1-9 ひずみ集中と地殻内流体変動の解明

1-9 ひずみ集中と地殻内流体変動の解明

野上健治 （東京工業大学火山流体研究センター）

1. 研究の目的
群馬県北西部にある草津白根山は、東北日本弧と伊豆マリアナ弧の会合点に近く、火山フロントの屈曲点付近であると同時に、新潟-神戸ひずみ集中帯の南縁部に近接しています。本研究では、草津白根山山頂周辺に整備された活動火口観測システムによる水位・水温・降水量等の連続観測を実施し、これらと火山ガス、湖水・温泉水などの化学組成などの繰り返し観測および地殻変動観測から、ひずみ集中よる地殻活動とそれに連動する地殻内流体の変動を捉えることを目的としています。
2. 草津白根山における地殻活動観測
2.1 火山概要
草津白根山は、標高約 2000 m の群馬県・長野県境の稜線から東および南に傾斜した第三紀火山岩の基盤岩の上に発達し、最高所には本白根山、白根山、逢ノ峰などの火砕丘があります。有史以来の噴火はすべて水蒸気爆発と考えられ、白根山周辺で発生しています（宇都・他、19831））。
草津白根山は熱水系が発達している活火山であり、白根山山頂には北東—南西方向に北から水釜、湯釜、涸釜の火口湖があります。湯釜では湖底から火山ガスや熱水が噴出し、その湖水の pH は 1.2 の強酸性です。
白根山山頂北側には噴気地帯が約 1 km にわたって弧状に分布しており、最も温度の高い噴気は 100℃を超えています。2008 年以降、湯釜火口内部にも噴気地帯が顕在化し、熱異常を示している場所とその面積が拡大しています。

図 1 山頂周辺の地震および GPS 観測点○：地震観測点 □：GPS 観測点

2.2 観測概要
草津白根山山頂周辺の地震観測点および GPS 観測点の分布を図１に、湯釜火口内の観測点の分布を図 2に示します。湯釜火口内では水温、気温および降水量と、2008 年 7 月から活動が始まった湯釜北東噴気帯での 1 m 深地温の連続測定、湖底からの噴気状態をハイドロフォンで観測しました。山頂北側噴気地帯及び湯釜北東噴気において火山ガスを繰り返し採取、分析しました。更に、湯釜湖水の陰イオン濃度の繰り返し測定を実施しました。

図 2 湯釜火口内の観測点○：水温計 ●：1m 深地温計□：ハイドロフォン ■：気温・降水量観測点

3. 観測結果
3.1 地震活動
2008年1月から2012年12月末までの震源分布は、水53

が低調になっています。
GPS による地盤変動観測結果（図 5）からは、湯釜とその周辺への局所的なひずみの集中と蓄積は顕著ではありません。

釜火口と湯釜火口の接合領域と、湯釜の南1.5kmの範囲に集中しています（図3）。

図 3 草津白根山山頂で発生する地震の震源分布
図 5 KSR-KSE の３成分地盤変動（KSR を基準）

ほとんどの地震はマグニチュード-1 以下で、震源の深さは湯釜北東部で海抜 2 km から海抜 1 km の範囲に集中していますが、その一方で湯釜の南側の震源は海
抜 0～1 km の深度に広がっています。2011 年 3 月 11日に発生した東北地方太平洋沖地震、及び 3 月 12 日早朝に発生した長野県北部地震の前後では震源分布に顕著な変化は認められません。

3.2 噴気活動および湯釜湖水組成の変動
2008 年 6 月に水釜火口の北東外斜面に噴気が現れ始め、2009 年 8 月には噴気温度が 104 ℃に上昇しています（図 6）。この時期は湯釜火口の南方の地震活動が低調になっている時期と一致します。2011 年 7 月まで噴気温度は沸点を超えていましたが、その後噴気活動は停止し、再び湯釜火口の南方の地震活動が活発化しました。

図 6 水釜北東噴気の噴気温度の時間変化

湯釜湖水中に含まれる塩化物イオンや硫酸イオンはマグマからの火山ガスが起源ですが、これらの濃度変化も 2009 年 7 月以降に上昇し始め、2011 年 10 月には 2009 年 7 月と同レベルまで下がっています（図 7）。
これらの結果は，湯釜直下にあると推定されている熱水貯留層（例えば、Nurhasan et al., 20062）；小川ほか、20113)） から地表へのガスや熱水の放出経路が一時的に確立されたことで，熱水貯留層周辺で地震を発生し

図 4 震源の緯度方向の時間

水釜火口と湯釜火口の接合領域では比較的定常的に微小地震が発生していますが(図 4)、2009 年 7 月から 2011 年 6 月にかけては湯釜火口の南方の地震活動
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にくくなった可能性があること、そしてその経路が再び閉塞して地震活動が活発化していることを示しています。

深地温

これに対して、湯釜北東噴気帯の 1 m 深地温は、年周変動が全く見られず、2009 年 5 月以降、この標高の沸点（約 94℃）に達しています（図 8）。
この温度上昇は、前述の湯釜南方の地震活動が低調になる時期、すなわち、地表へのガスや熱水の放出経路が一時的に確立された時期に対応しています。地
温がスパイク上に低下するのは降雨や降雪によるためであり、その影響がなくなると再び沸点まで上昇しています。
これらの結果は、火山ガスが地下深所のマグマから熱水系を通じて湯釜北東を中心とした領域に2008年頃から継続的に供給され続けていることを示しており、地震活動の変化にはほとんど関係なく、その供給量は年々増加していることを示しています。
4. まとめ
5 年間の本研究プロジェクトによって次の事が明らかになりました。
(1)湯釜とその周辺への局所的なひずみの集中と蓄積は認められませんが、微小な地震活動が水釜火口と湯釜火口の接合領域と、湯釜の南 1.5km の範囲に集中して発生しています。
(2)微小地震活動は、湯釜直下にあると推定されている熱水貯留層からの火山性流体の動きに対応しており、貯留層の内圧の上昇に起因するものと考えられます。
(3)地下深所のマグマから放出される火山性流体が熱のキャリアーであり、熱の供給は継続しているだけではなく、その供給量は年々増加しています。
(4)熱活動の表面現象と湯釜南領域での地震活動について、今後も注意深く観測する必要があります。このような変動を起こす場である火山体の構造についての知見を深めることも、変動の本質的な理解にとって重要です。

図 7 湯釜湖水の陰イオン濃度と組成比の時間変化

これまでの研究で、草津白根山山頂で発生する微小地震の震源分布は明らかになっていましたが（森・他、20064 ） ）、震源域の時間変化と火山性流体である火山ガスや熱水の移動との関連は不明でした。草津白根山
山頂は熱水系の発達している火山であり、マグマから放出される揮発性成分は火山体内部の熱水系を経て噴気ガス・温泉水・火口湖水・土壌ガスとして地表に達しています。本研究で、火山性流体である火山ガスや熱水の動きと地震活動が対応していることが明らかになり、地震観測も火山性流体の分布や移動を把握する上で有効であることが明らかになりました。
3.3 熱活動
本研究プロジェクトで整備したシステムで観測した湯釜火口湖の水温は、明瞭な年周変動が認められます
が、湯釜水温は山頂の気温よりも通年で高く、最近の５年間は常時大量の熱が湯釜を通じて放熱されていることを示しています（図 8）。

参考文献
1) 宇都浩三・早川由紀夫・荒牧重雄・小坂丈予、草津
白根火山地質図、地質調査所、1983.
2) Nurhasan, Y. Ogawa, N. Ujihara, S.B. Tank, Y.
Honkura, S. Onizawa, T. Mori, and M. Makino, Twoelectrical conductors beneath Kusatsu-Shirane
volcano, Japan, imaged by audiomagnetotellurics
and their implications for hydrothermal system,
Earth Planets Space, 58, 1053–1059, 2006.
3) 小川康雄・Nurhasan・山脇輝夫,・野上健治・神田径、
草津白根火山の 3 次元比抵抗構造と新たな高温域との関係,CA 研究会、京都大学宇治、2011.
4) 森 健彦・平林順一・野上健治・鬼澤真也 草津白根山における新たな地震観測システムの構築、火山、51, 41-47, 2006.

図 8 湯釜湖水の観測諸量の時間変化
緑：水温 黒：気温 青：降水量 赤：湯釜北東噴気帯の 1m
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