気象研究所研究開発課題評価報告
地殻変動観測による火山活動評価・予測の高度化に関する研究
事前評価
- 副課題１ 火山活動モニタリング手法の高度化およびマグマ活動の推定
- 副課題２ 火山活動の推移想定に関する研究
事前評価の総合所見
１．研究の目的
気象庁の噴火予警報業務に資するために、地殻変動観測による火山活動評価手法および噴火に至る火山活動の推移想定の高度化を図る。
２．研究の背景・意義
（社会的背景・必要性）
世界でも有数の火山国である日本では、これまでたびたび火山噴火が発生し国民の生命や暮らしが脅かされてきた。火山との共生はわが国における国家的な課題である。気象庁では、各火山で実施する観測に基づいて火山活動の評価を行い、火山の防災情報を発表している。平成19年には、噴火予報及び警報の発表を開始するとともに、火山への防災対応をより円滑に進めるために「噴火警戒レベル」を導入し、火山ごとに順次運用を開始してきた。特に、平成23年3月に発生した東北地方太平洋沖地震後の日本は地震・火山の活動期に入ったとも言われており、火山災害軽減のために、火山監視の強化や火山活動評価の高度化はより一層重要な課題となっている。
国として火山災害の軽減を目指す火山噴火予知研究への取り組みは、昭和49年度に「火山噴火予知計画」として始まり、現在実施中の「地震及び火山噴火予知のための観測研究計画」に引き継がれている。さらに、科学技術・学術審議会測地学分科会では、平成26年度からの開始を目指し「災害の軽減に貢献するための地震火山観測研究計画」を審議している。気象庁及び気象研究所は、これらの計画に継続的に参画し、計画の推進に貢献してきており、平成26年度からの計画についても「火山活動に伴う地殻変動源のモデル化及び即時推定と変動予測の研究を行う」予定である。
（学術的背景・意義）
我が国においては、これまでの観測体制の整備と噴火予知研究の進展により、平成12年有珠山噴火など、いくつかの事例については前もって噴火の発生を予測することに成功している。しかしながら今日でも、噴火の規模、様式、活動推移などを事前に予測できるほどには火山噴火に至る過程についての理解は進んでいない。例えば、平成23年の霧島山新燃岳噴火では、噴火規模・様式を予測することはできておらず、火山活動の評価と予測に関して未解決の課題は少なくない。
火山活動評価の前提となる火山観測では、近年GPSなど観測機器の高性能化によって微小な火山性地殻変動をとらえることが出来るようになり、地下数kmの深さにおけるマグマの蓄積も検出できるようになってきた。ただし、蓄積したマグマが移動、上昇して噴火に至る過程を地殻変動観測によってどのように捉えるかは大きな課題である。マグマが地殻を破壊し新たな火道を形成しながら移動（上昇）する場合、明瞭な地殻変動とこれに伴う地震活動が起こるため異常は検出しやすい。一方、平成23年の霧島山新燃岳噴火のように、開放的な火道を持つ火山では、マグマの移動、上昇が大きな地殻変動を生じない可能性がある。前者の場合は噴火位置や時期を特定するために、地殻変動や地震データからいかに早くマグマの位置を推定するかという解析技術が課題となるが、後者の場合にも対応するためには、過去の事例を類型分類し、分類に応じた推移想定を構築する必要がある。これまで実施してきた「地殻変動観測による火山活動監視評価と噴火シナリオの高度化に関する研究（平成23年度－）」における、異常未経験火山の噴火シナリオの研究ではこのような分類が認識されていなかった。まず、マグマの移動・上昇に伴う地震活動や地殻変動の多様性・共通性を過去事例等で整理・解析することが重要であり、研究手法を大幅に見直す必要がある。
これまでの研究から、伊豆大島や浅間山では火山活動に伴う地殻変動の原因を捉えつつあるが、いまだ噴火準備過程の全容を解明するには至っていない。特に伊豆大島では、短期的な収縮・膨張という特徴的な現象や、長期的な膨張が球状圧力源で期待されるものよりも東西方向に卓越することなどについて、そのメカニズムや推定されるマグマ供給系を念頭において解明を進める必要がある。この火山における地殻変動観測研究から火山活動評価手法や予測技術を高度化することにより、その成果を他火山へ適用することが可能となると考えられる。
気象研究所では、これまで「火山活動評価手法の開発研究」（平成13～17年度）、「マグマ活動の定量的把握技術の開発とそれに基づく火山活動度判定の高度化に関する研究」（平成18～22年度）の2つの特別研究を実施し、地殻変動観測に基づく火山活動評価手法の研究開発を進めてきた。この中で、GPS観測などのデータによる火山地域の地殻変動の観測と圧力源の推定、伊豆大島のマグマ蓄積過程における地殻変動の把握、合成開口レーダー（SAR）の干渉画像解析による地殻変動解析、火山用地殻活動解析支援ソフトウェア（MaGCAP-V）の開発などの成果をあげてきた。
また、気象研究所は有限要素法による火山性地殻変動研究を行っている我が国で唯一の研究機関である。有限要素法による現実に近い地形や構造を与えた場合の地殻変動計算手法を開発して既存手法の問題点を明らかにするなど、重要な知見を見出しており、火山監視・評価業務の高度化を可能とする十分な技術的基盤を有している。
（気象業務での意義）
気象庁が、国の行政機関として信頼できる火山情報を一元的に広く提供する責務を果たすため、その施設等機関である気象研究所において火山監視・評価に関わる研究を強く推進する必要がある。
地殻変動観測による火山活動評価は、震動観測等による火山活動のモニタリングと並んで、火山監視業務の技術的な柱となっている。地殻変動観測は、マグマの蓄積を圧力源モデルとして検出できる火山監視に有効な手法のひとつであるため、気象庁の火山監視業務においても、GPS等による地殻変動の監視が行われている。さらに、火山噴火予知連絡会が災害軽減のために監視を強化すべき火山として選定した47火山については、総合観測点としてボアホール型地震計・傾斜計等を中心とした観測点の整備・強化が行われ、さらなる地殻変動監視機能の強化が進んだ。これらのデータについて火山監視への高度な利用を図り、適切な火山活動評価を行う手法を開発することは、火山監視業務への大きな貢献である。
噴火警戒レベルに基づく噴火警報の運用では、特に特別警報にあたるレベル４（避難準備）、レベル５（避難）において噴火シナリオの想定が重要となる。多くの場合、噴火シナリオは過去の噴火事例をもとにして想定されるが、地殻変動については火山における観測の歴史が浅いことから、対象となる火山において適切な観測事例が存在しないことも多い。そのような火山については、他の火山の地殻変動の観測事例を火山活動の類似と相違を踏まえたうえで参照し、地殻変動源をモデル化することで、地球物理学的な背景に基づいた火山活動の推移想定を行う必要がある。本研究は、このような推移想定に貢献する。
３．研究の目標
（副課題１）
火山活動の異常検出のために地殻変動観測データ等のモニタリング手法を高度化し、地殻変動源のモデル化や地殻変動シミュレーションによってマグマの蓄積・挙動の推定手法を高度化する。
（副課題２）
火山における地震活動と地殻変動の過去事例の整理・解析を通して火山活動の推移の想定を行う。
４．研究計画・方法
（副課題１）
火山における地殻変動観測は、火山活動評価の手段として注目されており、より高度な利用が模索されている。ここでは、伊豆大島等の活動的火山におけるGPS、光波測距、傾斜、ひずみ、重力等の各種地殻変動データや地震活動データ、およびALOS2等の衛星による合成開口レーダ（SAR）データの取得・収集を行い、火山における長期的および短期的な地殻変動の捕捉、解析を行う。また、ＳＮ比の向上などの異常検出手法の高度化や、高品位なひずみや傾斜、光波測距、GPSなどの観測種目を活用した火山活動のリアルタイム・モニタリング手法の高度化を行う。
一方、マグマがどこに存在するか、マグマは周辺にどのような力学的影響を及ぼすかを明らかにすることは、火山活動評価のために重要である。これらをより正確に把握できるように、力学的な地殻変動源モデルの設定・改良やマグマによる地殻変動・応力場のシミュレーションを通して、地殻変動によるマグマ蓄積の推定手法や地震活動、地殻変動によるマグマの挙動の推定手法の高度化を図る。
これらの火山活動モニタリングの高度化とマグマの蓄積・挙動の推定手法の研究を統合的に進め、地殻変動などの現象が圧力源としてのマグマによってどのように引き起こされているかを理解・評価できるような把握技術の高度化を行う。
（副課題２）
噴火に先行した地震活動の活発化と地殻変動がしばしば観測されるが、有珠山や伊豆東部火山群の近年の活動事例ではマグマの移動もしくは上昇が、その原因であると考えられている。マグマの移動・上昇は数多くの物理パラメータや条件に影響されるが、特に、既存の火道を使うか、新たな岩脈形成を伴うかで、大きく状況が異なる。このような複数の代表的なケースについて、マグマの移動・上昇に伴う地震活動と地殻変動の多様性・共通性を過去事例等で整理・解析する。また、その結果に基づいて、マグマの状況や火道の形態等から噴火に至る地震活動や地殻変動の推移を想定し、確率的な噴火シナリオの作成に貢献する。
５．研究体制
- 研究代表者：地震火山研究部 第３研究室長
- 研究期間：平成26年度～平成30年度
６．特筆事項
（効率性）
- 地殻変動源のモデル化においては、気象庁総合観測点による火山監視データを研究に利用するほか、国土地理院のGEONETなど他機関によって取得され公開されている観測データについても活用を図る。
- また、気象研究所が実施している火山観測については、これまでのように各火山監視・情報センターとデータの共有を行うとともに、観測施設の移し替えを進めることで、火山監視へのより一層の活用を図る。
- 伊豆大島は30数年の間隔で周期的に噴火する火山であり、前回の噴火が1986年であったことから近い将来に噴火する可能性が高いとみられている。火山噴火に至る過程を研究する対象として適している。
- 火山課の地殻変動解析の担当職員などを当研究課題の併任担当者とすることで効果的な研究推進を図る。
- 研究対象となる伊豆大島などについては、現地の火山防災連絡事務所に対して観測の実施や測器の維持についての研究協力依頼を行う。
（有効性）
気象庁における火山活動評価、噴火警報、噴火警戒レベルの運用を高度化することで火山防災に貢献できる。
（波及効果）
- 伊豆大島等における地殻変動観測結果は、逐次、気象庁や火山噴火予知連絡会における当該火山の活動評価に利用される。
- 活動的火山のマグマの蓄積・挙動に関する研究成果は、気象庁が発表する当該火山の噴火警戒レベルの判断基準の高精度化に資する。伊豆大島では、高感度で時間分解能の高い地殻変動データの活用によって地殻変動監視機能が強化される。
- 火山活動の推移想定に関する研究の成果は、過去の火山異常の観測経験に乏しい火山の噴火シナリオの改善に活用される。
（特記事項）
なし