【研究領域課題番号】18H01305 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

重力 / 地殻変動 / 宇宙線透視 / マグマ / 火山 / 火道 / 火山噴火

【研究成果の概要】

観測面では、重力、地殻変動、及びミューオン透視観測が３本柱である。重力については、桜島の重力連続観測を令和１年４月から７月まで実施した。また、重力変動の誤差要因となる地下水についても、その潮汐成分を推定するために、桜島有村観測坑道の観測井における地下水位データを取得した。また、土壌水分の時間変化を推定するのに必要な毎時降水量データを国土交通省より取得した。これらのデータから、土壌水分変動に起因する重力擾乱をKazama and Okubo(2009)の方法で見積もった。地殻変動については、京大防災研究所による連続観測（歪・傾斜）を桜島において継続した。ミューオン観測については、桜島に設置済みの装置の受信面積をさらに増強した。
理論面では、火道内をマグマが上昇・下降する際に生じる地殻変動の定量的モデルを構築した。現実的な物性定数を仮定すると、一定量のマグマが地下深部からマグマ溜まりに注入されたときに生じる地殻変動は、開口火道系の場合、閉口系のそれに比して5％程度と極めて効率が悪いことが示された。他方、重力変動の大きさは、開口火道系であっても閉口系と同程度であることも明らかになった。
上記の理論にもとづき、今年度及びそれ以前の観測データとから、重力の時間変化から桜島におけるマグマ頭位を計算した。その結果を、桜島火口方向の傾斜・歪から推定される山体の膨張・収縮と対比した。その結果、山体膨張（収縮）に対応して、そのの１～３日後に火道内マグマの頭位の上昇（下降）が生じていることが分かった。これは深部のマグマだまりから浅部火道へのマグマ注入にともなう事象をとらえていると考えられる。マグマの上昇に要する時間スケールも１～３日程度と見積もられる。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2022-02-01 - 2023-03-31

【配分額】17,290千円 (直接経費: 13,300千円、間接経費: 3,990千円)

【研究領域課題番号】20H02006 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

火山 / 阿蘇山 / 水蒸気噴火 / 電磁気 / 熱水系モデル / 熱水系 / 重力 / 阿蘇 / plume rise / 重力観測 / 電磁探査 / 人工電流 / 比抵抗 / 噴煙

【研究成果の概要】

火山の電磁探査に関わる研究では、2021年度は、阿蘇山でのACTIVEキャンペーン観測を引き続き実施し、データを解析するためのMT-ACTIVEのジョイントインバージョンコードの開発を精力的に進めた。分担者の宇津木を中心に、2021年の5月、6月、8月、9月にACTIVEのキャンペーン観測を実施し、2021年10月に発生した噴火前の貴重なデータが取得できた。インバージョンコードの開発では、従来からのMT法と人工電流を用いるACTIVEの両者の計算で境界条件の与え方を共通にすることで、計算コストを大きく減らす手法を考案し、コード開発を進めた。2021年度中に順計算部分の開発が終わっており、逆計算部分の開発を進めているところである。
重力観測では、2020年12月に火山研究センター本堂観測室に相対重力計LaCoste-G1016を設置したのち、重力時間変化を連続的に収録している。その結果、2021年の6月18日、10月20日、および12月27日にステップ的な重力変化が観測された。3つの期日はそれぞれ火口陥没、小規模噴火、および火山性微動の振幅増加が確認された期日と一致しており、ステップ的な重力変化は火口直下における質量変動を示唆している。
また、昨年11月の噴火後に、ドローンを使った阿蘇での調査を実施され、その際、MultiGAS観測を行った。その結果、H2O/SO2=15-19（モル比）を得ており、H2O放水量が推定できた。値は阿蘇としては典型的であり、噴火前後で大きくは変化していないことが確認できた。
以上のような火山における各種物理量を統合的に理解するため、熱水流動モデリングも同時に進めた。これまでに、火口の西に存在する観測井内の温度の深さプロファイルとモデル計算値の比較から、地下に浸透する実効降水量の値が1000mm/年程度であると拘束し、モデルの信頼性を高めている。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2020-04-01 - 2023-03-31

【配分額】18,460千円 (直接経費: 14,200千円、間接経費: 4,260千円)

【研究領域課題番号】19K14810 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

宇宙線 / 土壌水分 / 地下水 / 火山 / 重力 / 電磁カスケード / 宇宙線電磁成分

【研究成果の概要】

本研究は，宇宙線電磁成分の強度を測定することにより土壌水分量を測定する技術の確立を目指している．2019年度には，坑道内で測定された宇宙線電磁成分の強度が，降雨量に応じてわずかに減少することを確認した．2020年度には水槽試験による較正曲線を取得し実測値との比較を行った．これらを踏まえて2021年度は，（１）土被りの分厚い別の坑道での測定，（２）大気に含まれる水分が与える影響の検討，の2点に取り組んだ．
（１）以前の観測で見られた降雨による電磁成分強度の減少量は，水槽試験から予測される減少量のわずか10分の1程度であった．そのため，降雨による土壌水分量の変化をリアルタイムでとらえることはできなかった．そこで，より土被りの分厚い別の坑道に宇宙線検出器を移設し，2021年7月から測定を開始した．移設に当たっては，湿度の高い坑道での観測に耐えるよう，光電子増倍管および高圧電源を替えた．報告書作成時点（2022年5月）も測定を続けている．
（２）本研究は土壌に含まれる水分量の測定を目指すものであるが，そのために，大気中に含まれる水分（湿度）の変化が生む系統誤差を評価する必要がある．宇宙線の生成・伝播を計算するシミュレーター(CosmosX)の結果によると，大気中の水分量の増加が大気の平均組成（<Z/A>, Z:原子番号，A:質量数）を変化させ，宇宙線強度にわずかな変化が生じる可能性があることを確認した．しかし，大気圧・気圧の現地観測データを使って補正を行うことで，これらの効果は適切に取り除くことができる．

【研究種目】若手研究

【研究期間】2019-04-01 - 2023-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究分野】固体地球惑星物理学

【研究領域課題番号】23244092 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

観測手法 / 宇宙線透視 / 重力 / 火山 / 断層 / 地震

【研究成果の概要】

ミューオン以外の荷電粒子の影響は、ミューオン透視観測にとって最大の誤差要因である。これを低減するため、多層のミューオンセンサーと鉛層とを互層させる方式を開発した。この高精度化されたミューオン透視データと、重力異常データとの同時インバージョン手法を開発し、3次元密度構造を高い空間分解能で推定することに成功した。
また、桜島など、火道の口径等の幾何形状がミューオン・ラジオグラフィーで決定された火山では、観測された重力変動から火道内のマグマ頭位の変動を推定することができるようになった。また、推定された頭位と、火山爆発活動とが対応することがわかった。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2011-04-01 - 2016-03-31

【配分額】47,320千円 (直接経費: 36,400千円、間接経費: 10,920千円)

【研究分野】固体地球惑星物理学

【研究領域課題番号】20244071 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

宇宙線透視 / 重力 / 火山 / 地下水 / 宇宙線 / 自然災害 / 絶対重力 / ミューオンラジオグラフィー / マグマ頭位 / 地下水流動

【研究成果の概要】

火山のマグマの通り道(=火道)のどこに、マグマの上端があるのかを推定する手法の開発に取り組んだ。マグマ上端の位置によって山麓の重力が変動することに着目し、絶対重力の連続観測を行った。重力観測データに含まれる降雨等の環境変動起源の重力擾乱を補正し、火山起源の重力シグナルを抽出するために、地下水学的なシミュレーション手法を開発した。補正後のデータと宇宙線で透視した火道形状とを用いて、火道内のマグマ上端の高度が算出できるようになった。これにより、火山浅部のマグマの移動と火山活動の関係を議論する上で、極めて重要な成果を得た。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2008 - 2010

【配分額】37,960千円 (直接経費: 29,200千円、間接経費: 8,760千円)