３．１．９

ひずみ集中と地殻内流体変動の解明

目次(1)

業務の内容・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・132(a) 業務題目(b) 担当者(c) 業務の目的(d) ６ヵ年の年次実施計画
1) 平成１９年度
2) 平成２０年度
3) 平成２１年度
4) 平成２２年度
5) 平成２３年度
6) 平成２４年度(e) 平成２０年度業務目的(2)

平成２０年度の成果・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・133(a) 業務の要約(b) 業務の成果
1) 地震活動観測
2）地温および水温観測3) 火山ガス観測
4）湯釜火口湖の化学観測(c) 結論ならびに今後の課題(d) 引用文献(e) 学会等発表実績(f) 特許出願、ソフトウエア開発、仕様・標準等の策定(3)

平成２１年度業務計画案・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・138

131

(1) 業務の内容(a) 業 務 題 目

ひずみ集中と地殻内流体変動の解明(b) 担当者
所属機関

役職

氏名

メールアドレス

東京工業大学火山流体研究センター

教授

小川 康雄

oga@ksvo.titech.ac.jp

東京工業大学火山流体研究センター

准教授

野上 健治

knogami@ksvo.titech,ac.jp

東京工業大学火山流体研究センター

准教授

大場 武

ohba@ ksvo.titech,ac.jp

東京工業大学火山流体研究センター

研究員

山脇 輝夫

yamawaki@ ksvo.titech.ac.jp(c) 業務の目的
ひずみ集中帯を形成する原因として挙げられる地殻内流体の挙動と地震活動との関係を明らかにするため、ひずみ集中帯内に位置し火山フロントにも近接する草津白根山周辺において、活動
火口観測システムを整備し、ひずみ集中に連動して起こる地殻内流体の変動を、火山ガスの化学組成、活動的火口湖の湖水の水位・水質、流体貯留層近傍での地震活動などの観測研究で捉え、ひずみ集中機構の解明を図る。
(d) ６ヵ年の年次実施計画
1) 平成１９年度：草津白根山周辺でひずみ集中に連動する地殻内流体の変化と流体貯留層近傍での地震活動の変化を捉え、ひずみ集中帯の機構解明に資する調査研究を行うためのデータ搬送装置、火山流体観測装置テレメーターシステム、地温観測システムから構成される活動火口観測システムを整備するとともに、地殻内流体の効果的把握のための観測点配置等に関する検討を行った。
2) 平成２０年度：活動火口観測システムを構築し、ひずみ集中に連動して起こる地殻内流体の変動をとらえるために、火山ガスの化学組成、活動的火口湖の湖水の水位・水質、流体貯留層近傍での地震活動などの観測を行う。
3) 平 成 ２ １ 年 度 ： 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。
4) 平 成 ２ ２ 年 度 ： 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。
5) 平 成 ２ ３ 年 度 ： 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。
6) 平 成 ２ ４ 年 度 ： 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。
132

(e) 平成２０年度業務目的
活動火口観測システムを構築し、ひずみ集中に連動して起こる地殻内流体の変動を、火山ガスの化学組成、活動的火口湖の湖水の水位・水質、流体貯留層近傍での地震活動などの観測研究で捉え、ひずみ集中機構の解明を図る。
(2) 平成２０年度の成果(a) 業務の要約
ひずみ集中に連動して起こる地殻内流体の変動をとらえるために、草津白根火山において、活動火口観測システムを構築し、水温データ、地温データ、水位データ、ハイドロフォンデータの連続記録を開始した。また、従来から行われている火山ガスの化学組成、活動的火口湖の湖水の水位・水質、流体貯留層近傍での地震活動などの観測を継続して実施した。
(b) 業務の成果草津白根火山における観測項目とその観測点位置を図 1(P139)に示す。草津白根火山は、水蒸気爆発をする活火山であり、近年では 1976 年 3 月に水釜で、1982 年～1983 年に湯釜で水蒸気爆発を起こしている。昨年度に活動火口観測システムを構築し、今年度より、湯釜火口、水釜火口およびその周辺で、水温、地温、水位、ハイドロフォンの連続観測を開始した。また本プロジェクト開始以前から継続している地震観測、火山ガス観測、湯釜火口湖水の化学データ観測も引き続き実施した。以下、地震活動観測、地温観測、火山ガスの化学分析、湯釜火口湖水の化学分析について述べる。
1）地震活動観測
図2(P140)に示す通り、2006年10月以降の震源は、主に湯釜から水釜の下に集中し、その深さは地表から1km（海抜1km）である。湯釜の南にも、もう一つの発生域がある。どちらの発生域も、頻度に差はあれ、継続して発生している（図3、P141）。地震の規模は、殆どが-2から-1の間に集中し、地震の日別発生頻度は、5回以下が殆どである（図4、P142）。
昨年は2008年10月初めに数日間頻発した。2006年12月と2007年6月下旬にも頻発している時期があるが、2006年以降の活動は、概して低調である。
2009年2月5日に湯釜火口湖南岸で発生した地震はマグニチュードがM0.2と比較的大きなものであったが、活動火口観測システムによって連続観測がなされている湖水中のハイドロフォンにおいてもP波がとらえられた（図5、P143)。
2) 地温および水温観測
活動火口観測システムを構築し、2008年10月より、湯釜火口湖の水位、水温、気温、降水量の連続観測を実施している。図6(P144)に、2009年2月までの記録を示すが、現状では火口の活動の推移と、季節変動とを分離することは容易にはできない。
図7(P144)には、水釜の地温の時系列をG1からG5について示す。図1(P139)に示すよう
133

に、G1からG4までは水釜火口内部にあり、G5は、2008年7月26日に出現が確認された新しい噴気帯にある。G1からG4の温度の時間変化は、図6(P144)の気温とよく相関しており、気温に比べ約10度高い状態で、2008年10月から2009年2月まで徐々に低下している。これに対して、G5では図6(P144)の降雨に対応して急激に下がることが記録されているが、それを除けば徐々に地温が上昇する傾向がある。これは地下から高温のガスが供給される鉛直方向の断裂が確保されていることを意味するが、降雨があると温度低下しやすいのは、地表から鉛直方向にも断裂が発達していることを示唆する。
3) 火山ガス観測
草津白根山山頂には水釜・湯釜・涸釜の 3 つの火口があり、水釜では 1976 年に、湯釜及び涸釜では 1982 年〜1983 年に 5 回の水蒸気爆発が発生している。現在、涸釜では噴気活動や熱活動は認められない。水釜では微弱な低温噴気があり、硫化水素や二酸化炭素が放出されているが、熱活動は極めて低調である。これに対して湯釜は湖底から常時噴気ガス を 放 出 し て お り 、 湧 出 点 を 中 心 に 環 状 に 広 が る 浮 遊 硫 黄 が し ば し ば 観 察 さ れ る 。 2008
年 12 月中旬より湯釜における最高気温は氷点下であるが、湯釜湖面での結氷は殆ど見られず、湖底での熱活動が活発であることを示唆する。
これらの火口の北方には噴気地帯が広範囲に分布している（図 8、P145）。これらの水釜北方の N1 噴気孔においてガスの繰り返し観測を実施してきた。2007 年からの温度変化を図 9(P145)に示す。過去の観測結果と比較して、2007 年は若干低めに推移し、2008 年はほぼ同じ程度もしくは若干高めに推移している。2006 年 4 月に北側噴気孔近傍で極めて小規模な爆発が起った。その直後には噴気温度が 100℃以下になったが、その後噴気活動が安定したことによって 2008 年末までにほぼ旧に復したと考えられる。
噴気ガスは多成分からなる混合ガスであるが、水蒸気の割合が約 98％と最も高く、それ以外の成分では二酸化炭素が最も多い。硫化水素がそれに次ぎ、これらの 2 成分で大半を占める。非常に僅かではあるが二酸化硫黄も含まれる。水蒸気を除いた混合ガス中の硫化水素と水素の割合を図 10(P146)に示す。硫化水素の割合の低下が顕著であり、水素の割合も漸減している。これまでの経験から、噴火現象の前に、硫化水素濃度の減少あることが知られている。
4) 湯釜火口湖の化学観測
東京工業大学火山流体研究センターでは、冬季を除く 4 月から 11 月の期間、ほぼ毎月、草津白根山の山頂に位置する火口湖湯釜で水温の計測と湖水の採取を行い、湖水の化学分析を行ってきた。以下では、2004 年から、2008 年末現在までの 5 年間の変動の解析結果について示す。
1960 年代から始まる火口湖湯釜の地球化学的観測と、1988 年から開始された東京工業大学草津白根火山観測所（火山流体研究センターの前身）による観測を総合し、Ohba et al.
(2008)は、湯釜湖水の化学組成変動を支配する要因として、主に以下の二つを提案した。
・シーリングゾーンの破壊・固結マグマと地下水の相互作用
シーリングゾーンは、冷却しつつあるマグマを取り囲む熱水領域に形成される殻のよう134

な構造であり、Gypsum や Alunite 等、SO 4 2 - を含有する熱水性二次鉱物から形成されると考えられている。シーリングゾーンはマグマから放出される揮発性成分の散逸を妨げるために、その発達は、マグマの内部圧を上昇させ、最終的にシーリングゾーンはマグマ内部圧の上昇により破壊される。その際に、シーリングゾーン内の揮発性成分が一挙に放出されるために、マグマの直上に位置する火口湖には、湖水成分濃度の急上昇や、湖水温度の上昇などが観測される。シーリングゾーンは、ひとつの仮説であるが、活動的火口湖のEpisodic な変動を合理的に説明できる。
シーリングゾーンの破壊に伴い、地下水と固結しつつあるマグマが急激に接触するために、水－岩石相互作用が促進され、火山体を構成する岩石から陽イオン成分が熱水に抽出され、熱水系を介して火口湖に供給される。湖水変化の特徴としては、水温の上昇、pHの上昇、Mg/Cl 比の上昇、SO 4 2 - 濃度の上昇などが挙げられる。過去には、1982，83 年の水蒸気爆発噴火の際に、シーリングゾーンの破壊が起きたと考えられる。
固結マグマと地下水の相互作用は、1990 年から数年間つづいた火口湖湯釜の活動期に起きた現象であると考えられる。マグマが固結した後、高温を保っている岩体の亀裂に、おそらく、H 2 O が超臨界の高温流体として進入し、岩石に残存している塩化物が化学種 HClとして抽出される。抽出された HCl は熱水系を介して火口湖に供給される。湖水変化の特徴としては、水温の上昇、pH の低下、Cl - 濃度の上昇などが挙げられる。
図 11(P147)に示されるように、湖水の Mg/Cl 比は、2006 年の 10 月から急激に上昇し、2007 年は高い値を保ち、その後は緩やかに低下しつつある。Mg/Cl 比は水－岩石相互作用の度合いを示す適切な指標であり、2006 年に草津白根山のマグマ熱水系で、水－岩石相互作用が促進されたと判断される。
図 12(P147)に示されるように、湯釜湖水の SO 4 2 - 濃度は 2006 年の 6 月から急激な上昇を示している。これに対し、Cl - 濃度には上昇が見られない。湯釜湖水の SO 4 2 - 濃度は、地表から供給される流入水の影響を受けるために、春先で濃度が低く、夏から秋にかけて濃度が上昇する季節変動が起きるが、2006 年の変動は、前後の期間に比べて大きく SO 4 2 が過剰に供給されたと判断される。
湯釜湖水は、湖底から供給される熱水と地表流入水の混合物であり、湖水に含まれるSiO 2 濃度は、熱水と地表流入水濃度の間にあると考えられる。地表流入水の SiO 2 濃度にどのような時間変動があるのか解明されていないが、平均すれば、ほぼ一定である可能性は高い。熱水の SiO 2 濃度は，熱水の温度に依存するので、湯釜湖水の SiO 2 濃度は、熱水の温度を反映すると思われる。図 13(P148)に示されるように、SiO 2 濃度は、2006 年の 11月から上昇を開始し、2007 年は高く、その後、2008 年に入り低下している。この変化は、2006 年の後半から 2007 年にかけて、湯釜に供給される熱水の温度が上昇した可能性を示唆している。
2006 年の夏以降に起きた変動は、総合すると、シーリングゾーンの破壊であったと考えられる。シーリングゾーンの破壊により硫黄を含む揮発性成分が湯釜下の熱水系に供給され、湖水の SO 4 2 - 濃度が上昇したと考えられる。また、シーリングゾーンを構成する二次鉱物の溶解で一部の SO 4 2 - イオンが供給された可能性もありうる。2006 年の活動は、規模が小さかったために、1982，83 年のような水蒸気爆発を引き起こさなかったのだろう。
湖水の SO 4 2 - 濃度の上昇開始は、Mg/Cl 比の上昇よりも約 4 ヶ月先行している。シーリ
135ングゾーンから、最初に硫黄を含む揮発性成分が放出され、シーリングゾーン内の圧力が低下し、そこに地下水が浸入し、水－岩石相互作用が促進され、岩石から Mg などの陽イオンが抽出され、熱水系を介して湯釜に供給されたなら、SO 4 2 - 濃度の上昇の後に Mg/Cl比の上昇したことと整合する。2006 年に始まった湖水組成変化は、2007 年も継続したが、2008 年に入ると、Mg/Cl 比、SiO 2 濃度、SO 4 2 - 濃度の低下が見られ、マグマ－熱水系活動は低下傾向にあると判断される。
(c) 結論ならびに今後の課題
2008 年 10 月から、活動火口観測システムが運用され、水温データ、地温データの連続的な記録を開始した。また水位データやハイドロフォンのデータも連続記録を開始した。
これらデータを蓄積し、季節変動と火山活動との分離を図ることが今後の課題であるが、そのためにはデータを蓄積することが肝要である。
またこれまで観測所ですでに蓄積されてきている定点噴気地の火山ガスの温度、組成、また、火口湖の化学分析から火山の長期的な活動度がモニターされているので、今後総合的な検討を行うことができる。また平成 21 年度からは、ひずみ集中を直接、GPS によってモニターする予定である。
(d) 引用文献
1) Ohba, T., J. Hirabayashia and K. Nogami, 2008. Temporal changes in the chemistryof lake water within Yugama Crater, Kusatsu-Shirane Volcano, Japan: Implications forthe evolution of the magmatic hydrothermal system, J. Volcanol. Geotherm. Res., 178,131-144.
(e) 学会等発表実績
学会等における口頭・ポスター発表
発 表 成 果 (発 表 題 目 、 口 頭 ・
ポスター発表の別)

発表者氏名

発表場所
(学会等名)

発表時期

草津白根山湯釜火口で確認

野上健治・山脇岩 手 大 学 (日 本 火2008 年された噴気活動と臨時観測

輝夫・気象庁火山学会)

10月

(口頭)

山部・前橋地方
幕 張 メ ッ セ (日 本2008 年 5

硫 黄 同 位 体 比 の 長 期 変 動 (ポ地球惑星科学連月スター)合200７年大会)

国際・国内の別
国内

気象台
草津白根山火口湖湯釜湖水

清水惇，大場武第 11 回 ヨ ウ 素 学

群馬県草津白根地域におけ柏木 祐，村松

るヨウ素の起源(ポスター)

康行，大場 武， 会シンポジウム

2008 年

国内

国内

11月

U.FehnTemporal changes in theT. OHBA, J.

The 10th CCVG

2008 年

chemistry of lake water

HIRABAYAS

workshop,

11月

136

国際

within Yugama Crater,

HI,Kusatsu-

NOGAMI

ShiraneK.

Mexico,Volcano, Japan:
Implications for theevolution of the magmatichydro- thermal system(ポスター)
Origin of fluids inKashiwagi,AGU, 2008, Fall2008 年

hydrothermal systems atY.,

Meeting12月

the Kusatsu -Shirane

Muramatsu,Volcano, Japan:Y., Ohba, T.,

Halogenand I-129 results(口頭)Fehn, U.

ハロゲン元素及び129Iシス

柏木祐，村松康

サーモフィッシ

2009 年 3テムを用いた群馬県草津白行，大場武，

ャーサイエンテ月

根火山熱水系における火山

Udo Fehnィフィック株式性成分の起源の推定(ポスタ会 社 (第 ７ 回 同 位ー)

体科学研究会)

国際

国内学会誌・雑誌等における論文掲載
発表場所

掲載論文(論文題目)

発表者氏名

Temporal changes in the chemistryOhba, T., J.

J.Volcanol.

2008年

of lake water within Yugama

Hirabayas

Geotherm.

12月

Crater, Kusatsu- Shirane Volcano,hi K.

Res., 178 ,Japan: Implications for theNogami

131–144(雑誌等名)evolution of the magmatichydrothermal system
マスコミ等における報道・掲載
なし(f) 特許出願、ソフトウエア開発、仕様・標準等の策定
1) 特許出願
なし

2) ソフトウエア開発
なし

137

発表時期

国際・国内の別
国際

3) 仕様・標準等の策定
なし(3) 平成２１年度業務計画案
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。

138

図1

草津白根火山の山頂域を取り巻く観測項目と、観測点の分布

KSW.KSS, KSE はボアホール地震計、KSJ,JIE,KSN は地表の地震計を表わす。G1 から
G5 は水釜の地温センサーの位置を表わす。G5 は湯釜の北東縁に位置し、2008 年から活動的になった噴気帯のなかにある。

139

図2

2006 年 11 月から 2009 年 1 月までの震源分布。草津白根山頂域の地震観測点を（＋）

であらわす。右および下に南北断面および東西断面に投影した震源位置を表す。

140

図 3

南北断面に投影した震源分布の時系列。湯釜水釜境界で活動度が高く、かつ変動も大きいことがわかる。

141

図4

草津白根火山における M-T 図。

142

図5

2009 年 2 月 5 日に湯釜の南側湖岸で発生した M0.2 の地震に関して、3 つのボアホール観測点（KSW,KSE,KSS）の 3 成分、地表観測点 KSJ の上下動、湯釜火口湖における2 つのハイドロフォンデータの記録。

143

図6

上から順に湯釜における湖水の水位（水色）、湯釜の水温 2 箇所 (ほぼ重なっている)、気温（黒）、降水量 (青いバー)を表わす。

図 7

水釜火口周辺の地表下 1m 深における温度の時間変化。最上のプロットは、水釜と湯釜の境界にある 2008 年に出現した新しい噴気（図 1 の G5 観測点）の温度変化を表す。
図 6 と比較すると、大量の降水の後で地温が急激に下がることがわかる。水釜内部の地温G1―G4 はグラフの低温側にプロットされているが、これらは、おそらく季節変動と思われるゆっくりした温度低下を示していることと対照的である。

144

N1G5

図8

湯釜北方に分布する噴気・地熱地帯の分布。特に活発な噴気孔については赤で示す。

N1 は繰り返し観測点で、G5 は水釜の地温センサーアレーのうちの 1 観測点である。

図9

北側噴気孔(図 8 の N1 噴気)における噴気温度の変化

145

図 10

N1 噴気における硫化水素及び水素濃度の時間変化

146

図 11

図 12

湯釜湖水の Mg/Cl 比変動（2004～2008 年）

湯釜湖水の Cl - ，SO 4 2 - 濃度変動（2004～2008 年）

147

図 13

湯釜湖水の SiO 2 濃度変動（2004～2008 年）

148