九州大学 理学研究院 理学府 理学部

火山で観測される様々なカップリング

　活動的な火山周辺では、噴火状況や爆発規模を監視するために地震観測や空振 “infrasound” ^[1]観測、地殻変動観測^[2]など様々な観測が並行して実施されています。近年は研究が進み、これらの様々な観測データが相互に関連 (カップリング) していることが分かってきました。例えば地震と空振カップリングについての研究では、噴火など火山活動によって発生した空振波が空気中を伝播することで、鉛直方向の地面の揺れ (地震動) を発生させることが分かっています。また、地震波によって地中に電流が生じる例も数多く報告されています。その一方で空振によって電流が生じるという報告はこれまでありませんでした。本研究では、活動的火山である霧島新燃岳^[3]で空振・地震・MT  “” (magnetotelluric:  “” 地磁気－地電流)  “” 観測 “” ^[4]を同じ場所で行うことによって、爆発的噴火が発生した時に空振と電場のカップリングが明瞭に生じていることを初めて発見しました。

空振・地震・MT 観測

　本研究では、2018 年霧島新燃岳の爆発的なブルカノ式噴火で得られた波形に着目しました。火口周辺の空振計、地震計、MT データを解析した結果、爆発的噴火に伴う空振波が観測点に到来すると同時に、同じ場所で電場変動を起こす、すなわち地中に電流を流すことが分かりました (図1)。また、地震計データからは、先行研究と同様に、空振が到来した時に鉛直方向の地面の揺れを発生させることも分かりました。

電流が流れる方向と地下水の存在

　電流が流れている方向を調べるために、電場の振動方向の軌跡を地図上に図示してみると、どの爆発的噴火でもある共通した方向性があることが分かりました (図2)。空振到来時の電場変動が、概ね火口方向を向いて開始していたのです。空振によるこの電場変動が以下に説明するような「流動電位 “streaming potential” 」によって生じるのではないかと考えました。

　大地を構成する岩石は多孔質で、その空隙には沢山の地下水が含まれています。この時、岩石と地下水の境界面 (界面) では電荷の分離 (分極) が生じます。分極が生じている領域は電気二重層と呼ばれ、通常は岩石側に負電荷、地下水側に正電荷が生じます (図3)。界面から離れた地下水側の正電荷は自由度が高く、地下水が流動すると下流側に運ばれていきます。電荷の移動は電流なので、これを携帯電流 “drug current” と呼びますが、電流計や電位差計で測定することはできません。測定できるのは携帯電流によって生じた電荷のかたよりを打ち消す向きに流れる伝導電流 “conduction current” です。つまり地下水の流れの向きと反対向きに測定可能な電流が生じることになります。

　空振が鉛直方向の地面の揺れを生じさせると、地下水が水平方向に動くことが期待できます。水を沢山含んだスポンジを、寝かせた指で上から押すと、指と直交方向に水が動くイメージです。その結果、水の方向と逆向きの電流が期待できます (図4)。この考えは、空振が到来したときに最初に電流が流れる向きが火口方向という結果 (図2) と一致しており、理論から予想される電流の大きさも観測値と概ね一致していることが分かりました。

今後の展望

　本研究で発見された空振による電場変動は、爆発的噴火が発生する他の火山でも発生している可能性があります。今後は頻繁に噴火する火山や、異なる環境の火山で観測することで、より詳しい原因が分かるかもしれません。また、火山噴火に限らず空振が発生するような爆発的現象であれば、同様の電流が検出される可能性があります。例えば打ち上げ花火や竜巻などを用いることで観測事例を増やすことが出来るかもしれません。空振と電流の関係は、観測点下の地下水の状態 (水深や地下水量等) に支配されている可能性があり、今後は空振と電場の並行観測が地下水モニタリングの研究に応用されることが期待されます。火口からは噴火が起こっていない時にも微弱な空振が発生していることがあり、これによる電流が検出できるなら、火口近傍のモニタリングにも利用できるかもしれません。