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広帯域地震計の冒険

阿蘇の活動を桜島でとらえた

川勝均／東京大学地震研究所助教授／地震学／かわかつ・ひとし

（科学朝日1995年9月号に掲載されたものをもとにしています）

熊本県阿蘇山の京大理学部付属火山研究施設。倉庫のような一角に、時代に置き忘れにされたような古いガラスケースがある。中には「おじいさんの古時計」を連想させる振り子。これは現役の地震計である。60年前、京都大学の佐々憲三が設置、以来、阿蘇山のゆっくりとした揺れをとらえてきた。

●佐々が60年前に使った地震計と最新の広帯域地震計。広帯域地震計は小型の電気釜ほどの大きさで、一畳もの大きさの古い地震計との比較は時の流れを感じさせる

地震計は一種の振り子で、振り子の固有周期が測定可能な周期帯を決める。佐々が設置したのは長い周期の揺れをとらえる長周期地震計だ。これは長い周期の振り子である必要から、機械は大きくなり安定性も悪い。佐々はおそらく相当苦労しながら、この地震計を使った。そして世界で初めて３・５～８秒という長い周期の波を火山で観測することに成功。この波は、火口の下のマグマの噴火前の動きを表しているに違いない――佐々の考えは画期的だった。
しかしながら、いつのまにか佐々の考えは古典になり、長い周期の波で火山をとらえようという試みが他の火山で行われることはなかった。現在、火山の地震観測といえば、１秒より短い周期の波を見るのが主流である。一方、地面の傾斜や伸び縮みを測り、火山体の膨らみ具合を調べる測地学的な観測により、分より長い周期の動きがとらえられている。
　マグマなどの上昇による振動と考えられている「火山性微動」の観測は、火山研究には欠かせないものだが、現在、１秒から数百秒の帯域の地震波の観測はほとんどなされていないのである。
　地震計測技術は確実に進歩している。周期約０・１秒から数百秒の帯域をカバーする「広帯域地震計」も簡単に使えるようになった。これで観測を開始すれば、見えてくるものがあるに違いないと我われは考えた。

桜島が周期10秒で揺れている！？

　とりあえず、鹿児島県の桜島火山に向かった。桜島は火山活動が活発で短期間にデータの収集が可能であり、火山での広帯域地震観測の有効性を調べるためには絶好のフィールドだ。１９９２年12月から翌年３月にかけての観測で、桜島の爆発噴火や今まで知られていなかった様々な振動をとらえ、広帯域地震観測の有効性をひとまず示した。
　このデータの中に10秒の周期の波が頻繁に見いだされた。シグナルは微弱であり生のデータからはその存在は確認できないが、簡単な処理をすると図のように、振幅１ミクロン（１０００分の１ミリ）程度の波がポコッポコッと浮き上がってくる。桜島は時々 10秒の周期で揺れているらしい。

■93年１月20日16～24時、桜島島内３観測点（Ａ、Ｋ、Ｙ）の上下成分記録処理したもの。丸で囲った波群が10秒波である。横軸は１辺29分に対応する。各記録の左端に開始時刻が記されている。

　10秒と一言ですまさず、１、２、３…と10秒を数えていただきたい。どんなにゆっくりとした揺れかがわかるであろう。こんな周期で桜島が揺れている。何が起こっているのだろう？
　桜島は常時噴火している。地下深部からマグマが供給されているのを見ているのではないか。もしそうならば、大発見である。火山体へのマグマの供給が地震学的につかめれば、火山噴火のメカニズムの解明に大いに役に立つし、噴火予測等に有用な情報にもなるかもしれないからである。
　しかし、冷静になってデータを見てみると桜島起源の波ではないらしい。島内の各観測点での波群の到達する時刻差から到来方向を決めると、北北東だ。桜島の北北東に10 秒の周期で揺れている何かがあるのである。

■阿蘇からの距離で10秒波を並べた図。阿蘇周辺が起源で、伝達速度約3.25キロ/秒で伝わったと考えると各観測点での到達時刻が説明できる

　様々な可能性を考えて調べるうちに、霧島、雲仙、そしてなんと広島県の白木に置かれている長周期地震計にも同様の記録が取れていることが明らかになった。図は１月20 日17時45分頃に起きた現象を阿蘇からの距離で並べたものである。伝達速度およそ毎秒３・２５キロの波が阿蘇周辺から来ていると考えると、到来時刻が大体説明出来ることがわかる。以上のような状況証拠から、10秒波の起源は阿蘇山周辺にあると考えて間違えなさそうである。阿蘇が呼んでいる。行くっきゃない。

桜島が揺れ、阿蘇の微動は止まる

　10秒波の起源を求めてたどりついた阿蘇山。かつて佐々が観測を行った火山だ。我われの10秒波も、佐々がとらえた噴火前の長周期微動の仲間である可能性が大きい。しかし、気象庁も京大火山研究施設も、10秒波に対応する噴火活動を記録していなかった。
　しかし、現地の短周期地震計の煤書き記録を調べていくうちに、10秒波の出現に対応して「微動停止」と呼ばれている現象が起こっていることが明らかになった。図は阿蘇測候所の火口周辺の短周期地震計の記録である。この期間、火山活動自体は比較的活発であったため、短周期微動はほぼ連続的に出ているが、時々止むことがある。これを現地では「微動停止」と呼んでいる。この「微動停止」と10秒波の出現が対応付けられることがわかった。

■阿蘇測候所の煤書き記録。 17:44周辺に微動が見られない「微動停止」がある

　桜島が周期10秒で揺れるとき、阿蘇山の（短周期）火山性微動は一瞬止み、山は静かになるのである。
　はじめは半信半疑であった人たちも、10秒波と「微動停止」の対応を見て乗り気になり、94年４月から５つの大学・国立研究所が共同で、阿蘇山で広帯域地震計のネットワーク観測を１年間行うことになった。10台の広帯域地震計を阿蘇山周辺に置き連続観測をする計画で「阿蘇94」と呼んでいる。
　この観測は思わぬ展開をみせた。
　阿蘇山の火山活動には、１つのサイクルがあるといわれている（図）。我われが観測を始めた94年４月は、表面活動の最も少ない時期だった。火口に水が溜まって火口湖を作るから、現地では「湯溜まり」状態と呼んでいた。静穏期であったが、火口近くに置いた広帯域地震計からは、阿蘇山は10秒より長い周期の波をいつも出していることが即座に見てとれた。

　やはり阿蘇山はゆっくりと揺れているのだ。しかしこの波は、阿蘇での振幅（１ミクロン以下）が小さいことから考えて、とても桜島で観測し得るような波ではない。ということは、阿蘇山は、桜島で観測した10秒波以外に微弱だが長周期の波を放出しているのだ。　この波（ゆっくりとした揺れ）の特徴は、周波数スペクトルを見るとよくわかる。図は、火口を取りまくように置いた観測点のものだが、15秒を基本周期にして、７・５秒、５秒、３秒と倍音関係にある周期の揺れが卓越していることがわかる。このようないくつかのピークを持つ揺れを固有振動と呼ぶが、阿蘇山の長周期微動が固有振動であるということは、火山の下に「容れ物」があって、それが揺れていることを意味する。

■火口周辺の３観測点でのスペクトル。いくつかの共通のピークがみえる

　阿蘇山の地下にある容れ物。なんだろう？　まず頭に浮かぶのはマグマ溜まりではないかということだ。60年前の佐々もそう考えた。
　それぞれの観測点の波形を解析して、震源の位置を決めた。震源は、火口直下１～１・５キロの深さにある大きさがせいぜい数百メートルのものであるらしい。震源が浅いことや、火山活動自体は静穏期でマグマが上がってきている証拠はないことを考えると、容れ物の正体はマグマ溜まりとは考えにくい。
　では、何か。阿蘇山では、電磁気的な観測などから、地下の温度が急速に変化することがあるのが知られており、地下水が豊富であることと考え合わせて、地下水が火山活動を規定する重要な要素ではないかといわれている。火口直下１～１・５キロの深さに地下水の層（帯水層）があり、より深部からくる火山の熱がそこで地下水と反応を起こし、圧力変化となって長周期微動として観測されているのではないか。今のところこれが有力な考えだ。

地面が膨らんで土砂噴出

　観測開始から半年近くたって、これといって火山活動が活発になるという兆候もなく、たった１年の観測でわかるのはこのくらいかと、一応これまでの結果に満足はしながら、一種のあきらめの雰囲気が共同観測グループに出始めてきた94年９月、阿蘇山は突然活動を始めた。
　湯溜まり状態にある火口湖から、土砂・水蒸気・噴煙が爆発的に噴出する「土砂噴出」が起き、噴煙が１０００メートルの高さまで上がった。図は９月22日に起きた土砂噴出の時に取れた広帯域地震計の記録である。

■土砂噴出の時の、広帯域地震計の記録。いちばん上の波形は、地震計の出力（地面の振動速度）の上下振動の成分をそのまま示している。矢印のあたりが実際に土砂が噴出し始めた時刻にあたり、その後高周波の波が、１００秒ほど観測されている。真ん中の図は、上の波形の周期10～25秒の部分だけ取り出したものであり、土砂噴出の前からゆっくりとした振動がおきているを示す。またこの波形は、周期は少し違うが、桜島で観測した10秒波の波形と似ているようだ。下の波形は、いちばん上の観測波形を処理して、実際の地面の上下方向の変位になおしたものである

　この図で、上向き（正）の変位は地面が膨らんでいることに対応するので、それを考慮してこの地震波形を見ると、土砂噴出とは以下のような現象であることが読み取れる。１火口から土砂が噴き上げる50秒ほど前から、20秒ほどのパルス的な変動をしながら全体としてはゆっくりと地面が膨らみ始める　２地下での圧力を支えきれなくなると、火口から土砂の噴出が起こり、地面はゆっくりとしぼんでいく　３土砂が吹き出す過程に対応して短周期の地震波がでるが、これは、火道を土砂や水蒸気が激しい早さで通るときに出る地震波である　４短周期の地震波放出、すなわち土砂の噴出が終わると、地面の膨らみは元に戻って、土砂噴出の１過程が終了する。
　この結果から、土砂噴出のメカニズムを推定することができる。ゆっくりとした膨らみを起こしている場所は、先に述べた長周期微動の震源の位置とほぼ一致する。地下深部から伝わってくる熱のエネルギーが急に増大して、地下水との反応が急激に増えたために、土砂噴出が起こるのではないかというわけである。

　土砂噴出の準備段階のゆっくりとした膨らみ、土砂が噴出する時の短周期の振動、すべてが１つの地震計でとらえられた。規模は小さいが、火山の噴火のプロセスがこのように生々しくとらえられたのは世界で初めてである。また、噴出前に地下が膨らむのが観測できるのだから、リアルタイムでモニターすれば、土砂噴出の予測が可能になるかも知れない。
　さらに、土砂噴出に伴って発生する長周期の波は、１０００キロ以上離れた小笠原諸島の父島や東北地方に置かれた地震計でも記録されていることもわかった。
　桜島で観測された10秒波も、この種類の波であるに違いないが、土砂の噴出は確認されていない。火道が閉鎖された状態で、噴出できず、地下の圧力の増減を繰り返して終わったのかもしれないと考えている。
　95年６月時点で阿蘇山の火口湖は干上がっていない。我われの観測は、阿蘇山の活動サイクルのうち、そのほんの一部をカバーしたにすぎない。現在規模を縮小して観測を継続しているが、マグマが徐々に上がってきて本格的な活動を始めた時にどのような波形が観測され、何が見えてくるのか、今から楽しみだ。佐々の微動はどう見えるのだろう。
　実は、火山性微動の発生メカニズムは必ずしも良くわかっているわけではない。火山性微動が多く観測されると、それに伴って火山活動が活発化したり噴火現象が起こるという経験的観測事実に基づいて、気象庁等が活火山の周辺に地震観測網を展開し監視を続けているのが現状である。広帯域地震計はこのメカニズムを明かにしてくれるのではないかと期待している。
　広帯域地震計に引っ張られ、桜島から阿蘇へと展開した冒険。予想外の観測結果、驚きの連続であった。我われが頭で考えることより、自然が見せてくれる実際の現象の方がずっと面白い。フィールド・サイエンスの楽しさとは、まさにこのようなことをいうのではないかと感じた。
　ミクロンの大きさの地面のわずかの揺れを観測して、地球全体のグローバルな構造を推定したり、地震による大地の運動を記述したりするのが地震学である。このような観測限界ぎりぎりのところで地球を眺めていると、ある日突然、ノイズと思って見過ごしてきたものに、新しい意味が見えてくるときがある。そんな時を求めて我われの観測は続く。まだまだ予想外のものが出てくるに違いない。

火山性微動: 火山の周辺では火山活動が活発になるときに、普通の地震とは顔つきの異なる微弱な地震波が観測され、「火山性地震・微動」と呼ばれる。普通の地震動は急激な断層運動によって引き起こされるが、火山性微動は、地下深部からのマグマまたは熱水・水蒸気などの上昇によって引き起こされる振動であろうと考えられている。ここでは１秒より短い周期を短周期微動、長い周期を長周期微動と呼ぶ。佐々は1935年の論文で、阿蘇山で観測される微動を波形の特長や起こり方から４種類に分けた。第１種微動（卓越周期　０・８～１・５秒）、第２種微動（３・５～８・０秒）、第３種微動（０・４～０・６秒）、第４種微動（０・２秒）。それぞれの微動は別々の物理現象に対応すると考えられる。このうち第２種微動がここでいう「佐々の長周期微動」で、他の火山では未に観測されていない。また火山性微動の分類はそれぞれの火山によって異なり、分類学すら出来上がっていない発達途中の学問領域である。（もどる）　
煤書き記録　: 地震動の伝統的記録方式。円筒形のドラムの表面に紙をまき、石油ランプなどにより表面をいぶしてすすをつけ、ドラムを定速で回転させながら針でひっかいて地震動を記録する。（もどる）　　
　スペクトル: 地震波にはいろいろな周波数の波が混在している。それぞれの周波数についての振幅を示したものをスペクトルという。　（もどる）