伊藤伸一^1,2、加納将行³、長尾大道^1,2
1東京大学地震研究所、²東京大学大学院情報理工学系研究科、³東北大学大学院理学研究科
Shin-ichi Ito, Masayuki Kano, Hiromichi Nagao, Adjoint-based uncertainty quantification for inhomogeneous friction on a slow-slipping fault, Geophysical Journal International, Volume 232, Issue 1, January 2023, Pages 671–683, https://doi.org/10.1093/gji/ggac354

　地震は断層がすべることで発生しますが、その運動形態は断層面内に発生する摩擦力の空間分布に依存します。摩擦力の空間分布の詳細を調べることは複雑な断層運動の物理的理解に大きく役立ちます。地下深くの断層を直接見て調べることは困難なので、取得可能な限られた観測データを使って、「現実に観測されている運動が実現されるには摩擦力の空間分布はどうあるべきか」を推定し、さらに、その不確実性の空間分布を評価することで、「主要な運動に寄与している場所はどこか」を推定する必要があります。これらを達成するために地震のシミュレーションモデルとベイズ統計学を合わせたデータ同化などの手法が近年利用されつつありますが、地震のモデルは一般に規模が大きく、既存のデータ同化法では「次元の呪い」により計算が大規模化し推定が困難になるという問題がありました。この計算量的な困難さは推定したい空間分布の解像度を制限してしまうので、本来あるべき空間分布の詳細な構造およびその不確実性の評価を達成するための新しい手法の開発が求められています。本研究では、近年提案された数値解析の知見に基づいた新しいデータ同化手法[Ito, Matsuda, and Miyatake, BIT Numer. Math., 2021]を豊後水道沖のスロースリップ発生帯を模擬した地震モデル[Hirahara and Nishikiori, GJI, 2019]へ適用し、摩擦力空間分布の不確実性を高解像・高精度に評価する手法を開発しました[図1]。これにより、解像度を制限することなく不確実性の詳細な構造を現実的な計算量で評価できるようになりました。本研究成果は、地震運動の物理的理解への一助となるだけでなく、推定される詳細な不確実性の構造と運動の比較に基づいた効率的なデータ取得の指針へのフィードバックなど、実用的な問題への貢献も期待されます。

前野 深¹・金子隆之¹・市原美恵¹・鈴木雄治郎¹・安田 敦¹・西田 究¹・大湊隆雄^1
1: 東京大学地震研究所

Maeno, F., Kaneko, T., Ichihara, M., Suzuki, Y.J., Yasuda, A., Nishida, K. and Ohminato, T.
Seawater-magma interactions sustained the high column during the 2021 phreatomagmatic eruption of Fukutoku-Oka-no-Ba. Commun Earth Environ 3, 260 (2022).
https://doi.org/10.1038/s43247-022-00594-4
https://www.nature.com/articles/s43247-022-00594-4

【論文のポイント】

• 2021年8月13日に小笠原諸島・福徳岡ノ場で発生した噴火の表面現象と推移を，遠隔観測，噴出物分析，モデリングにもとづき詳細に明らかにした。
• 浅海での火山噴火では，海水とマグマとの相互作用により噴出物の運搬・堆積過程や噴煙の形成過程が陸上の噴火とは大きく異なることを明らかにした。
• 本研究で明らかとなった浅海での爆発的噴火の特徴やプロセスは，海域火山噴火に伴う諸現象とハザードの理解を進めることに貢献する。

【発表内容】

　火山噴火が浅海で起きた場合に海域特有のさまざまな現象とハザードが生じることが最近の事例（西之島，福徳岡ノ場，フンガ火山）で浮き彫りとなった。発生する現象の中でもとくにマグマ水蒸気爆発のメカニズムの理解を進める上で，これらの事例は重要である。マグマ水蒸気爆発に関する研究は古くからあるが，マグマと外来水との爆発的相互作用のプロセス，外来水との混合比率に対する噴煙高度の関係など不明な点も多い。2021年8月13日に発生した小笠原・福徳岡ノ場火山（FOB）での噴火はこのような問題に取り組むための貴重な機会を提供する。本研究ではこの噴火の高解像度時系列記録（衛星，インフラサウンド），地質・物質科学的データ，噴煙モデリングにもとづき表面現象の分析を行い，浅海におけるマグマと海水との相互作用のプロセスについて考察した。

　FOB噴火は浅海底で始まったがジェットは海面を突き抜け，高度16 kmの水に富む噴煙を形成した。衛星Himawari-8は噴火の早い段階から浮遊軽石が給源から湧き出す様子を捉えた（図1）。衛星および父島での空振観測データにもとづくと，噴火最盛期の8月13日12時から20時頃まで，スルツェイ式噴火^注1)とは異なる特徴の持続的な傘型噴煙および空振が発生した（図1の青色バー）。この間に火砕密度流の発生も確認されている。これらの活動により給源付近では海が埋め立てられ新島（タフコーン）が形成された。およその地形変化と漂流軽石の分布域にもとづく噴出量は0.03–0.1 km³（DRE）と推定される。

　岩石の全岩化学組成はトラカイト，石基ガラス組成はSiO₂ ~68 wt.%であった。主要な軽石の石基ガラス中のSO₃濃度および斜長石中のメルト包有物のSO₃濃度の差分からSO₂脱ガス量を~73.3 ppmと推定した。この分析結果と，新島および漂流軽石の体積（噴出量）をもとにSO₂放出量を2万数千トン以下と推定した。衛星観測にもとづくSO₂放出量の暫定値は数万トンのオーダーと推定され，地質・岩石から推定した値と大きくは矛盾しない。このことは，観測されたSO₂放出量は新島形成と漂流軽石に関わった火砕物のみで概ね説明できることを意味する。さらにマグマ噴出率，海水混合率，噴煙高度の関係を，1次元噴煙モデルを用いて検討したところ3–6 × 10⁵ kg/sの噴出率により噴煙高度の観測結果を説明できることがわかった。この推定では噴出源において漂流軽石が熱のみを噴煙に与える効果を考慮した。

　得られた結果を統合すると，8月13日の噴火最盛期について次のようなプロセスが考えられる（図2）。
　(1) 海底火口直上の噴煙（ジェット）周縁部では海水が高い比率で混合し密度が増加するため，この部分は海面を突き抜けることができずに火砕物は主に水中，水面に拡散した。マグマの熱は海水の気化と噴煙全体の密度低下に寄与した。(2) 噴煙（ジェット）コア部分では海水との混合は限定的であり，取り込んだ海水の気化・膨張により浮力を獲得し高い噴煙を生じた。噴煙の根元で海水との混合比率が大きくなった場合は密度が増加し火砕密度流が発生した。(3) これらの結果，噴出源付近では大量の火砕物が集積し，漂流軽石の発生や陸化が急速に進んだ。海水–大気境界という媒体の大きな物性コントラストが，噴煙による熱物質の輸送過程に大きな影響を及ぼしたことが今回の噴火の最大の特徴と考えられる。

　FOB噴火は噴出量0.1 km³に達する規模の噴火であったが，（水蒸気）プリニー式噴火^注2)であったことを示す証拠は十分に揃っていない。また，高度16 kmに達する持続的噴煙柱を形成したという点で，浅海で発生するより規模の小さいスルツェイ式噴火^注1)とも異なる。観測とモデリングは，マグマ（軽石）に加熱された海水が気化することで大量の水蒸気が発生し，噴煙の成長が促進されたこと，大気中に拡散した噴煙に大量の火砕物が含まれている必要はないことを示す。以上の点からFOB噴火は，観測史上ほとんど例のない「大規模なマグマ水蒸気爆発」であったと考えられる。
　本研究により，浅海での爆発的火山噴火の特徴やプロセスがはじめて詳細な時系列データにもとづき明らかになった。これらの結果は，海域火山噴火に伴う諸現象，とくにマグマ水蒸気爆発や漂流軽石の発生メカニズムやそれらに伴うハザードの理解を進めることに貢献する。