地震活動
火山研究解説集：薩摩硫黄島 (産総研・地質調査総合センター作成)
- 周期的に発生する空気振動を伴なった微動
Table of Contents |
はじめに
薩摩硫黄島火山における地震観測は，1975年の通商産業省の地熱調査の一環として始まり，その後，京都大学防災研究所（以下，京大防災研），気象庁，産業技術総合研究所地質調査総合センター（以下，産総研；旧・地質調査所）の３機関によって実施されてきました．長期間の地震活動をモニタリングする常設観測点は，京大防災研・気象庁ともに１点のみであり，短期間実施される臨時観測によって震源分布・発震機構等の解析が行われています（図：本文中で引用される主な地震観測点の位置）．産総研は，1993年10月以降，主に山頂部における臨時観測を実施しています．
地震観測の詳しい履歴については→こちら
薩摩硫黄島火山に発生する地震のタイプ
火山に発生する地震の分類には，火山毎に発生する地震のタイプに差があること，観測システム・処理方法が違うこと等から，火山や観測機関によって様々な分類方法があり，必ずしも統一した基準はありません．特に，長期間の地震活動度変化を記述するためには実用的な分類が行われています． 薩摩硫黄島火山では，京大防災研と気象庁が常設観測点で長期間観測を続けており，地震活動度の変化をモニタリングしています．両機関ではそれぞれ独自に，観測された地震について，その波形の特徴から以下のような分類をしています（表１：京大防災研と気象庁の分類と 図：地震分類に対応した波形及びスペクトル）．
| 京大防災研 井口ほか,1999 | 気象庁 Uchida and Sakai, 2002 |
|---|---|
| A-type 6-10Hz, S-P<1sec | A-type 明瞭・パルス状の P, S, 5-20Hz卓越,S-P<1sec |
| B-type 1-6Hz low-freq. | B-type 明瞭なP･Sなし, 4-7Hz卓越(4Hzにピーク) |
| Special-type Emergent phase (5-8sec, 振幅漸増) + main phase (4Hzと7Hzにピーク) | |
| C-type Monotonic〜6.5Hz, 10-20 sec.継続 紡錘型 コーダ部漸減型 | C-type tremor 10sec以上の単周期, 6Hzにpeak Type1:コーダ部漸減型 Type2:増減型 |
両機関が”A-type”と呼ぶ地震はほぼ同じ特徴を持つ地震ですが，それ以外のタイプについては，必ずしも同じ特徴とはなっていません（表１：京大防災研と気象庁の分類と 図：地震分類に対応した波形及びスペクトル）．また，これらの他に，火山性微動や噴火地震なども記録されています（例えば，井口ほか, 2002b）．
一般に，A-typeと命名される火山性地震は，一般の微小地震と類似の波形を持ち，火山体の応力変化によって生じた脆性破壊の際に発生する「volcano-tectonic earthquake」と考えられます．また，B-typeと命名される地震は，多くの場合，A-typeよりも低周波の地震であり通常の脆性破壊と異なり，脆性破壊以外の原因，例えば火山体の流体が関連した発生メカニズムを持つと考えられます．
薩摩硫黄島火山では，硫黄岳山頂部における臨時観測によって，上記の常設観測点のデータからの分類とは異なるタイプの地震も発生しています．例えば，Sherburn and Nishi（unpublished data）やOhminato and Ereditato (1997) が報告した高周波の極微小地震（High-freq. earthquake），Ohminato and Ereditato (1997) が報告した微動震幅の変化を伴う超長周期（VLP）パルス，周期的に発生する空気振動を伴った数分〜10分間隔の微動（西ほか, 2002），空振を伴う地震などです．これらは，観測地点がより震源域に近いため距離減衰が小さいこと，通常使用される速度計より低周波まで記録できる広帯域地震計を使用したこと等により明らかになりました．
薩摩硫黄島火山の地震活動度の変化
1976〜1978年の観測点C（加茂, 1976,1977,1978）と 1995〜2000年の京大防災研の定常観測点 IWO のデータによると，1995〜2000年の地震の頻度は1977〜1978年と大きな違いはありません（ 図：長期の地震活動度の変化）．また，放出エネルギー率は1996年6月の有感地震を除けばほぼ一定であり，この有感地震以外はマグニチュード２以下の無感地震となっています（井口，2002）．
地震タイプ別の地震発生数を見ると（ 図：地震タイプ毎の活動度の変化（1998〜2001年），図：地震タイプ毎の活動度の変化（気象庁 2007年7月まで）），1998〜1999年，2000〜2001年にB-typeの地震発生数が増加しています．しかし，A-typeの地震はB-type等と比して大きなエネルギーを持つため，エネルギー放出率に対してはB-typeの増加はあまり影響を与えません（井口，2002）．1998〜1999年には降灰・噴火が見られ，また2000〜2001年は竪穴状火孔が急拡大（→最近の火山活動の推移）した時期に当たり，B-type地震発生数の増加はこれらの火山活動のためと思われます．
硫黄島に発生する地震の発生場所とメカニズム
硫黄島に発生する地震のタイプと，それらの発生場所とメカニズムを表２にまとめました．
| 発生場所 | メカニズム | |
|---|---|---|
| A-type 高周波 P, S明瞭 | 島内，特に硫黄岳北西山麓 の浅部（1km 以浅） | 脆性破壊 主に正断層型メカニズム |
| B-type P･S不明瞭 10Hz以上欠落 | 山頂火口下 非常に浅部 おそらく海水準以浅 | 体積膨張型のメカニズム → ガス溜まりの膨張に関係？ |
| Special-type Emergent phase + main phase | 山頂火口下? Emergent phase初動判別困難 Main Phaseのcross correlation解析から | Emergent phase = マグマ中の連続的な気泡の発生？ Main phase = マグマ中の比較的低速かつ小規模なshear facture ？ |
| C-type tremor 単周期 10sec以上 | ? | ? |
| ( ※:これ以下は,臨時観測により記録された地震動 ) | ||
| 微動震幅変化を伴う 超長周期パルス(VLP) | 山頂火口下 約40m ? | water pocket model ? 水に満たされたクラックと 高温ガスの通り道のネットワーク |
| 空振を伴う地震 | 山頂火口下 比較的地表近く ? | 主に気体膨張による現象 ?? |
| 高周波の極微小地震 | 山頂火口下 ? | ?? |
薩摩硫黄島火山に発生する地震の震源分布
Iguchi et al. (2002)による薩摩硫黄島火山に発生する地震の震源分布図を示します．この震源分布図は，1976〜1977年の３観測点による臨時観測，京大防災研による1998年7〜8月の臨時観測（臨時観測点6点，SVO定常観測点 1点，JMA 4点），および1999年11月の臨時観測による成果をコンパイルしています．
A-type 地震の震源（図中の●）は， 島内，特に硫黄岳北西山麓，深さ1km以浅に分布しています．震源分布図に大きな●で示された1999年11月の臨時観測データが，現時点までで最も観測点数が多く，かつ観測点分布範囲の広い観測であり，震源決定方法も含めて最も精度の高い震源決定結果と考えられます．
B-type地震の震源（図中の○）は，山頂火口下，地震動の軌跡（paricle motion）から推定すると，非常に浅部，おそらく海水準以浅に分布しています．B-typeの地震は初動の立ち上がりが非常に緩やかなため初動の読み取り精度によって震央分布がばらついている可能性があります（井口ほか，1999）．
これらの他に，Uchida and Sakai (2002) は，気象庁の観測点4点による1997年9月〜1998年1月，及び1998年5月〜1999年2月の2回の臨時観測によるA-type地震の震源分布を求めています．求めれた震源は硫黄岳を中心にもう少し広い範囲に分布しています．しかし，観測点4点は全て硫黄岳より西側に位置し，求まった震源のほとんどは観測網外側となっているため，震源位置の誤差が大きいための見かけの分布である可能性があります．
薩摩硫黄島に発生する地震のメカニズム
A-typeと1996年6月8日の有感地震（Iguchi et al., 2002 など)
硫黄岳山頂北側に発生した典型的なA-type地震と1996年6月8日の有感地震の発震機構は，どちらも正断層型と推測されるメカニズムを示します（図：1996.6.8有感地震と割れ目の形成モデル，Iguchi et al., 2002）．
A-type地震については，観測点数も少なくその分布範囲も限られるため解を一意に求めることはできませんでしたが，常設観測点のみの観測からも正断層型の解が求められています（井口ほか，1999）．
1996年6月8日の有感地震のメカニズムは，図（1996.6.8有感地震と割れ目の形成モデル）で示すように，火山ガスの放出に伴う火口直下の圧力減少による割れ目の形成として解釈されています（Iguchi et al , 2002）．地震発生後の1996年10月の調査において，山頂火口外側に北東-南西方向の開口性割れ目が確認されています（→最近の火山活動の推移）．
B-type（井口ほか,1999)
B-typeの地震は，周期 1〜6 Hz程度の低周波成分が卓越する地震であり，定常観測点における初動は全観測点で押しで，また，水平動が上下動より早く動き出す地震が多いという特徴があります．波形インバージョンにより体積膨張型の震源メカニズムが推定されています．求められた解では，ダイポール成分がダブルカップル成分より１桁大きく，ダイポール成分では鉛直方向の成分（Mzz）が水平方向の成分（Mxx, Myy）より大きくなっています．鉛直方向のダイポール成分が卓越する体積膨張型の震源メカニズムは桜島のB型地震のそれと似ており，桜島のB型地震の発震機構から類推すると，硫黄島においてもガス溜まりの膨張によりB-typeの地震が発生しているのかもしれません．Uchida and Sakai (2002)もB-type地震について桜島のB型地震と同様のメカニズムを考えています．
Special-type (Uchida and Sakai, 2002)
Uchida and Sakai (2002) は上記のタイプの他に，Special-typeという地震を定義しています．これは，Emergent phase という不明瞭な初動の相（5-8sec,，振幅が漸増していく，5Hz卓越）とMain phase（振幅が急に大きくなる，4Hzと7Hz の２つのピークを持つ，10Hz以上の高周波成分少ない）から成り立っています（図：Special-type earthquake）．Particle motionの解析及びOhminato and Ereditato (1997)の観測例から，山頂火口下に震源を持つと考えられています
Ohminato and Ereditato(1997)は，1997年4月の臨時観測から，「短周期火山性地震」（short-period volcanic earthquake）に初動前に揺れ始めているemergent phaseがあること，相似性が高い波形が多いことを指摘しており（図：Special-type earthquake），気象庁の記録でこのようなEmergent phaseを持つ地震をSpecial-typeとして分類しています．しかしながら，「地震活動度の変化」で示したように（ 図：地震タイプ毎の活動度の変化（1998〜2001年）），京大防災研で低周波が卓越するB-typeと分類してカウントしている地震は，気象庁ではSpecial-typeという別分類で扱っている可能性が高く，距離による減衰やノイズ・レベルの影響で，京大防災研の定常観測点（IWO）ではSpecial-typeのemergent phaseがノイズ中に隠れてしまい明瞭に識別できない可能性もあります．
微動震幅の変化を伴う超長周期（VLP）パルス (Ohminato and Ereditato, 1997; Ohminato, 2006)
Ohminato and Ereditato (1997)は，1997年4月17〜21日の３台の広帯域地震計と５台の速度型地震計による臨時観測観測データから，以下のような微動震幅の変化と超長周期パルス （VLP; very long period seismic pulse）を発見しました．
（１）約40分の周期で微動震幅が漸増→漸減を周期的に反復
（２）微動震幅が漸減→漸増に替わるタイミングで超長周期パルス
（３）パルスの立ち上がりと幅は各々1s, 4s
（４）低周波パルスの軌跡の解析→竪穴状火孔の下と仮定すると深度は山頂火口下約40m
その後の山頂付近における長期間の広帯域地震観測より，このような現象は常時出現するわけではないことも明らかとなっています．
発生メカニズムに要求される条件は，低周波パルスの発生，これと同期した微動振幅の増減，周期的反復が可能な非破壊的メカニズム，そして，常時出現するわけではないこと，等です．
Ohminato and Ereditato (1997) は発震メカニズムとしてマグマの対流によるガスの供給を提案しました．しかし，火道内マグマ対流による脱ガスは継続的に行われていると考えられており（→脱ガス過程），最後の条件を満たしていません．Ohminato (2006) は，山頂火口下100mに位置する傾いたクラックの急激な膨張を考えると低周波パルスの波形がうまく説明できることを示し，水に満たされたクラックと高温ガスの通り道のネットワークによるwater pocket modelによりこの現象をモデル化しています．
空振を伴う地震 （西ほか, 2002）
2001年７月の観測時に，硫黄岳山頂火口縁において10〜30分間に1回程度の頻度で小さな爆発音が確認されました．8月13日には京大防災研のGPS観測施設に設置した低周波マイクロフォンが噴火地震と同時に発生した空振を観測しています．
2001年11月19日〜21日に，産総研と京大防災研の共同で，火口縁において低周波マイクと1Hz速度計による観測を実施しました．この結果，左図（空振を伴う地震）のような空振を伴う地震とともに，地震動を伴わない空振も多く観測されました．このため，爆発音源は比較的地表近くにあり，主に気体膨張による現象と推察されます．また，以前から記録されてきた定常的に発生している高周波の極微小地震は空振を伴わないこともわかりました．
2001年11月19日〜21日の観測では，数十分オーダーで周期的に発生する空気振動を伴った数分〜10分程度の継続時間の微動も観測されました（右図：周期的に発生する空気振動を伴った微動；西ほか，2002）．Ohminato and Ereditato（1997）が観測した微動震幅の変化を伴う超長周期（VLP）パルスと比較すると，微動の包絡線波形が異なり超低周波パルスが発生しないこと，観測期間中に時間間隔が変化していること等の差異はありますが，同じ時間オーダーの現象であり，類似のメカニズムを持つ可能性があります．
定常的に発生している高周波の極微小地震
1993年10月のSherburn and Nishi（unpublished data）による初の山頂部での観測において，山頂部でほぼ定常的に発生している高周波の極微小地震が観測されました．孤立イベント，微動的なイベントなど様々な波形を持ちます，30Hz以上の卓越周波数を持つイベントが多く観測されました．
その後の1998年11月からの観測点ID560における長期モニタリング，1999年以降の産総研と京大防災研による共同観測などにおいても，山頂部に設置した地震計で，定常的に発生している高周波の極微小地震が観測されています．右上の2001年11月20日〜21日の地震計の連続記録に見えるパルス状の振動もこのような極微小地震です．
地震活動から推定される火山構造について
鬼界カルデラ内にある隆起（図：鬼界カルデラ地形図，→噴火史）の体積から推定できる後カルデラ期のマグマ噴出率（3-6km3/1000年）は第四紀火山の平均的なマグマ噴出率（0.1-1km3/1000年；小野, 1990）より高いこと，火山ガス観測とメルト包有物分析から見積もられるガスマグマ量は少なくとも80km3であること等から，薩摩硫黄島火山下には，現在，マグマ溜まりが存在していることが推定されています（→マグマ溜まり）．
地震学的にマグマ溜まりを探査する手法として，遠地地震の観測が挙げられます．地震波のうち，Ｓ波（横波）は気体や液体中を伝播できず，マグマ溜まりを通過する地震波ではＰ波（縦波）に比してはＳ波は大きく減衰します．このため，遠地地震のＳ波の減衰が大きい領域を調べることでマグマ溜まりの位置や大きさを推定できると考えられています．
この図（遠地地震の振幅減衰域）は，西ほか（2001）による遠地地震の振幅減衰域の観測結果です．鬼界カルデラ北縁の薩摩硫黄島と薩摩竹島の臨時観測点で遠地地震を観測しています．鬼界カルデラ内部に遠地地震の減衰域があるのは認められますが，マグマ溜まりの位置や大きさを推定するまでには到ってません．
遠地地震観測でマグマ溜まりの位置や大きさを精度よく推定するためには，火山周辺で広範囲に観測点を分布し，十分な数の遠地地震を観測する必要があります．カルデラ底やカルデラ壁，カルデラ周辺域のほとんどが海中にある薩摩硫黄島火山では，陸上での観測に加え，海底地震計を用いた観測を行う必要があります．
引用文献
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井口正人・石原和弘・高山鐵朗・為栗 健・篠原宏志・斎藤英二 (1999) 薩摩硫黄島の火山活動 －1995年〜1998年 －. 京都大学防災研究所年報, vol.42, B-1, p.1-10.
井口正人・高山鐵朗・為栗 健・西 祐司・松島喜雄 (2002b) 薩摩硫黄島における火山性地震の特徴. 薩摩硫黄島火山・口之永良部島火山の集中総合観測 平成12年8月〜平成13年3月, 京都大学防災研究所, p.13-23.
Iguchi, M., Saito, E. Nishi, Y. and Tameguri, T. (2002) Evaluation of recent activity at Satsuma-Iwojima-Felt earthquake on June 8, 1996-. Earth Planets and Space, vol.54, p.187-196.
加茂幸介 (1976) I.4. 地震観測．昭和50年度サンシャイン計画委託調査研究成果報告書「火山発電方式に関するフィジビリティスタディ」（社団法人日本電機工業会）, p.38-59.
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小野晃司（1990）火山噴火の長期的予測. 火山学の基礎研究の動向（資料編）平成元年度文部省科学研究費総合研究（A）「火山学の基礎研究」（No.01102035）, p.201-214.
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参考文献
西村太志・井口正人（2006）日本の火山性地震と微動．京都大学学術出版会，242p.
（西 祐司）