地震・火山相互作用下の内陸地震・火山噴火発生場解明およびモデル化の研究

課題番号2201

（1）実施機関名：

九州大学

（2）研究課題（または観測項目）名：

地震・火山相互作用下の内陸地震・火山噴火発生場解明およびモデル化の研究

（3）関連の深い建議の項目：

1．（3）ウ．内陸地震と火山噴火

（4）その他関連する建議の項目：

1．（2）ア．史料，考古データ，地質データ及び近代的観測データ等に基づく低頻度大規模地震・火山現象の解明
1．（5）ア．マグマ噴火を主体とする火山

（5）優先度の高い地震・火山噴火との関連

（6）平成25年度までの関連する研究成果（または観測実績）の概要：

関連する研究課題：

衝突帯における火山フロントでの地殻強度異常場のモデル化
別府‐島原地溝帯における地震活動と火山活動の相互作用の研究

概要：

地震火山相互作用と地震発生場

　九州では、GNSS観測による定常的な（5年スケールでの）ひずみ集中が阿蘇・九重火山、別府地域を中心としてみられる一方、応力場については別府島原地溝帯において、稠密機動観測を実施し、そのデータ処理によって、西に向かって応力比が変化し、西側（熊本地域）で最大主圧縮応力（σ1）と中間主圧縮応力（σ2）がほぼ等しくなることが見出された。この東西のトレンドを説明することができるモデルとして、地震発生層厚変化モデルがある。九州地域の地震発生層下限にほぼ対応する深さ（D90）が別府では浅く、熊本では深いことが明らかになった。地震発生層が弾性的に応力を支えることができると考えると、別府周辺で大きなひずみ、高い圧縮応力が実現でき、東へ向かうとσ1が低下するという現象を定性的に説明することができる。
北海道東部の地殻内地震が集中している地域の詳細な地下構造調査から顕著な不均質の存在が明らかにされたほか，ひずみの集中がGNSS観測から見いだされ，モデル計算等から不均質構造がひずみ集中を引き起こす可能性が示唆された．

火山噴火発生場

　阿蘇火山では水準測量、GNSS観測によるデータ、レシーバー関数解析（Abe et al, 2010）、速度トモグラフィ解析を詳細に行い、火山直下にシル状、球状マグマだまりが存在していることを明らかにした。阿蘇カルデラを縦断するMT観測の結果、深さ10kmまでの比抵抗の2次元構造が明らかになり、深さ数ｋｍの浅部熱水系の空間的な広がりが明らかとなった。また、広帯域MT探査により、霧島、桜島でのマグマ供給系が推定された。九重火山では高密度AMT観測が行われており、95年に噴火が発生した硫黄山地下1km程度までの浅部比抵抗構造が明らかになり地下の熱的状態の推定がなされている。

（7）本課題の5か年の到達目標：

　本課題においては、大きく二つのカテゴリで研究を進める。ただし、相互はデータから解析まで密接な連携を持って進める。

A) 地震発生場と火山の作用

i) 応力・ひずみ速度場のモデル化

• 応力・ひずみ急変域での15ｋｍ程度の分解能の空間的特性把握（九州地域）
• 背景構造（速度、減衰、D90等）の推定（九州地域）
• 対象領域外からの場の擾乱の検出
• カルデラを含む活動的火山地帯である北海道東部においてGNSS観測・地殻弾性層厚調査等による地殻不均質場とひずみ集中のモデル化を実施する．
• 5カ年で九州地域において15ｋｍ程度の分解能を持つ、弾性体としての地殻応答モデル構築と、下部地殻の作用検出を進める。それとともに北海道東部でのモデルとの比較から、伸張場・圧縮場における火山の力学的作用についてモデル化を行う。
  

ii) 地震活動・間隙流体

• 九州中部地域において10km分解能での比抵抗構造を推定
• 発震機構解の高精度推定による応力場、間隙水圧の推定

3）、1)、2）で得られる成果と合わせた地震発生様式のモデル化（有限要素法等の数値シミュレーションによる観測データのモデル化）

B) 噴火発生場

前項で得られる背景構造より詳細な、阿蘇、九重、姶良、洞爺、屈斜路地域での構造推定。

• 地殻深部から火山体浅部におけるマグマ供給系モデル化
• 深部供給系の時間変化抽出可能性の検討。（阿蘇）
• 流体の熱力学的状態と、振動を特徴づける振幅・周波数の関数としての無次元数を用いて、系の不安定性を評価できる「トリガリング・ダイアグラム」の作成

（8）本課題の5か年計画の概要：

A) 地震発生場と火山の作用

　ひずみ集中領域の形状を把握することが、力学的モデル化をするうえで必須である。このため、別府島原地溝帯においてGNSSのオンライン観測を行う。これによって、定常変形（5年のタイムスパンでの）を明らかにできる。また、現在9年周期で起こっている豊後水道スロースリップを適切な配置で観測し、数か月程度の時定数での変動に対する応答特性を検出する。
地殻不均質構造とひずみの集中が見られる北海道東部でGNSS観測を実施し詳細なひずみ場を求めるとともに，地殻熱データ等から弾性層厚を推定し，ひずみが集中するメカニズムのモデル化を試みる．
応力場については、応力・ひずみ急変域での15ｋｍ程度の分解能の空間的特性把握（九州地域）を行うために、別府島原地溝帯に現在の定常観測網を補完する臨時地震観測点を設置する。さらに、発震機構解を精度良く求めることが重要となるため、規模の大きな地震に対しては機動観測を実施する。これらの観測によって、現在20km程度の分解能の応力場・地震発生層厚分布は別府島原地溝帯で15km程度が実現できる。
比抵抗構造については、鹿児島県、福岡県を除いた九州中心部で広帯域MT観測を行い、空間解像度10ｋｍの比抵抗構造を30ｋｍの深度まで求める。阿蘇－九重周辺域においては、阿蘇周辺の既存のデータを利用しつつ、さらに高密度なMT探査を行い、空間解像度を3kmの比抵抗構造を得る。構造解析においては電場と磁場の測定場所が離れていることを考慮した3次元インバージョンを行う。
以上のひずみ速度場、応力場、地震発生層厚、背景構造を用いて広域のモデル化を進める。これらは次のステップで進める。

1. 地震発生層厚・背景構造を取り入れた弾性体モデルによるひずみ速度場・応力場の再現
2. プレート境界のカップリングを取り入れたモデル化
3. 火山下の異常構造を取り入れた地殻応答のモデル化
   基本的には中国・四国・九州全体でのGNSS解析をもとに初期モデルを作り、期待される応力場と比較する。1では定常変形や東北地方太平洋沖地震時の応答再解析データを中心とする。2ではプレート間カップリングが一様でなく、九州へのローディングが一様でないことから、これらを導入して外的な境界条件に拘束をあたえる。3では、豊後水道スロースリップ（過去のデータも併せて）を用いてモデル化する。北海道地域では屈斜路カルデラを中心としたモデル化を行うが、領域は広くないために、1＋3を進める。両地域で得られたモデルを比較することで、地震発生場に対する火山の作用の一般的なモデル化につなげる。

B) 噴火発生場：

　噴火発生場は有珠火山（洞爺カルデラ）、阿蘇火山（阿蘇カルデラ）、桜島火山（姶良カルデラ）を対象とする。レシーバー関数解析あるいは走時トモグラフィにより上部マントルまでの地震波速度構造を明らかにする。求められた地震波速度構造と比抵抗構造から上部地殻および下部地殻における流体の存在範囲およびその存在様式を明らかにする。
噴火発生場については、GNSS観測や水準測量などの地殻変動観測により、マグマ蓄積の位置とマグマ蓄積率の時間変化を把握するとともに、大規模噴火のポテンシャル評価を行なう。さらに、すべてのカルデラの研究結果を比較検討することにより、カルデラにおけるマグマ供給系の理解を深める。
一方、地震による噴火への作用も重要な要因のひとつである。強制力が働いたときの流体の挙動は、その温度圧力条件によって大きく左右されるだけでなく、その振動の振幅と周波数によっても影響される。そのために、アナログ物質を用いた実験による気泡挙動の基本的理解を行う。すなわち1）気泡の離脱条件に対する振動の振幅と周波数の影響の定量的理解。2）発泡を伴うクラック上昇に対する振動の影響の解明。マグマの地表付近の移動と遠地地震の関係についてモデル実験を通して明らかにする。

年次計画としては以下のとおりである

 （9）実施機関の参加者氏名または部署等名：

九州大学大学院理学研究院附属・地震火山観測研究センター
他機関との共同研究の有無：有
京都大学大学院理学研究科附属地球熱学研究施設火山研究センター
北海道大学大学院理学研究院附属地震火山研究観測センター
鹿児島大学大学院理工学研究科地球環境科学専攻　中尾茂
九州大学大学院理学研究院地球惑星科学専攻　寅丸敦志

北海道立総合研究機構地質研究所（岡崎紀俊ほか4名）
（電磁気観測および噴火発生場観測は全国連携研究）

（10）公開時にホームページに掲載する問い合わせ先

部署等名：九州大学大学院理学研究院附属・地震火山観測研究センター
電話：0957-62-6621
e-mail：webmaster@sevo.kyushu-u.ac.jp
URL：www.sevo.kyushu-u.ac.jp

（11）この研究課題（または観測項目）の連絡担当者

氏名：松本　聡
所属：九州大学大学院理学研究院附属・地震火山観測研究センター