが作られるようῐ約 1 km 以内ῑ に 1 km 級の観測井を掘削しῌ その中にになった῍ しかしῌ それらはいずれも力学的なモデルで地震計や歪計などのセンサ῏を複数設置して鉛直アレイありῌ 今後は地球電磁気学や物質科学的な研究成果も取を構成することによりῌ 火道内の圧力波の伝播を高精度り込んだ総合的なモデルの構築に取り組むべきである῍に捉えることができῌ Tameguri et al. (2002) の爆発モデ雲仙火山で平成 14 年度から開始される火道掘削ではῌルの検証のほかῌ 爆発過程や脱ガス過程について重要な噴火活動中に観測された微動の震源域ῌ 圧力源および低知見が得られると期待される῍ 活動的な火口近傍に観測比抵抗層などを掘り抜く計画になっておりῌ マグマと地井を設けることは一般には困難であるがῌ 阿蘇山などの下水の相互作用や地震῎微動の発生機構ῌ 脱ガス機構なように静穏期であれば可能な火山もあると思われるのどについてῌ 地球物理῎物質科学両面から総合的な研究でῌ 検討する価値はあると考えられる῍が行われることになっている῍ このようにῌ 噴火時の諸しかしῌ これらの研究はいずれも火山性流体の力学的現象に関する各種デ῏タや発生機構モデルがある火山に取り扱いにとどまっておりῌ 今後は物質科学的知見を物おいてῌ 掘削による実証的かつ総合的研究を実施するこ理モデルに如何に取り込んでいくかが課題である῍ 現時とも有意義でありῌ 噴火機構研究のモデルケ῏スになる

点ではこの課題の解決は容易ではないがῌ 長周期地震のと期待される῍

減衰波形の周波数と減衰定数から共鳴体内部の物性 ῐマ
グマかῌ 水かῌ ガスかなどῑ を推定する研究が進みつつ

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科学的研究との接点を示唆する研究として注目される῍
またῌ これまで地震学的手法に基づく研究について紹介してきたがῌ 噴火機構の研究には電磁気学的手法も不可欠である῍ 電磁気学的デ῏タは低比抵抗である液体の存在や山体内部温度に敏感であるためῌ マグマや熱水の分布や移動を把握するのに適しているからである῍ 爆発的噴火の発生時には火山性流体の急激な移動を伴うと考えられるためῌ 爆発発生過程の解明のためにはῌ 火口近傍において時定数の小さい電磁気学的変動の検出をめざす必要があると思われる῍
4. お わ り に

これまでの火山体構造探査により山体浅部の高精度の地震波速度構造が明らかになりῌ 火山性地震῎微動῎爆発などの諸現象の発生場についてわれわれは最も基礎的かつ重要な情報をようやく手に入れつつある῍ 噴火機構の解明にとってこれらの発生場の理解は不可欠であることからῌ 今後も構造探査を推進しῌ 特に将来噴火活動が予測される火山においては事前に ῐ静穏期のうちにῑ 山体構造を明らかにしておくことが望まれる῍

156

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