MT連続観測による桜島地下浅部の比抵抗変化
相澤広記*・神田径**・小川康雄**・井口正人***
横尾亮彦****・八木原寛*****・菅野貴之** 東京大学地震研究所** 東京工業大学火山流体研究センター*** 京都大学防災研究所**** 東北大学大学院理学研究科***** 鹿児島大学大学院理工学研究科

要旨

2008年5月1日より2009年7月10日までの期間, 桜島火山のハルタ山, 黒神の2地点において地磁気－地電流(ＭＴ)連続観測を行った。人工ノイズの影響が小さかった Zyx成分 (東西電場－南北磁場の伝達関数) では, 見掛比抵抗として20%, 位相として2%程度の数週間
から数ヶ月続く変動が得られた。見掛比抵抗変動は両観測点で逆相関を示し, 変動の開始
時期は火口方向が隆起を始める時期にほぼ一致している。さらに黒神観測点では, 近傍の観測井内の温泉ガス増加に伴うように見掛比抵抗が上昇した。以上のことから見掛比抵抗
変動は火山活動起源と考えられる。上昇してきたマグマから脱ガスした揮発性成分が横方向に移動した結果, 浅部地下水に混入し比抵抗変動を引き起こしている可能性がある。

キーワード: 桜島火山, MT観測，比抵抗, 脱ガス, 揮発性成分

1.

はじめに

る (Patanè et al., 2006)。また, こうした変化はマグ
マから抜け出た流体が引き起こしていることが推

地下のマグマやガスの移動を構造の変化として定されている。桜島は頻繁に噴火を繰り返す活動

可視化することができれば, 火山活動予測に重要的な火山であり, 山体内部はマグマから抜け出しな貢献ができる。地磁気－地電流 (MT) 法は, 推た流体により満たされている。地表では場所によ定される比抵抗構造の時間分解能が高く, またマって 20 g/m2*day 程度の高い土壌 CO2 フラックス

グマは低比抵抗体として周辺の岩石と区別できるが観測され, ハルタ山観測井, 有村観測井の温泉ため, 構造変化をとらえる上で有望と考えられる。

ガス中の CO2 濃度はそれぞれ, 30 パーセントと 70

しかしながら上昇してくるマグマ本体を, 危険なパーセントと高い (撹上, 2008)。また, 南山麓には噴火口周辺ではなく安全に観測できる山麓の観測温泉が存在し, 温泉水中にはマグマから脱ガスし点で捕らえることは容易ではない。例えば桜島をた成分の寄与が認められる (大場他, 1999)。重要対象としたモデル計算では, 2km x 0.2km x 2km

なことは, こうした山麓部に存在するマグマ起源

程度の巨大なダイク貫入でないと山麓では流体のフラックスが, 山頂の噴火活動と連動してGeomagnetic Transfer Function の検出限界を超え変化している可能性があることである (e.g., 太

ないことが指摘されている (藤井, 2007)。

田, 1986; Hirabayashi et al., 1986)。最近では, 長期(4D的な変動だが, 東山麓に位置する黒神観測井内のtomography) の研究によると, 活動的火山では貫CO2 濃度が, 昭和火口活動再開以降, 2007 年 5 月か入ダイクそのものだけではなく, その周辺の広いら上昇を始めた例がある。それまで 2 パーセント

領域で Vp/Vs 比が変化する可能性が指摘されていであった CO2 濃度が, 2007 年 10 月には 10 パーセ

最近の地震波速度構造の時間変化

ント, 2008 年 1 月には 20 パーセントと急上昇していることが報告されている (平林他, 2008)。以上

3. MT インピーダンス
3.1 見掛比抵抗変化のことから, マグマから抜け出た流体の火山体内への散逸を考慮すると, 桜島山麓-山腹部におい

HARMT の時系列データに対し, 国土地理院江ても比抵抗変動をとらえられると期待できる。本

刺観測所で得られた地磁気データを参照としたリ

稿では 2008 年 5 月 1 日より 2009 年 7 月 10 日まで

モートリファランス解析 (Gamble et al., 1979) をの期間, 桜島で行った MT 連続観測の結果につい行 っ た 。 KURMT の 時 系 列 デ ー タ に 対 し て はて報告する。データの 2 次元解析やその解釈等, よHARMT の地磁気データを参照点として同様の解(Aizawa et al.,

析を行った。リモートリファランス処理によってsubmitted) としてまとめており, 将来的にはそち

データの質は若干向上したが, 当該観測点のデーらを参照されたい。

タのみを使った解析でも同様の結果が得られたたり詳しい内容は投稿論文

め, 以下の議論は解析方法には依存しないと考え

2.

MT連続観測られる。
得られた MT インピーダンスのうち, Zyx (東西

観測点は 2010 年 6 月現在, 中小規模な噴火を繰

電場－南北磁場) 成分は 300－4Hz の周期帯ほとり返している昭和火口から, 東に 3.3km 離れた黒んどで coherence が 0.95 を超える。対照的に Zxy

神 (KURMT) と , 西 北 西 に 3km 離 れ た ハ ル タ 山

成分は coherence が 0.7-0.9 と高品質ではなく, 微(HARMT) の 2 点に設置した (Fig. 1)。活動的火山

小な比抵抗変化を議論するために適していないとにおける広帯域ＭＴ連続観測は著者等の知る限り

考え, 本稿では用いないこととした。Fig. 2 に Zyx

世界で初めての試みである。両観測点共に, 地磁の変動を, 横軸に時間, 縦軸に周波数をとり, 見

気 3 成分－地電位差 2 成分を GPS clock を用いた

掛比抵抗および位相を用いて示した。4Hz より低

Phoenix 社製 MTU-5 により観測した。サンプリン

周波のインピーダンスに関しては鹿児島市周辺のグ周波数は 15Hz (連続), 150Hz (4 分ごとに 16 秒),

鉄道からの漏洩電流と思われるノイズに汚染され及び 2500Hz (4 分ごとに 1 秒)である。1 週間に 1

精度が高くなく, 数日の時間変化を議論する本稿

度程度, 観測点に赴き, バッテリー交換, データ

では用いない。本稿で用いた最も長周期な周波数

回収, 電極接地抵抗チェック等のメンテナンスを(4Hz)は 100(ohm-m) 地下均質媒質を仮定すると探行った。

査深度 (skin depth) が 2.5km に相当する。Fig. 2では見掛比抵抗, 位相とも顕著な変化はなく, 観
測期間を通じて大局的な比抵抗構造は安定していることを示している。
Fig. 3 に, Fig. 2 から各周波数の平均値を差し引いた変動分を示す。両観測点とも見掛比抵抗として 20%, 位相として 2%程度の変動が存在していることが分る。

Fig. 1

Locations of sites of continuous MT

measurements at Sakurajima volcano (squares) andsites of other geophysical/geochemical observations.

Fig. 2 Temporal changes in apparent resistivity andphase (Zyx). Small ‘plus’ symbols indicate the frequency
used in Figs 4-6.

3.3

他の地球物理観測データとの比較得られた見掛比抵抗変動の原因を探るため, 他の観測量との比較を行った。Fig. 4aの見掛比抵抗変動と, 雨量, 潮位, 地殻変動, 噴火活動とそれに伴う空振強度, 深部低周波地震活動, 深さ3kmより浅部のFig. 3 Temporal changes in apparent resistivity and

地震活動と比較したものをFig. 5に示す。雨量, 潮汐

phase (Zyx). Relative change is normalized by theは比抵抗変動の要因となり得るが (Utada et al, 1998),

average values for each frequency.

本観測では明瞭な対応は見られなかった。一方, 地
殻変動と見掛比抵抗では対応関係が見られた。Fig.

3.2

観測点間のタイムラグ

5eに有村観測坑道に設置された傾斜計の火口方向成見掛比抵抗に注目し, Figs. 2-3から＋印で示す特に分の生データに1日間の移動平均をかけた結果を示

変動が明瞭であった周波数の成分のみを抜き出しす。図中, 6本の破線で示すように, 火口方向の隆起

Fig. 4aに示す。両観測点とも数週間～数ヶ月続く変開始と見掛比抵抗の変動開始は大まかに一致してい動を示し, また逆相関を示している。この傾向は他る。傾斜計の変動は深さ3ｋｍ付近のマグマの増減をの周波数でも同様である。

表していると推測されており(Ishihara, 1990; Iguchi

Fig. 4a に示された変動は両観測点でほぼ同時に見えるが, 実際は微小なタイムラグが存在する。例

et al., 2008; 立尾・井口, 2009), 見掛比抵抗変動はマ
グマの移動に関連するものと考えられる。

えば Period 1 の期間では KURMT が HARMT に

Fig. 6f, h-i に示すように, 見掛比抵抗変動や傾斜

比べ変動開始時期が先行している。両者の相互相関

計長周期成分は, 噴火活動や深さ3ｋｍ以浅の地震を計算すると KURMT が HARMT に対し1週間程活動など, 浅部火山活動とそれほど対応しない。こ

度先行して変化していることが示唆される(Fig. 4b)。

のことは見掛比抵抗変動や傾斜計長周期成分は, 浅

これに対しPeriod 2ではHARMTの変化が先行してお部でなく, 深さ3ｋｍ以深の火山活動に関連していり (Fig. 4c), 両観測点間のタイムラグは必ずしも一ることを示唆している。

定でないことが分かる。

Fig. 6g に桜島地下深さ15~30kmで発生した深部
低周波地震を示す。マグニチュードが１を超えるイ
ベント(大きな★印)は見掛比抵抗変動のトレンドが変化する時期に発生しているように見え, 原因は不明であるが深部流体の移動と浅部の比抵抗変動が関連している可能性がある。

3.4

温泉ガスデータとの比較

京都大学桜島火山観測所では, 昭和火口活動開始
以降の黒神観測井内CO2 濃度上昇を受けて, 同地点
で温泉ガス連続観測 (CO2, H2) を開始した。観測井
は KURMT からおよそ100ｍ離れた場所に位置してFig. 4(a) Temporal variations in apparent resistivity

いる。Fig. 6にMT観測から得られた見掛比抵抗と, 温(Zyx) at a frequency of 22.5 Hz at HARMT and a

泉ガス濃度の比較を示す。観測井内の温泉ガスはポfrequency of 97 Hz at KURMT. The employed

ンプにより1日に1度, 黒神観測室に吸い上げられそ

frequencies are marked in Figs 2–3. Error bars representの場で測定される。期間中, 設定エラーにより1日に± two standard deviations. (b) Cross-correlation of two

2度吸い上げることがたびたび発生し, ガス濃度がtime series during period 1 (days 0–270). Thick line:

大きく変動した。こうした期間を無視すると図中,

cross-correlation between the two time series shown in

横軸 290-300の期間で見掛比抵抗と温泉ガスが同期(a). Thin dashed lines: cross-correlation calculated using

して変化しているように見える。この結果は浅部のall the other combinations of data at different frequencies.

地下水変動と比抵抗変動が関連していることを示唆(c) Cross-correlation for period 2 (days 270–320). Other

している。

notations are the same as in (b).

Fig. 5 Comparison of temporal variations in apparent resistivity (Zyx) with rain, tides, ground deformation, eruption
periods with major infrasound strength, and earthquakes around Sakurajima volcano. Vertical dashed lines indicate thepossible start time of uplift in the summit direction. (a) Precipitation data recorded at a site located 150 m from HARMT.
(b) Oceanic tides recorded at Furusato (Fig. 1). The raw data are shown along with a 1-day moving average. (c) and (d)Apparent resistivity data, as shown in Fig. 4. (e) Ground deformation (tilt record) observed in a tunnel at Arimura (Fig.
1). The radial component, which represents the direction of Minami-dake crater, was smoothed using a 1-day moving
average. Higher values indicate uplift in the summit direction. (f) Infrasound data recorded at Arimura by low-frequency
microphone. Gray hatched area represents a period of continuous ash emissions. (g) Deep low-frequency earthquakes(DLFs) occur in the southern part of Sakurajima at depths of the lower crust. Note that the vertical axis indicates thedepth (km) of DLFs. Large and small stars represent DLFs with magnitudes of > 1.0 and < 1.0, respectively. (e) BL-type
earthquakes. (f) A-type earthquakes (volcano-tectonic earthquakes).

釈は奇異に思えるかもしれない。しかしながら, 太田(1986)は, 古里温泉(Fig. 1)で温泉水の比抵抗と温度の連続測定を行い, 温度上昇と共に比抵抗も上昇する事例を報告している。こうした変動が南岳噴火前に起こること, 古里温泉が海岸の近くに存在することから, マグマからの揮発性物質が海水に混入し,温度－比抵抗上昇を引き起こしたと推測している。
地殻変動と比抵抗変化がほぼ同期して起こることをFig.7 に従って説明するためには, 揮発性成分の移動速度として数100～数1000 (ｍ/day) 程度を想定する必要がある。この値は過去に伊豆大島で推測された揮発性成分移動速度 (Sano et al., 1988) に対し1～２桁程度大きい。また, 特別な浸透率構造を仮定
Fig. 6 Comparison between apparent resistivity (Zyx) at

しない限り熱水流動シミュレーションで再現するこKURMT and concentrations of CO2 and H2 in boreholeとは難しい (e.g., Hyba and Ingebritsen, 1997; Hurwitz

gas. Note that the sampling interval was temporally

et al., 2003)。これに対し, 我々は太田(1986)と同様に,

changed to twice daily at days 267 and 304, thereby

桜島地下ではfractureが揮発性成分の通り道として機

rapidly exhausting the gas; consequently, the values

能しており, 移動速度が速いのではないかと推測しmeasured during these periods cannot be compared withている。実際, 桜島の安永噴火, 大正噴火では, 地震

those obtained by daily sampling.

活動の激化から20～30時間後に海岸付近の井戸水が沸騰したことが報告されており (井村, 1998), マグ
マ貫入後, 脱ガスした揮発性成分は極めて短時間に4

比抵抗変動の解釈

横方向に移動して地表に到達できることを示唆している。

得られた観測事実をまとめると以下の通りである。
(1) 見掛比抵抗変動開始と火口方向隆起の開始がおおまかに一致している。(2) 黒神とハルタ山で見掛
比抵抗変動が逆相関を示す。(3) 両観測点間の変動に1週間程度のタイムラグが存在する。(4) 温泉ガスの変動と同期するように見掛比抵抗が変動する。
Fig. 7に見掛比抵抗変動の解釈を示す。上昇してきたマグマから脱ガスした揮発性成分が, 横方向に移動した結果, 浅部地下水に混入し比抵抗変動を引き起こしたと推測した。この解釈によれば(1), (4)の観測事実を説明することが出来る。また, (3)のタイム
ラグは脱ガス地点から観測点までの揮発性成分移動
距離の違いによって説明することが出来る。

Fig. 7 Schematic model of change in apparent resistivity.

(4)の逆相関は観測点直下に存在する地下水と揮The shallow magma chamber and route of magma ascent

発性成分の比抵抗値の大小関係によって説明される。

are inferred from previous studies (Eto and Nakamura,

KURMT周辺地下は海岸に近いため海水の混入を強1986; Kamo, 1989; Hidayati et al., 2007; Tateo andく受けていると考えられる。海水の存在は KURMT

Iguchi, 2009). Solid and dashed arrows indicate the

周辺の比抵抗が著しく低いことからも裏付けられる

movement of magma and volatiles, respectively. Inverted(Fig. 2)。こうした状況でFig. 7のように揮発性成分がtriangles indicate MT sites. Gray shading indicates the

混入すると, 比抵抗は相対的に上昇することが期待

area saturated with groundwater (i.e., mixture of a coldされる。一方, HARMTでは天水起源の地下水が豊富

aquifer, hot spring water, and invading seawater).

に存在するために揮発性成分が混入すると比抵抗が減少することが期待される。揮発性成分が地下水に混入したにもかかわらず比抵抗が上昇するという解

5.

おわりに

大場武・平林順一・野上健治・石原和弘・山本圭吾(1999)：桜島火山の地下水・熱水系, 京都大学防災

本観測の重要な結果は, これまで火口近傍以外で研究所共同研究集会「桜島火山の地下水・熱水系には観測が難しいと考えられてきた比抵抗変動が山麓関する研究」報告書 (平林順一 編), pp. 31-48.

でとらえられたという点にある。これは噴火活動の撹上勇介 (2008)：桜島火山の活動と火山ガス, 東京

激化により火口に近づけない場合でも山麓のMT観工業大学化学科修士論文, 33pp.

測により火山地下で進行している現象をとらえられ

立尾有騎・井口正人

る可能性を示している。今後, 他火山での機動観測

震 群 発 活 動 に 伴 う 地 盤 変 動 . 火 山 , 第 54 巻 ,(2009)：桜島におけるBL型地等に応用していきたいと考えている。本稿では, 得

175-186.

られた見掛比抵抗変動の解釈として, マグマから脱平林順一・野上健治・撹上勇介・井口正人・味喜大

ガスした揮発性成分が, 横方向に移動した結果, 浅介 (2008)：桜島火山の活動と火山ガス組成および部地下水に混入し比抵抗変動を引き起こしたと推測

土壌からの二酸化炭素ガスの拡散放出, 第10回桜した。今後この仮説を検証するために, 地下水の同

島火山の集中総合観測報告書 (石原和弘 編), pp.

位体分析によるマグマ起源成分の定量的調査, 熱水

149-164.

流動シミュレーションによるモデルの妥当性の検討

藤井郁子 (2007)：桜島における地磁気観測の可能性,を行いたい。また, 2010年2月からは観測点を6点に増

地磁気観測所テクニカルリポート 第4巻, pp. 1-7.

やし, 同様の連続観測を桜島で開始した。今後, この

Aizawa, K., W. Kanda, Y. Ogawa, M. Iguchi, A. Yokoo,

多点観測データも解析し仮説の妥当性を検証していH. Yakiwara, T., Sugano, Temporal Changes in

きたい。

Electrical Resistivity at Sakurajima Volcano from
Continuous Magnetotelluric Observations: Possible
Indication of Lateral Magma Degassing, submitted to謝辞Earth and Planetary Science Letters.
Gamble, T.D., Goubau, W. M., Clarke, J., 1979.

本研究は筆頭著者である相澤広記が京都大学桜島

Magnetotellurics with a remote magnetic reference.

火山観測所在籍中に行われたものである。研究を進Geophysics 44, 53-68.

めるにあたって観測所スタッフから様々なアドバイ

Hirabayashi,スを頂いた。記して感謝したい。解析にあたってはGeochemical study on volcanic gases at Sakurajima

J.,

Ossaka,J.,

Ozawa,

T.,

1986.

国土地理院江刺観測所の地磁気データをリモートリ

volcano, Japan. J. Geophys. Res. 91. 12167-12176.

ファランス処理として使用した。国土交通省九州地Hyba, D. O., Ingebritsen, S. E., 1997. Multiphase

方整備局大隅河川国道事務所から傾斜計データの提groundwater flow near cooling plutions. J. Geophys.

供を受けた。

Res. 102, 12235-12252.
Hidayati,

S.,

Ishihara,

K.,

Iguchi,

M.,

2007.

Volcano-tectonic earthquakes during the stage of

参考文献

magma accumulation at the Aira caldera, southern

井口 正人・高山 鐵朗・山崎 友也・多田 光宏・鈴Hurwitz , S., Kipp, K. L., Reid, M. E., Ingebritsen, S. E.,木 敦生・植木 貞人・太田雄策・中尾 茂・前野 直・

2003.

長尾 潤・馬場 幸二・大重 吉輝・放生会正美

water-table(2008)： 桜島および姶良カルデラ周辺におけるGPS

Implications for volcanic processes in the Cascade

観測, 第10回桜島火山の集中総合観測報告書 (石Range,

原和弘 編), pp. 53－62,

10.1029/2003JB002565.

井村隆介 (1998)：史料からみた桜島火山安永噴火のIguchi, M., Yakiwara, H., Tameguri, T., Hendrasto, M.,

推移, 火山, 第43巻, 第5号, pp. 373-383.

Hirabayashi, J., 2008. Mechanism of explosive eruption

江頭庸夫・中村貞美 (1986)：山頂噴火活動に伴なう

revealed by geophysical observations at the Sakurajima,

地 盤 変 動 , 第 5回 桜 島 火 山 の 集 中 総 合 観 測 報告書

Suwanosejima and Semeru volcanoes. J. Volcanol.

(加茂幸介 編), pp. 11-22.

Geotherm.

Kyushu, Japan, Bull. Volcanol. Soc. Japan 52, 289-309.
Groundwater

J.

flow,

position
Geophys.

Res.

withinRes.,

heattransport,

volcanic
108,

178,

and

edifices:

2557,

doi:

1-9,

太田一也 (1986)： 桜島火山における火山活動に対

doi:10.1016/j.jvolgeores.2007.10.010.

応した温泉の挙動, 第5回桜島火山の集中総合観測

Ishihara, K., 1990. Pressure sources and induced ground

報告書 (加茂幸介 編), pp. 103-114.

deformation associated with explosive eruptions at anandesitic volcano: Sakurajima volcano, Japan. In: Ryan
M (ed) Magma transport and storage. Wiley, New York,pp 335-356.
Kamo, K., 1989. A dialogue with Sakurajima volcano. In
Proc.

Kagoshima

International

ConferenceonVolcanoes, 3-13.
Patanè D., Barberi, G., Cocina, O., Gori, P. De.,
Chiarabba,

C.,

2006.

Time-Resolved

Seismic

Tomography Detects Magma Intrusions at Mount Etna.
Science 313, 821-823, doi:10.1126/science.1127724.
Sano, Y., Nakamura, Y., Notsu, K., Wakita, H. 1988.
Influence of volcanic eruptions on helium isotope
rationsinhydrothermal

system.

Geochim.

Cosmochim. Acta 52, 1305-1308.
Utada H., Yoshino, T., Okubo, T., Yukutake, T., 1998.
Seismic resistivity changes observed at Aburatsubo,
central Japan, revisited. Tectonophys. 299, 317-331.

Electric Resistivity Change of Sakurajima Volcano from Magnetotelluric Continuous Observation

Koki AIZAWA*, Wataru KANDA**, Yasuo OGAWA**, Masato IGUCHI***,
Akihiko YOKOO****, Hiroshi YAKIWARA*****, Takayuki SUGANO** Earthquake Research Institute, University of Tokyo** Volcanic Fluid Research Center, Tokyo Institute of Technology*** Disaster Prevention Research Institute, Kyoto University**** Graduate School of Science, Tohoku University***** Graduate School of Science and Engineering, Kagoshima University
Synopsis
Continuous magnetotelluric (MT) measurements were conducted from May 2008 to July 2009 at
Sakurajima. Two observation sites were established at locations 3.3 km east and 3 km west-northwest of thesummit crater. At both observation sites, the high-quality component of the impedance tensor (Zyx) showedvariations in apparent resistivity of approximately ±20% and phase change of ±2 %, which continued for
20–180 days in the frequency range between 320 and 4 Hz. The start of the period of changes in apparent
resistivity approximately coincided with the start of uplift in the direction of the summit crater, as observed
by a tiltmeter, which is one of the most reliable pieces of equipment with which to detect magma intrusion
beneath a volcano. The concentrations of CO2 and H2 within gas sampled from a borehole near the MT site
showed a change coincident with the change in apparent resistivity. These observations suggest that thechange in apparent resistivity was caused by volatiles exsolved from the rising magma. We speculate that thedegassed volatiles migrated not only vertically through the conduit but also laterally through a fracture
network, mixing with shallow groundwater beneath sea level and thereby causing the observed resistivity
change.
Keywords: Sakurajima volcano, resistivity, Sakurajima, volatile, degassing, groundwater