九大地熱・火山研究報告第 11 号 (2002) 86-89 頁

FT − IR を用いた雲仙火山における火山噴気の遠隔観測
平尾龍也＊・藤光康宏＊＊・西島潤＊＊・江原幸雄＊＊

Remote Observation of Volcanic Gases by FT − IR at UnzenVolcano
Tatsuya HIRAO*，Yasuhiro FUJIMITSU**，Jun NISHIJIMA** and Sachio EHARA**

ABSTRACT
We have applied FT-IR remote sensing to the measurement of chemical composition of volcanic gas in Unzen volcano，Japan．The observation was carried out four times between October 1999 and August 2002．As a result，CO and CO2
were remotely detected and those column concentrations were calculated by quantitative analysis．The variation of fumaroletemperature，molar ratio of volcanic gas component and equilibrium temperature show that the activity of Unzen volcano
tends to settle down．
１．はじめに

２．雲仙火山の概要

火山ガスは火山活動を通じて地下から供給される気雲仙火山は長崎県の島原半島に位置する活火山であ体成分であり、その化学組成の変化は、火山内部の変る。有史以後の活動としては、1663 年の安山岩溶岩 ( 古化を敏感に反映していると考えられる。従来、火山ガ焼溶岩 ) の流出と、眉山が崩壊して大災害となったスの遠隔測定には相関スペクトロメータ (COSPEC) が1792 年のデイサイト質溶岩 ( 新焼溶岩 ) の流出が知ら用いられてきた ( 大喜多･下鶴，1975)。この COSPECれている。1990 年 11 月、198 年ぶりに雲仙普賢岳はは 300nm 付 近 の 紫 外 光 を 利 用 す る も の で、 こ れ に噴火を開始した。噴火は、水蒸気爆発による火山灰のより SO2 の観測が可能となった。SO2 以外の成分に噴出に始まり ､ 溶岩ドームの形成 ､ 火砕流･土石流のつ い て は、 赤 外 領 域 ( 約 400 〜 4000cm-1) を 利 用 す発生へと活動の形態を変えながら 1995 年まで続いた。

るフーリエ変換赤外分光法 (FT-IR) が開発され、こ現在、噴火活動は終息し、噴気ガス温度は低下の傾

れ ま で に SO2（Notsu et al．
，1993）、HCl(Mori et al．，

向にある。しかし、1999 年 10 月に 461℃の噴気ガス

1993)、SiF4(Francis et al．
，1996)、CO( 小野他，1997)、が観測されており、噴気孔においてモリブデンブルー

CO2(Mori and Notsu，1997) などの検出が報告されていの付着も確認されていることから ( 九大島原，2001)、る。

地下は依然として高温であると考えられる。

本研究では、長崎県の雲仙火山において、1999 年10 月 4 日、2000 年 8 月 11 日、2001 年 8 月 10 日、

３．雲仙火山における観測2002 年 8 月 8 日の計 4 回、FT-IR による噴気の遠隔観

3 − 1．観測装置測を行った。その結果、全ての観測において、CO と使用した装置は BOMEM 社製の MB100 型フーリ

CO2 の 2 成分が検出され、CO2/H2O、CO/CO2 及び平エ変換赤外分光計である。センサーは InSb（1800 〜衡温度が算出された。そこで、本論文では、これまで4000cm-1 対応）、望遠鏡は 5mrad の視野角を持つカセに求められた噴気温度や各成分比、平衡温度の経時変グレン型狭視野望遠鏡を使用した。また、解析の際に化と雲仙火山の活動との比較を行った。なお、4 回の必要となる噴気温度の測定には NEC 三栄製 TH3100

観測で観測位置･解析方法ともに同一のため、解析結赤外熱映像装置を用いた。

果の詳細については 2002 年 8 月のもののみを示した。
*

九州大学大学院工学府地球資源システム工学専攻地球熱システム学研究室〒 812-8581 福岡市東区箱崎 6-10-1
Laboratory of Geothermics, Department of Earth Resources Engineering, Graduate School of Engineering, Kyushu
University, 6-10-1 Hakozaki, Higashi-ku, Fukuoka, 812-8581, Japan**
九州大学大学院工学研究院地球資源システム工学部門地球熱システム学研究室〒 812-8581 福岡市東区箱崎 6-10-1
Laboratory of Geothermics, Department of Earth Resources Engineering, Faculty of Engineering, Kyushu University,
6-10-1 Hakozaki, Higashi-ku, Fukuoka, 812-8581, Japan86

FT − IR を用いた雲仙火山における火山噴気の遠隔観測

3 − 4．ノイズの除去
本研究のターゲット測定では、上述のように噴気の変動を考慮してスキャン回数１回で観測を行ってい平成新山

UNZENる。しかし、1 回スキャンでは装置の問題から発生するノイズや赤外線強度の低下によるノイズの影響を無普賢岳視できない。

Target point

このため、本研究ではスキャン回数 1 回で観測したスペクトルを解析時に積算し、S/N 比を向上させる手法を採用している。この手法を用いた場合の噴気温度は、個々のスペクトルを観測したときの噴気温度のヒストグラムを作成し、最頻値の温度を採用した。

Background point

４．解析結果4 − 1．スペクトル解析
本研究では、3 − 3 に示すようにターゲット測定とObservation point
仁田峠

バックグラウンド測定を差し引いて、観測スペクトルを作成している ｡ この際、両測定での光源温度の違0いが問題となるが、本研究ではスペクトル解析前に500 m

HITRAN データベース (Rothman et al．，1987) を用い

Fig.1 Topographic map of Unzen volcano．て理論スペクトルを作成してベースラインを修正する

3 − 2．噴気温度

ことで光源温度の違いによる影響を取り除いている。

噴気温度は以下のように決定した。本研究で用いた望遠鏡の視野角は 5mrad であり、今回の観測の観測

4 − 2．定性分析

距離は約 1860m であるので直径約 9.3m の円内を観測

定性分析は観測スペクトルと理論スペクトルとの比していることになる。一方、赤外画像上の 1 画素は、較によって行う。各成分はそれぞれに決まった波数に水平方向に 3.82m、垂直方向に 3.87m となる。これより、吸収帯を持っているため、観測スペクトルと理論スペ分光計の円内の画素数は、水平方向に 2.4 画素、垂直クトルの同じ波数域に吸収帯が確認できれば、その成方向に 2.4 画素となる。しかし、長方形の画素を円に分が含まれていると考えることができる。本研究で置き換えることは困難なので、今回はすべての観測に解析時に見ているのは、CO が 2160 〜 2190 cm-1､CO2おいて、赤外画面上の中心画素と、中心画素の上下、が 2230 〜 2260 cm-1 の波数域である。

左右計 5 つの温度の平均を温度の測定値とした。
4 − 3．定量分析
3 − 3．観測方法

本研究では、HITRAN データベースを用いて作成さ噴気に向けて観測を行った場合、得られたデータにれた 2 成分 ( 目的成分と H2O) を同時に分析することは大気成分の吸収も含まれている。このため、本研究が可能なフィッティングプログラム 'TCAFP'( 小野他，

では噴気に向けての測定 ( ターゲット測定 ) とは別に、1998) を用いて定量分析を行っている。定量分析では、大気成分のみの測定 ( バックグラウンド測定 ) を行い、観測スペクトルと理論スペクトルをパラメータ ( 各成両者を差し引くことで大気成分の影響を取り除いてい分の濃度、温度、全圧、機器の装置関数など ) を変化る。

させながらあわせ、条件があった理論スペクトルの濃Fig. 1 に 2002 年 8 月 8 日の雲仙火山における観測度から観測スペクトルのカラム濃度 ( 噴気成分の測定位置を示す。観測は、仁田峠の展望台から行った。ター方向への積算値 ) を求める。

ゲット測定は平成新山頂上付近の噴気に対して行い、バックグラウンド測定は平成新山中腹の斜面で行っ

Fig. 2 に 2002 年 8 月 8 日 に 観 測 さ れ た CO と CO2のフィッティング結果を示す。

た。光源温度はターゲット測定が約 27℃、バックグラウンド測定は約 25℃であった。スキャン ( 走査 ) 回

4 − 4．噴気成分比について

数は、ターゲット測定では噴気の状態･光源温度が変定量分析で得られるカラム濃度は、噴気幅が特定で化していることを考慮して１回 ( 測定時間約 5 秒 ) ときれば濃度への変換が可能である。しかし、カラム長し、これを 50 回繰り返し測定した。バックグラウンは噴気の変動や風などの影響で変化する。そこで、本ド測定では、噴気の状態･光源温度が一定と考えられ研究では成分比を求め、この成分比について議論を進るので S/N 比を向上させるため、スキャン回数 50 回めた。Table 1 に、2002 年 8 月 8 日の観測における噴とした。

気温度 ､CO/H2O､CO2/H2O､CO/CO2 及び CO/CO2 より87

平尾龍也・藤光康宏・西島潤・江原幸雄(b)CO2

(a)CO

0.8

0.045

AbsorbanceAbsorbanceObserved
Calculated

0.036
0.027
0.018
0.009

0.040.035
CO0.03
H2O0.025
0.020.015
0.010.005
02160 2165 2170 2175 2180 2185 21900.40.2

Absorbance

0.8
CO2H2O

0.6
0.4
0.202230 2235 2240 2245 2250 2255 2260

Wave number(cm-1)

Wave number(cm-1)
Fig.2

Observed
Calculated

02230 2234 2239 2244 2249 2254 2260

02160 2165 2170 2175 2180 2185 2190

Absorbance

0.6

Analyzed spectra of (a)CO and (b)CO2．In each figure set，the upper indicates comparison between the observed

and the theoretical spectra of volcanic gas and the lower indicates the theoretical spectra of each component．
算出した平衡温度 ( 詳細は Mori and Notsu，1997) を示

100℃以上低い値となっている。また、この結果は、す。

Fujimitsu et al．(2002) において、火道内のマグマの温度が直線的に減少していると推定されていることに一Table 1 Fumarole temperature，molar ratio of each

致しており、雲仙火山の内部は依然として高温状態に

component and equilibrium temperature．

27 (℃)

Fumarole temp.
CO /H2Oあるものの、徐々に冷却が進んでいると考えられる。
６．まとめ–3

本研究では、長崎県の雲仙火山において 1999 年 10–3月から 2002 年 8 月の間に計 4 回、FT-IR による噴気(1.51±0.09)×10

CO2 /H2O(6.32±0.13)×10

CO/CO2(2.39±0.16)×10–3

Equilibrium temp.の遠隔観測を行った。
そ の 結 果、CO と CO2 の 2 成 分 が 検 出 さ れ、CO/735±113(℃)

CO2、CO2/H2O 及び噴気温度 ､ 平衡温度の経時変化が得られた。そこで、得られた各成分比及び噴気温度 ､５．噴気成分比の変化と火山活動平衡温度の経時変化と火山活動との比較を行った。

Fig. 3 に噴気温度、平衡温度及び成分比の経時変化

CO/CO2 と噴気温度はほぼ同じ傾向を示し ､ ゆるやを示す。図を見ると、噴気温度 ､CO/CO2 はゆるやかかに減少している。CO2/H2O についても長期的にはな減少傾向にあり ､CO2/H2O についても、多少上下動ゆるやかな減少傾向にあると考えられる。

しているものの長期的には減少傾向にあると考えられ平衡温度の値も誤差の範囲ながら減少傾向にあり、る。

2002 年 8 月に観測した値は 735 ± 113(℃ ) となった。

平衡温度の値も誤差の範囲ながら減少傾向にあり、この値は火道内の温度 759℃ (Fujimitsu et al．，2002)

2002 年 8 月に観測した値は 735 ± 113(℃ ) となった。とほぼ等しく、過去の平衡温度と比較して低い値とこの値は現在推定されている平成新山の火道内の温なっている。また、この結果は、Fujimitsu et al．(2002)

度 759℃ (Fujimitsu et al．
，2002) とほぼ等しい値であにおいて、火道内の温度が直線的に減少していると推り ､ 噴気の直接サンプリングから求められた平衡温定されていることに一致しており、雲仙火山の内部は

度 850 〜 910℃ (Ooba et al．
，1994) や 1999 年 10 月に依然として高温状態にあるものの、徐々に冷却が進ん

FT-IR で観測した 873 ± 137℃という値と比較するとでいると考えられる。
88

Fumarole Temperature(℃)

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0.01
0.008
0.006
0.004
0.002
000 /

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