気象研究所研究開発課題評価報告
火山活動評価手法の開発研究
事後評価
実施期間
平成１３年度 ～ 平成１８年度
研究代表者
伊藤 秀美（地震火山研究部長）
研究目標に関する自己評価
（１）研究目標の妥当性について
本研究の目標は妥当かつ適切であった。
（理由）
火山災害の軽減を効果的に行うためには、早期で信頼できる正確な情報発表が必要である。そのためには、マグマの火山体下部への蓄積とマグマ上昇から噴火にいたる噴火準備過程について、観測データの総合処理から、火山活動が現在どの段階にあるのかの評価・診断を行う手法を研究・開発することが必要である。
気象庁は、平成14年から、全国４カ所の火山監視・情報センターにおいて火山活動を集中監視し、火山活動を評価して火山情報を発表する体制を構築、地殻変動観測及び地磁気観測を火山監視に本格的に導入した。
そのため、本研究では、地殻変動観測及び地磁気観測データを総合的、定量的に評価する手法を開発し、火山噴火予知、火山活動推移予測に有効な情報を提供する手法を開発することを目標とした。
火山監視・情報センターにおいて、データが次第に蓄積され、地殻変動観測及び地磁気観測によって中長期的な活動の消長が見え始めている火山もあり、本研究によって開発されたソフトウェアを利用して火山活動の評価を行う試みも始まっている。
以上のように、本研究は気象庁の火山業務に貢献し、特別研究としての責務を果たしており、研究目標の設定は妥当かつ適切であったと考える。
（２）研究目標の達成状況について
本研究の目標については、当初設定した研究の目標をほぼ達成した。
（理由）
本研究では、マグマの振る舞いを地殻変動などから把握する力学的モデルに焦点を絞って開発を進めた。これまでの噴火事例をもとに、マグマの蓄積から噴火にいたる過程の圧力源を想定し、概念モデルを作成、これに基づいて有限要素法を用いたモデルを作成し地殻変動や応力変化を推定する手法を開発した。
以上の手法を適用して、地殻変動や全磁力データを解析し、変化を抽出するための火山用地殻活動解析支援ソフトウェア（MaGCAP-V）を開発した。一部の火山について、実地形を考慮し種々の変動源に対する有限要素法を用いた地殻変動パターンの計算を行い、本ソフトウェアにそのシミュレーション結果のデータベースを種々の形式で地形図上に表示できる機能を盛り込んだ。ただし、本ソフトウェアにおける地磁気データの解析においては、解析に用いるデータベースの作成に多大な時間を要するため、有限要素法によるピエゾ磁気効果の解析機能を組み込むことは見送り、熱消磁効果による地磁気変化及び解析解に基づくピエゾ磁気変化の解析機能を盛り込んだ。
以上の火山活動評価手法の開発と検証に有用な観測データを収集するため、霧島山を中心に、活動的な火山において、火山活動評価手法の基礎となる地殻変動、地磁気変化、熱的変化、地震等の観測及びデータ収集を行った。
これらの観測データについて、地殻変動等の数値モデルを適用し、マグマ蓄積等のモデル化を行い、その結果、伊豆大島の静穏期のマグマ蓄積過程、浅間山2004年噴火前後のマグマ供給系を推定し、樽前山及び霧島山の地殻変動の評価が可能となった。三宅島においては、精密な地殻変動の推定と従来行われている解析の系統的誤差の評価が可能となった。
以上のように、本研究は当初想定した研究目標のうち、一部の内容を除けば当初設定した研究の目標をほぼ達成した。
研究成果について
（１）研究成果の概要
２つのサブテーマについて、その研究成果の概要を以下に述べる。
ア．火山活動評価手法の開発
① 有限要素モデルの開発
マグマの火山体への蓄積、マグマの貫入、噴火についての概念モデルに基づいて、マグマ溜まりを模式した楕円体（球を含む）状、火道を想定した円柱状、マグマ貫入を想定した板状の圧力源を想定し、有限要素法を用いた火山の力学的な数値モデル（有限要素モデル）を作成し、これによって火山周辺の地殻変動、応力変化などをシミュレーションする手法を構築した。
茂木モデルを有限要素モデルで再現して解析解との比較を行うことにより、数値モデルの計算精度を確立した。具体的には、球圧力源の深さに比して深さ方向にも水平方向にも充分大きな計算領域を設定することによって、モデル端の影響が軽減され、充分高い計算精度を実現することができた。
② 有限要素モデルによる数値シミュレーション
火山の地形、地下構造、圧力源の形状等を含む有限要素モデルによって、火山の地形、構造、マグマ溜まりの形状等が観測される地殻変動にどのように影響するかを明らかにした。火口地形や標高が観測量にもたらす影響の評価を行い、従来の簡単な解析手法（茂木モデルなどの地形、地下構造を簡略化したモデル）を用いた場合との違いを量的に明らかにした。
マグマ溜りの圧力上昇に伴う地磁気変化(ピエゾ磁気効果)についても、火山地形の影響がどの程度あるのかを評価した。
最終的に、実地形を取り込んで、実際の火山の地殻変動を従来よりも精密に計算できる手法を開発した。
③ 火山用地殻活動解析支援ソフトウェア（MaGCAP-V）の開発
GPSデータ、傾斜計データ、地磁気データを総合的に解析し変動源を抽出するための火山用地殻活動解析支援ソフトウェア（MaGCAP-V）を開発した。
地殻変動データについては、有限要素法を用いた地殻変動シミュレーション結果データベースを利用して、モデル推定を行う方法を組み込んだ。具体的には、伊豆大島、浅間山、霧島山について、実地形を考慮し種々の変動源に対する有限要素法を用いた地殻変動パターンの計算を行い、ソフトウェアにそのシミュレーション結果のデータベースを種々の形式で地形図上に表示できる機能、最適モデルの選択機能、内挿推定する機能を追加した。
これにより、マグマの蓄積、上昇、貫入の各段階に対応した面的パターン、時間的パターンと実際の観測データを対比することでマグマのより正確なふるまいを推定することが出来る。
本ソフトウェアは、観測データをもとにマグマの変化を把握するために利用されるだけでなく、火山監視のために観測網を展開する際にどのような観測点配置が効率的かを判断するためにも利用できる。
イ．火山活動評価手法開発のための観測
① 火山観測
火山活動評価手法の開発と検証に有用なデータを得る目的で、霧島山を中心に伊豆大島、樽前山、浅間山、雲仙岳において火山観測を実施するとともに、関係するデータの収集を行った。得られた観測成果は以下のとおりである。
霧島山： 御鉢火口及び新燃岳で発生した火山性微動、小規模な土砂噴出に対応した傾斜変動を捉えた。
伊豆大島： 静穏期に見られる島の膨張を示す地殻変動の空間的分布を詳しく捉えた。
浅間山： 2004年噴火に伴う山体変動を観測した。噴火活動開始前に山体が膨張する変動を捉え、噴火活動期間に山頂部が膨張する変動を観測した。
樽前山： 有珠山噴火や十勝沖地震前後において、溶岩ドーム直下の膨張を捉えた。
雲仙岳： 溶岩ドームの塑性変形と自重沈降と考えられる地殻変動を捉えた。
② 有限要素法による数値シミュレーション手法の適用
①で得られた観測等により収集したデータに基づき、「ア．火山活動評価手法の開発」で開発した手法を活用して地殻変動に関する解析を行った。
霧島山： 火山性微動に同期して発生した傾斜変動源はごく浅部（海抜0m以浅）にあると推定され、この傾斜変動は新噴気孔からの物質の放出に伴った浅部の減圧によって生じたと推定した。
浅間山： 噴火前後の地殻変動の解析から、浅部（山頂直下約350m）、やや浅部（山体下のほぼ海抜）及び深部の３つの圧力源からなるマグマ供給系を推定した。山頂部のような複雑な地形の浅部における圧力計算は、解析解では誤差が大きいので、有限要素法の適用は有効であった。また、火口内にたまった溶岩の荷重による山体変形を有限要素法を用いてシミュレーションすることにより、光波測距により観測された山頂部の変動を評価することが可能になった。
伊豆大島： 深部の球状圧力源と浅部の板状圧力源の存在が推定され、深部のマグマ溜まりだけでなく浅部の開口割れ目にマグマが蓄積されている可能性を示唆した。これは、伊豆大島の今後の噴火を考える上で重要な知見である。
三宅島： 地下構造の影響が顕著であり、海岸部のGPS観測点付近で単純な構造を仮定した場合より変動量が２倍以上に増幅されうること、従来の簡単な解析手法で推定されるマグマ溜まりの深さは、実際よりも約30％も浅いことが分かった。
樽前山： 溶岩ドームがせり出す特異な地形をしているため、解析において地形による影響が大きいと考えられるが、有限要素法によりその影響を除去することができた。
（２）特筆事項（研究手法の変更点、波及効果など）
ア．本研究の意義・今後の発展性
有限要素法を用いた火山における力学的数値モデルを適用して、観測したデータから地下のマグマの状態をより正確に特定できるようになった。
本解析手法によって、火山周辺の応力変化をより詳細に推定することも可能であり、地殻変動以外の諸観測データの評価にも今後応用出来る手法である。
イ．想定外の成果
当初、霧島山を中心に観測を実施してきたが、火山活動に高まりが見られた浅間山にパワーシフトして、観測強化を行い、2004年の噴火活動前後の地殻変動を捉えることができた。光波測距観測では、活発な活動下においても安全に、山頂部近傍の地殻変動を捉えることに成功した。
光波測距観測の気象補正で、数値予報の格子点データを使用することにより、ノイズレベルを短周期成分で±1cm程度に半減できることが明らかとなり、長期的な季節変動はほぼ除去できた。
ウ．波及効果（業務化された事項等）
本研究において実施した観測の結果は、随時、火山噴火予知連絡会に提出した。そのうち、浅間山における地殻変動観測結果は、2004年浅間山の火山活動の総合評価に大きく貢献した。また、火山噴火予知連絡会（伊豆部会）が現在進めている伊豆大島の中長期的な火山活動の検討において、本研究で得られたモデルが提出され、議論されているところである。
本研究において開発された火山用地殻活動解析支援ソフトウェア（MaGCAP-V）は、順次、気象庁火山監視・情報センターに提供し、業務において活用されている。また、他の研究機関からも活用したいとの申し出もある。
本研究で設置した霧島山のGPS連続観測点及び傾斜観測点は福岡管区気象台火山監視・情報センターに管理換えし、火山監視に引き続き活用されている。
本研究は、火山学的に意義深いものであり、その成果は、気象庁の火山監視業務にも活用されており、概ね当初想定した成果が得られた。
（理由）
有限要素法を用いた火山における力学的数値モデルによる解析はわが国では初の試みであり、他機関でも類似の研究はない。
本研究を進める過程で、独自に霧島山や浅間山等で地殻変動の観測を行いより詳細なデータを得て、これらのデータや既存のデータに、力学的数値モデルを適用することによって、それぞれの火山の地下のマグマや熱水の変動についてこれまでより詳しいモデルを得ることができ、現実の火山においても新たな知見が多く得られた。
この手法を適用したソフトウェアは、気象庁火山監視・情報センターに順次提供しており、火山監視・情報センター業務開始以降蓄積された地殻変動や全磁力観測のデータを本ソフトウェアを用いて解析し、火山活動を評価する試みが始まっている。