|
電磁気で視た2000
年三宅島火山活動 地震予知研究推進センター 笹井洋一・上嶋 誠海半球観測研究センター
歌田久司 火山噴火予知研究推進センター
鍵山恒臣 |
1．火山を透視する電磁気観測
三宅島火山では本年6 月26 日夕方に，山頂直下で地震が群発し，大きな地殻変動が起こって，マグマの貫入が始まっていると判断されました．このマグマ貫入事件は神津島・新島付近に眠っていた（おそらく別な）マグマを刺激して，激しい地震活動を引き起こしました．三宅島では7
月に入って再び山頂直下の地震が始まり，7 月8 日に山頂で水蒸気爆発が発生，直径1 km 弱，深さ100 m 以上の大きな陥没孔が出来ました．この陥没孔からは火山灰を放出する噴火が数回起こり，孔は拡大し深くなり続けて，8
月18 日に最大規模の噴火をしました．まさに2500年前に起こったとされる山頂カルデラ（八丁平）形成を，私達はもう一度目の当たりにした訳です．9月以降陥没孔の拡大は止まったものの，8
月29 日の火砕流もどきの噴火に加えて，SO2
を主とする有害な火山ガスが大量に放出されるようになり，ついに全島民避難のやむなきに至りました．
電磁気観測ではプロトン磁力計による全磁力，大地に電流を流したり自然の地磁気変化を利用した比抵抗，そして地面に電極を埋めてケーブルでつなぎ両端の電圧を測る自然電位の3 種類の測定が行われます．マグマや熱水の上昇によって火山体の一部の温度が上昇すると，岩石に含まれる磁鉄鉱は磁気を失い，地磁気の変化として記録されます（熱磁気効果）．またマグマ溜りの圧力増大やマグマ貫入に伴って大きな応力が発生すると，応力による岩石磁気の変化が起こります（ピエゾ磁気効果）．火山活動ではマグマから抜け出した水蒸気や温められた地下水の流れ，いわゆる熱水対流が大規模に生じます．この地下水はイオンを含んでいて電荷を運ぶので，電流が流れることになります（界面動電現象）．自然電位の変化は主として，地下水の流れで発生します．一方，マグマや熱水は通常の岩石より非常に抵抗が低いので，比抵抗測定でとらえることが出来ます．三宅島では1983
年噴火当時と1997 年以来，MT 法と呼ばれる手法で比抵抗測定が行われ，この火山の噴火の仕組みにまつわる比抵抗構造が明らかになってきました．
このように3 種類の異なる電磁気観測を組み合わせて，噴火機構を解明しようというのが，火山電磁気学の最近の傾向です．三宅島では全国大学や気象庁との協力，そして日仏米の国際協力を含めて，世界でも最先端の取り組みが行われています．地震研究所は1925
年の創立以来，1940 年，1962 年，1983年そして今回と，4 回の三宅島火山噴火に遭遇しており，このいずれの機会にも電磁気観測が行われました．とりわけ1940
年には地磁気と自然電位の観測がなされて，大きな地磁気変化が観測されており，火山における近代的な電磁気観測のさきがけと評価されています．電磁気データから数千年に一度といわれる今回の三宅島火山活動はどのように視えるのか，を紹介します．
2． 1996 年夏頃から全磁力に前兆変化
私達は1995 年10 月から三宅島で電磁気観測を強化して来ました．図1 に三宅島における電磁気観測点の分布を示します．丸印は1995 年10 月頃から動いているプロトン磁力計6 点と本年7 月以降に追加されたプロトン磁力計8 点，四角形は長基線電位測定の電極で，NTT 電話回線でつなぎ島全体をカバーする配置で自然電位を測っています．この他に山頂カルデラ内には短基線の自然電位観測点や人工電流源を用いた比抵抗測定装置があり，いずれもOPGC （フランス）と共同観測を行っていました．とりわけ比抵抗測定は期待されましたが，残念ながら山頂陥没によってカルデラ内の全ての器械は失われてしまいました．
|
|
図１ 三宅島における電磁気観測点分布
図2は柿岡（KAK ：気象庁地磁気観測所・茨城県八郷町）を基準とした，三宅島の南北中心線上の5
観測点の全磁力変化です．1996 年中頃から1998 年中頃にかけて，OYM で10 nT 増加，TRKで−5 nT の減少がはっきり見えます．それ以外の観測点ではこのような変化は見られないので，OYM
とTRK の間，山頂の南側のやや浅いところで温度が上昇して，岩石が磁気を失っていると推定されました．
|
|
図２ 三宅島における全磁力変化（1995.10 _2000.05 ）柿岡を基準とした全磁力単純差の5 日平均．
図3 にこの温度上昇域の推定位置（E ）が示されています．この図は1983 年噴火以来の電磁気観測で判っている，火山体内部の温度変化の様子を示したものですが，詳しい説明は省きます．その後の詳しい解析によって，このE
領域は三宅島火山の平均磁化が全て失われた（580 ℃以上の温度変化＝マグマによる）とすれば，半径100 m 位の球状体積に相当し，また平均磁化の10 ％位が消磁した（100
℃程度の温度上昇＝熱水による）とすれば，その10 倍の体積になります．地磁気データだけではどちらなのか決められませんが，マグマから分離した熱水がこの位置まで上昇してきたのではないかと，私達は推定していました．
|
|
図３ 電磁気観測から推定された1983 年噴火以降の三宅島火山内部の温度変化の領域．E 領域が熱消磁してOYM とTRK の全磁力変化（図2 ）をもたらした．
図3 のE 領域の存在は，今回の活動の仕組みを考える上で重要です．6 月26 日夕方に始まった群発地震はこのE 領域直下の数km で発生しました．7 月8日の山頂陥没以降，7 月14 ，15 日，8 月10 ，13 日の火山灰噴出，また現在も続く噴煙活動は，このE 領域の真上，陥没孔の南の縁に近い火口から出ています．つまり深部のマグマと山頂をつなぐ通路があって，E 領域はその中間の位置を示していると考えられます．また「サウナ」と呼ばれる山頂の噴気地帯の下に，直径500 m 位の熱水溜り（図3 のC 領域）があったことが比抵抗探査から判っています．ここは1990 年代を通じてゆっくり冷えており，E 領域とつながって新たな熱の供給を受けてはいませんでした．このように山頂カルデラの下には何本も深部につながる通路があったと考えられます．これは7月8 日の山頂陥没事件の発生機構を考える上での鍵となります．
3．
7 月8 日の山頂陥没はたったの4 分間で完了
―列柱構造の崩壊
7 月8 日18 時41 分過ぎに，三宅島山頂で水蒸気爆発が発生しました．テレビで放映されたように，火山灰まじりの白煙が800 m の高さに上り，日没で見えなくなるまで続きました．翌日の山頂の様子が写真1 （中田（火山センター）による）に示されています．この写真では八丁平の草原があまり灰をかぶらないでずり落ちている様子，大穴火口やサウナの北側のピークがそのまま残されていることなどが見て取れて，いくつかのブロックに分かれて回転してはいますが，かつての山頂地形がストンと100 m 以上も落ち込んでいます．
|
|
写真１
陥没が起こった翌朝，北西側からのぞんだ山頂陥没口．7 月9 日午前，海上保安庁機から中田撮影．
図4 に三宅島の5 観測点の7 月8 日18 時台における毎分の全磁力変化を示します．OYM
で約460 nTという大きな全磁力変化が観測されていますが，それは18 時45 分には終わっています．北側斜面のKMU でも同時刻に−7 nT の減少が記録されました．これは大きな磁石の塊である山頂地形が消失したことによる地磁気変化です．この時刻から翌日写真1
が撮影される頃まで，めぼしい全磁力変化は起こっていません．つまり，この巨大な陥没孔はたった4 分以内に形成されたのです．図中の縦線の時刻（18h41m30s ）に爆発が起こり，遠方でも地震計にとらえられました．地震波の解析によれば，一様膨張と上方への突き上げに続く下方への突き下ろし，という力の組み合わせが約10
秒間続いたとすると，地震波形をうまく説明できるようです（菊地・山中：EIC 地震学ノートNo.85 ）．ですから何らかの「爆発」がきっかけでこの陥没が起こったことは確かです．
ここで思い起こされるのは，古いビル等を壊すのに用いられる「インプロージョン」（内向けの爆発）と呼ばれる技術です．テレビでご覧になった方も多いと思いますが，建物の要所々々に爆薬を仕掛けて，外部に破片を放出せずに一挙に崩壊させるものです．陥没孔の壁を観察した結果，多数の岩脈（ダイク）の貫入が見られ，山頂カルデラは隙間の多い構造を頑丈な岩脈が支えている作りだったことが判りました（大島（東大教養）：2000 年7 月地震研談話会発表）．極端なたとえですが，古代のギリシャ神殿のように列柱で上部を支える建物で，柱が折れて屋根が落下したようなものです．列柱にひびを入れたのは，神津島，新島付近で続いた激しい地震でしょう．三宅島では7
月1 日から再び山頂直下で地震が起こり始めて，ついには有感地震が多発するようになりました．この山頂地震はマグマが再度貫入・上昇しようとしたのではなく，列柱構造が徐々に壊れていったことを示すと考えられます．
7月始めから三宅島の南北中心線の観測点で，全磁力は減少を続けました．KMU
を基準とした全磁力変化を図5 （a ）に示します．7 月1 日を起点に，これらの全磁力変化が山頂の下のある深さのダイポール（双極子：磁気を失った球状領域）で説明できると仮定して，その位置を求めたのが，図5
（b ）です．一番深いダイポールが噴火前1 週間のゆっくりした変化の原因，次に8 日当日の急激な変化の原因，そして最後に山頂陥没に見合ったOYMS 等の変化を説明するダイポールという風に，その位置は段々浅くなります．驚いたことにこの球の体積はほとんど変わらず，最終的に山頂の陥没体積とほぼ一致します．つまり7
月8 日の最初の陥没に相当する空隙は，ダルマ落しのように地下1.5 km から上方に移動したことになります．
|
|
図4 7 月8 日山頂水蒸気爆発に伴う全磁力変化．日変化を除くためHJJ
（八丈）との差をとった毎分値．
|
|
図5 （a ）7 月8 日の山頂陥没に先行した全磁力変化．KMU を基準とした毎時平均．
|
|
図5 （b ）山頂陥没のまえ1 週間の緩やかな変化，当日の急激な変化，陥没に伴う変化を説明する等価な消磁ダイポールの位置．海面下の深さ1.5
km から浅くなった．
さらに陥没直前の山頂地下浅部の様子を示唆するデータがあります．7 月4 日に山頂カルデラ内部で自然電位分布の測量を行ったところ，従来強い正異常を示していた雄山展望台付近が，反対に強い負の値を示すことが見つかりました．このあたりは熱水の上昇地域であるために正の電位だったのが，地下水の吸い込みによってマイナスの電位に変わっていたと考えられます．7 月1 日に「サウナ」噴気地帯に地中温度計が設置されました．ここの地中温度は一時（多分6 月末の段階）高温になった後，急速に冷却していることが判りました（熱・電磁気グループHP 参照）．この観測事実も山頂で地下水の急激な吸い込みが発生していたことを支持します．しかし7 月9 日以降に続いた陥没口の深化と拡大は，列柱構造が崩れていったというモデルでは説明できません．最終的に形成された陥没孔の体積は，地下に始めから存在したと推定される空隙（最大でも空隙率10 ％位？）に比べて，あまりにも大きいからです（写真2 ）．そこで地下数km 以深に存在していたマグマがどこかに行ってしまって，その空間に見合った陥没が生じた，というのが基本的には正しい解釈でしょう（重力観測班HP 参照）．電磁気データで視える世界はやや浅くて，とくに岩石のキュリー点を越えて高温な状態での出来事は良くわかりません．しかし陥没孔の拡大が八丁平カルデラの壁で止まっているという事実は，地表の陥没地形は力学的に弱い部分が壊れた（つまり列柱構造の崩壊）ことで作られていることを示しています．電磁気データによれば，そのような「弱い構造」（広義の火道領域）は地下1.5 km 位まで続いている，と推定されます．
|
|
写真2 北東側からのぞむ陥没火口．火口は直径約1.6 km にまでなった．9 月3 日午前，自衛隊ヘリから中田撮影．
4．傾斜ステップに伴う電場と磁場の変化
7 月8 日の山頂陥没以降，1 日に1 _2 回の割合で山頂方向が急激に隆起する現象が，防災科学技術研究所のボア・ホール傾斜計によって観測され，傾斜ステップと呼ばれています（防災科技研HP
参照）．このステップはゆっくりした地震動を伴っていることが，広帯域地震計や強震計によって捉えられました（菊地・山中・大湊：強震計班のHP 参照）．面白いことに，この地震計の速度波形とそっくりな変化が，自然電位にも現れます．
図6 に7 月14 日02h12m 前後の傾斜ステップに伴う電場（自然電位）の変化を示します．上段の3 つのカーブがそれぞれ村営牧場（BKJ ），角屋敷（KDY ），三池（MIK ）と大路池アカコッコ館（TAR ）との電位差，その下に短周期波動を取り除いた広帯域地震計の速度波形（笠地：雄山の西斜面）と，最下段に元の地震波形です（大湊（火山センター）による）．電場変化の継続時間も地震動とほとんど同じですが，電場のピークが約10 秒遅れるのが特徴です．振幅の大きい傾斜ステップについては，すべて同様な電場変化が観測されました．
|
|
図6 傾斜ステップに伴う長周期地震と同じに現れる自然電位の変化．
ところが同じ現象に対して，全磁力でも変化を生じていることが判りました．図7 は同じく7 月14 日の午前2 時台の全磁力変化を，島の南北中央軸にそった観測点について並べたものです．プロトン磁力計は毎分計測ですが，02h12m
と13m の間で，KMU でマイナス，TAR でプラスの明瞭な跳びがあり，それ以外の点でも変化が認められます．これらの変化は傾斜計と同じステップ状（地震計では変位波形に相当）で，島の北側で負，南側で正という特徴があります．
傾斜計と地震計の記録から，この傾斜ステップは三宅島火山のある深さで急激な膨張が起こってゆっくり元に戻る現象と考えられます．自然電位の変化は力源の膨張によって四方八方に水の流れが広がってゆき，それに伴って電流が流れて力源のまわりの電位がマイナスになることで説明できます（1 で述べた界面動電効果）．ピークのずれは，圧力増加より水の流れが遅れて始まることを示します．自然電位の変化は島の南側の電極にだけ明瞭に現れているために，電場発生源（＝圧力源）の位置は山頂陥没孔の真下ではなく，南西側山腹の深さ2
_4km と求められました．
それでは磁場変化の方はどうでしょうか？自然電位に示されている電流が磁場を作っているなら，電流が無くなると同時に磁場も消えてしまい，図7 では1 分間だけ全磁力に跳びが生じて，また元に戻るはずです．実は傾斜ステップという言葉通りに，急激に増加した圧力はそのまま持続しています．そこで三宅島のある深さに一様膨張する圧力源（茂木モデル）を考えると，1 で述べたピエゾ磁気効果によって，圧力源の真上から南側で正，北側で負の全磁力変化が期待されることになり，観測をよく説明します．そしてKMU とTAR で大きな磁場変化が観測されることから，圧力源はやはり陥没孔の直下ではなく，南側の深さ3 km 程度にあると推定されました．これら電磁気データから求めた圧力源の位置は，広帯域地震計の解析から求められたものとほぼ一致しています．
|
|
図７ 傾斜ステップ発生時に起こる全磁力の変化．
5 . 8 月18 日噴火が活動の大きな転換点
傾斜ステップは8 月18 日の大規模噴火の後，発生しなくなってしまいました．ステップを引き起こしていたシステムそのものが吹き飛ばされた，と考えられます．ここで6 月以来の全磁力変化を，代表的な観測点について見てみましょう．
|
|
図8 三宅島の代表的な観測点の本年6月以降の全磁力変化．YAT(八ヶ岳)を基準にした単純差日平均．
図8は11 月末までの全磁力変化（八ヶ岳を基準とした日平均）です．この図のうちでRES
（レストハウス）とTJM （手島牧場）の2 点がテレメータされています．KMU （神着上）には現在もデータを取りに行けませんし，他にも4 点の磁力計が貴重なデータを
抱いたまま，灰の下に埋もれています．陥没孔の南斜面に位置して，最も重要なTRK （大路池北）には11 月末に行くことが出来て，8 月9 日以来のデータを復元しました．
全磁力変化の大勢を見ると，7 月8 日の山頂陥没から，顕著な全磁力の増加（KNS とTJM ：島の東西）と減少（KMU ，TRK ，TAR ：島の南北中央軸）が始まり，8
月18 日の大規模噴火を境に横ばいになっています．とりわけ注目されるTRK では，欠測期間が長いのですが，9 月下旬と11 月下旬の間にもほとんど変化が無かったようです．全磁力が島の東西で増加し，南北中心軸で減少するパターンは，陥没孔が拡大深化して磁気物質が無くなったことで，定性的には説明できます．ところが陥没孔の形を円柱で近似してその影響を見積もってみると，予想されたことですが，計算される変化量より実際に観測された変化の方が，20
％から50 ％位大きいことが分かりました．これは三宅島の地下数km あたりの温度が上昇して，岩石が磁気を失ったためと考えられます．つまりプロトン磁力計は火山のやや深い所の温度変化を知る温度計です（このあたりの議論については熱・電磁気グループ（鍵山）のHP
をご覧ください）．
8 月18 日17 時ころから始まった大規模噴火に際して，村営牧場の電位が大路池に対して100
mV も増加しました．この変化は1 時間位かけて終了し，電位は上昇したままです．もともと村営牧場付近は海岸に対して電位が400 mV も低く，割れ目噴火帯からの雨水の浸透に伴うものと考えられてきました．電位はここから山頂にかけて急激に高くなり，三宅島火山の熱水対流系が見事に自然電位の分布に表れていました．8
月18 日の電位変化は，この熱水対流系に大きな変化が起こったことを示唆しています．近いうちに自然電位分布の再測量を実施して，これを検証するつもりです．8 月18
日の噴火を境に全磁力変化が横ばいになり，ゆっくりとではあるが，それまでの変化傾向から反転しているーこの観測事実は重要です．三宅島の深部では温度上昇が止まって，少しずつ冷えていることが示唆されるからです．これはSO2 が大量に放出されたり，陥没孔内の温度が上昇したりしている9 月以降の状況と矛盾するように思われます．しかし三宅島の地下には海水の浸透も含めて大量の地下水があり，現在はその地下水を総動員して冷却が行われていて，その熱（＝水蒸気）の捨て場が山頂火口である，と考えれば不思議ではありません．11
月末現在三宅島では，8 ヶ所でプロトン磁力計が動いており，そのうち4 箇所がテレメータされるようになりました．全島に網を張った形でNTT 電話回線を利用した長基線の自然電位観測は，商用電源が使えないため休止中です．人々が早く帰島できるように火山活動の監視と予測に役立つことを目指して，私達も少しずつ電磁気観測の強化を図っています．
目次 へ戻る
2001/07/07