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巨大地震は火山噴火のトリガー(引き金)か? —研究者らの議論より—

掲載日:2016年7月8日

2011年3月11日の東日本大震災以降、全国の火山が活発化している印象を受けるのは、筆者だけではないだろう。実際、2013年から継続する西之島の噴火に始まり、14年9月には御嶽山、同年8月および15年5月口永良部島、6月浅間山と箱根山、8月桜島、そして9月には阿蘇山が噴火した。加えて草津白根山、蔵王山、吾妻山でも火山活動が見られる。東日本大震災のマグニチュード9という巨大地震を受けて、全国各地の火山が活発化しているとは考えられないだろうか。

この関心に応えるように、5月22日から26日まで千葉県の幕張メッセで開催された「日本地球惑星科学連合大会」にて、「巨大地震と火山活動」という研究発表セッションが2日間にわたって開かれた。「日本地球惑星科学連合大会」は、惑星物質科学、マグマ・火山、海洋生物などさまざまな分野の研究者たちが全国各地から集まる大きな学会だ。一般的には、火山なら火山、地震なら地震、と分野毎にセッションが開かれるのだが、このセッションには火山研究者、地震研究者、地球物質研究者らが分野を超えて参加した。そのクロスオーバーなテーマに興味を覚え、発表を取材した。この記事では、日本の火山の現状や火山とは何かをおさらいした上で、セッションに登壇した3人の研究者の報告を紹介しよう。

今日本の火山は? 過去に地震と火山の関係は?

まず、東日本大震災前後で日本列島の火山状況がどう変化しているのか見てみたい。最近は活動が沈静化した火山も見られるが、2016年6月8日時点で、日本にある約110の火山のうち、噴火警戒レベル2以上の火山は10ある(表1)。これに対して2010年11月30日時点で、噴火警戒レベル2以上の火山は5のみであった。この数年、噴火警報を発表している火山数が増加しているのは事実である。しかし気象庁によれば、単純に日本の火山が活発化しているとは考えにくいという※1

※1 2011年3月11日時点で噴火警戒レベルが運用されていたのは26火山であるのに対し、平成28年7月12日現在では34火山。噴火警戒レベル導入火山の数が増えたことを考慮する必要がある。また過去の噴火火山数の変化からも明確な傾向は見えない、としている。

表1.全国の火山噴火警報・予報。2016年6月8日時点。(提供:気象庁)
表1.全国の火山噴火警報・予報。2016年6月8日時点。(提供:気象庁)

では、過去に、大地震の後に噴火が起こった例はあるのだろうか。例えば、富士山の宝永噴火は、1707年10月28日に遠州灘沖と紀伊半島沖で同時に発生したM8.6の大地震の49日後に起きたという記録がある。

地震のあるところに火山あり

地震と火山の関係を考えるためにも、火山の形成や噴火の仕組みを簡単に振り返ってみたい。

■1 プレート境界は火山のできる場所

火山はマグマが生成される場所に作られる(図1)。マグマは、簡単に言えば岩石が融けたようなもので、マントル上部で作られる。日本列島のようなプレートの境界では地震も起きやすい。つまり、地震があるところには火山も存在するというわけだ。日本の陸地面積は世界の0.3%しかないが、世界にある1,500の火山のうち実に7%が存在している。

図 1.日本付近でマグマが作られる様子。日本のようにプレートの沈み込みが起こる場所では、プレートと共に海水がマントル内部に引き込まれた結果、水によって岩石の鉱物が別の鉱物に変化、深部で融解し、マグマが作られる。
図 1.日本付近でマグマが作られる様子。日本のようにプレートの沈み込みが起こる場所では、プレートと共に海水がマントル内部に引き込まれた結果、水によって岩石の鉱物が別の鉱物に変化、深部で融解し、マグマが作られる。(提供:気象庁「火山噴火の仕組み」より。画像を一部改変)

■2 マグマの成分と噴火の仕組み

マグマの成分は火山や時代によって異なるが、おおまかに50〜70%がケイ酸(SiO2)、数%が水や炭酸ガスである。噴火に重要なのが、水や炭酸ガスなどの揮発性成分だ。地下深くの高圧下で溶け込んでいる揮発性成分が、圧力の低下(減圧)などに伴い飽和状態になり、発泡してマグマの体積を猛烈に増加させることで噴火が起きる。これを「マグマ噴火」※2という。炭酸飲料の栓を抜くと中の圧力が変化して炭酸ガスが発泡し、飲料が溢れてしまうのと似ている。

※2 噴火には、マグマ噴火の他に2つのタイプがある。地下水などがマグマに熱せられて水蒸気になり噴出する「水蒸気噴火」。この場合マグマは噴出しない。2014年の御嶽山噴火はこのタイプであった。もう1つは、地下水などがマグマに触れ、マグマと水蒸気が噴出する「マグマ水蒸気噴火」。高温の油に水が触れ、水と油が跳ねるのと似ている。

2011年の東日本大震災では東北地方の東側が数メートルも太平洋側へ引っ張られた(図2)。この大きな地殻変動によって、マグマが通る道「火道」や地下にマグマがたまっている空間「マグマだまり」が広げられたりすることで減圧、あるいは震動によるエネルギー変化が起こり、マグマが発泡した可能性は否定できない。

図2.東日本大震災後の水平方向の地殻変動。最大で水平方向に約5.3メートル、上下方向に1.2メートルもの変動が観測された。現在も緩やかな地殻変動が続いている。(画像提供:国土地理院)
図2.東日本大震災後の水平方向の地殻変動。最大で水平方向に約5.3メートル、上下方向に1.2メートルもの変動が観測された。現在も緩やかな地殻変動が続いている。(画像提供:国土地理院)

■3 火山の個性と噴火のきっかけ

大きな地震の後に噴火が起きる、という認識が、経験的に火山学者や地震学者の一部で持たれていることもあり、その解明が今回のセッションのモチベーションであった。実際、東日本大震災の後に富士山直下で地震が起きた際、富士山の噴火が起きるのでは、とひやりとした研究者も中にはいたようだ。

一つ一つの火山は、噴火する周期、マグマの流動性や成分、噴火の仕方などにより、特徴が異なる。異なる「クセ」を持つ火山では、噴火の大きさや、それを引き起こした現象も異なるはずだ。しかし地下で起きていることを直接観察できないため、噴火に至るまでの過程は、噴出物などから推測するしかない。

ここで過程の一つとして考えられるのは、なんらかのきっかけで比較的重く高温のマグマが下からマグマだまりに入り込んで、低温のマグマと混合したことで噴火するというものだ。マグマ間の熱の受け渡しによってマグマだまりのマグマの流動性が高まったり、火山ガスや水を受け取って発泡が起きたりと、噴火しやすい状態になる可能性がある。例えば、1991年に起きたフィリピンのピナツボ火山の大噴火は、このようなマグマの混合によって起きたと考えられている。このマグマの混合が、地震をきっかけに起こり得るか、が論点の1つであった。

また、地震が火山に及ぼす影響として考えられるのは、震動によるマグマの流動性の増加や、2で前述した地殻変動による減圧や震動によるマグマの発泡などが挙げられる。

3人の研究者の発表より

「巨大地震と火山活動」のセッションでは、火山噴火の現象が大地震によって引き起こされ得るのか(得たのか)、過去の噴火履歴や実験結果をもとに議論された。地震と噴火の関係を支持するものとしないもの両方から、3人の研究報告を紹介しよう。

■ 9世紀の例から探る地震、噴火、地震の連鎖/千葉大学・津久井雅志氏

火山と地震の関係を探るために、地質、遺跡、古文書など過去の情報からアプローチしたのが、津久井雅志(つくい まさし)千葉大学理学部地球科学科教授だ。9世紀の約70年間に、伊豆諸島と富士山の噴火と、関東地方でマグニチュード7程度の地震が立て続けに起きた事例について考察を行なった。

新島と神津島は数千年に1回ほどの噴火頻度であるにもにもかかわらず、ほぼ同時期に火山活動が集中していることが、特異点として述べられた(表2)。また、関東で噴火と地震が連発している時期の東北地方から南海トラフまでへと視野を広げてみると、マグニチュード7〜8クラスの地震と各地での噴火が相次ぎ、887年にマグニチュード8.0〜8.5の南海トラフ地震が起きている。

南海トラフでの大地震は1854年にも起きているが、それ以前の18世紀末から地震と噴火が活発に繰り返されていることも分かっている。さらに、20世紀後半以降の地震と噴火の履歴から、同様に連続した大地震と噴火が一部の断層を除いて起きていること、つまり最近の大地震と全国の活発な噴火活動が、次の南海トラフ地震に先立つものである可能性があると指摘した。

表2.9世紀に起きた関東地方の噴火と大地震、及び南海トラフ大地震
表2.9世紀に起きた関東地方の噴火と大地震、及び南海トラフ大地震
図2
図3.9世紀と最近の54年間の中部・東日本の地震噴火活動の分布の比較。図中▲は噴火を示す。9世紀中は約90年間で大地震と噴火が相次いだ後、南海トラフ地震が起きた。ここ最近でも、9世紀と同様の活動が糸魚川静岡構造線断層帯以外で起きている。(画像提供:千葉大学 津久井氏。一部改変)
図3.9世紀と最近の54年間の中部・東日本の地震噴火活動の分布の比較。図中▲は噴火を示す。9世紀中は約90年間で大地震と噴火が相次いだ後、南海トラフ地震が起きた。ここ最近でも、9世紀と同様の活動が糸魚川静岡構造線断層帯以外で起きている。(画像提供:千葉大学 津久井氏。一部改変)

■17世紀の三陸沖地震と北海道3火山の噴火/北海道大学・中川光弘氏

続いて中川光弘(なかがわ みつひろ)北海道大学大学院理学研究院地球惑星システム科学分野教授は、1611年の慶長三陸沖地震の火山活動への影響の可能性を、北海道および周辺地域の火山の約2万年間の噴火履歴と噴出物の解析から考察した。1611年以降、同じ17世紀中1640年に北海道駒ヶ岳、63年に有珠山、そして67年に樽前山が相次いで大噴火を起こし、その後も活発な活動が続いていることが分かっている。このような連動噴火は過去1万年間の北海道では起こっていない。この3火山の噴火履歴を調べると、この17世紀から噴火活動時代を迎えるまで、それぞれ数千年間から数百年間の休止期間があり、噴火するための十分なマグマをためていた状態(つまり、噴火する準備はできていた)と考えられる。

図4.1611年の慶長三陸沖地震の後に噴火した樽前山、有珠山、北海道駒ヶ岳の噴火時期と火山噴出物の量(上段左)、場所(上段右)を示したもの。(画像提供:北海道大学 中川氏)
図4.1611年の慶長三陸沖地震の後に噴火した樽前山、有珠山、北海道駒ヶ岳の噴火時期と火山噴出物の量(上段左)、場所(上段右)を示したもの。(画像提供:北海道大学 中川氏)
図5.図4と同じ3つの火山の活動履歴。横軸が現在を0とした時間、縦軸が火山噴出物の蓄積量。水平の状態が火山の静穏期(マグマの生産、蓄積が地下で行なわれる)、垂直が噴火を示す。各火山とも、1611年以降の活発期以前は数千年の静穏期であったことが分かる。(画像提供:北海道大学 中川氏
図5.図4と同じ3つの火山の活動履歴。横軸が現在を0とした時間、縦軸が火山噴出物の蓄積量。水平の状態が火山の静穏期(マグマの生産、蓄積が地下で行なわれる)、垂直が噴火を示す。各火山とも、1611年以降の活発期以前は数千年の静穏期であったことが分かる。(画像提供:北海道大学 中川氏)

次に、北海道駒ヶ岳の1640年噴出物から採取した「スコリア」という、多孔質の噴出物を観察した。黒っぽいガラスに結晶が含まれているが、この結晶は表面が透明ガラスに覆われていたことが分かった。スコリアはケイ酸(SiO2)の濃度が低く高温のマグマから生じたものであるが、中に含まれていたこの結晶は比較的ケイ酸が多く密度の低い、低温のマグマからできるものであることが分かった。つまりこのスコリアは、高温のマグマが、結晶を含む低温のマグマを取り込んでできたと考えられる。このことから、噴火前に高温のマグマと低温のマグマが混合したが、両者が十分に混合する前に噴火し、不均質な状態で急冷されたことが分かる。

図6.有珠山から採取されたスコリア中の結晶(赤い点線内)の写真。緑がかった柱状のものが低温マグマでできたと考えられる。その外側を覆う透明のものがガラス。火山噴出物は地下で何が起きたかを知るヒントとなる。(画像提供:北海道大学 中川氏)
図6.有珠山から採取されたスコリア中の結晶(赤い点線内)の写真。緑がかった柱状のものが低温マグマでできたと考えられる。その外側を覆う透明のものがガラス。火山噴出物は地下で何が起きたかを知るヒントとなる。(画像提供:北海道大学 中川氏)

これに類似した現象は有珠山でも樽前山でも観察された。以上のことから、3火山の深部で噴火前に何が起きたかについて、以下のシナリオが考えられる。

火山地下のマグマだまりにあった低温のマグマに、比較的重くて高温のマグマが噴火前に深部から注入された。これにより、マグマだまりのマグマが熱や火山ガスを受け取り活性化し、噴火したと考えられる。この注入は噴火のせいぜい数年前に起こっていたと推定できた。しかし、噴火は地震の数十年後に起こっている。地震によってマントル境界の高温マグマが活発化し、それぞれの火山のマグマだまりに注入されたと考えるならば、1611年の大地震の後、数年以内に噴火しているはずだ。中川教授は、北海道で相次いだ3火山の噴火は、たまたま噴火のタイミングが合っただけであり、1611年の大地震とは無関係であるようだ、と結論づけた。

■地震の揺さぶりでマグマは揺れる/広島大学・並木敦子氏

地震の揺れが火山噴火を引き起こす可能性を実験で示したのは並木敦子(なみき あつこ)広島大学大学院総合科学研究科准教授だ。液体が入った容器を揺らすと中の液体がチャプチャプと振動する。これを「スロッシング」という。地震により石油タンクでスロッシングが起きるとタンクにダメージを与え火災が起きることがあるが、マグマだまりで同様のことが起これば、噴火につながるのではないかと考えた。そこで、粘性を持つ水飴(マグマ)を、直方体の容器(マグマだまり)に入れ、震動台に載せて揺らす(地震)実験を行なった。水飴中の気泡の量、粘性率、液体の厚さ(量)、振動の振幅、周波数をそれぞれ変えて、液体がスロッシングする様子がどう変化するかを見た。

その結果、スロッシングが起きるためには、液体が動くための空間が必要であり、また、マグマのような粘性が大きい液体ではスロッシングが起きにくいという、いくつかの先行研究※3と 同様の結果を得た。一方、上に空間がなくても、密度が大きい液体の上に発泡した低密度の液体がある場合、揺らすことで気泡がつぶれ、空間ができてスロッシングが起きることも分かった。

※3 Popov,et al., 1992. “Liquid sloshing in rectangular road containers.” Comput. Fluid 21, 551–569.ほか

図7.実験より、液体と泡の2層に、上段は泡が壊れるまで振動を加え、下段はその後も続けて振動を加えた様子。条件は縦の列で同じ。Aは振動の振幅、fは振動数(1秒あたり1回の振動で1Hz)。泡が壊れて上に空間ができると液面の振幅が大きくなるのが観察された。さらに、泡がなくなった後も揺らし続けると、上の泡の層が下の液層に潜り込む現象が観察された(下段右2つ)。これは、フィリピンのピナツボ火山で起きたとされるマグマの混合現象と似ている。(画像提供:広島大学並木氏)
図7.実験より、液体と泡の2層に、上段は泡が壊れるまで振動を加え、下段はその後も続けて振動を加えた様子。条件は縦の列で同じ。Aは振動の振幅、fは振動数(1秒あたり1回の振動で1Hz)。泡が壊れて上に空間ができると液面の振幅が大きくなるのが観察された。さらに、泡がなくなった後も揺らし続けると、上の泡の層が下の液層に潜り込む現象が観察された(下段右2つ)。これは、フィリピンのピナツボ火山で起きたとされるマグマの混合現象と似ている。(画像提供:広島大学並木氏)

この結果は3で述べた比較的温度と密度が低いマグマに、高温で高密度のマグマが混合し、噴火しやすくなる現象と似ている。

スロッシングによって周りの岩石が破壊されるほどの力が生み出されることはないが、容器の振動と液体の共振振動数(振動しやすい固有の振動数)が近付くと、スロッシングの振幅が大きくなる。スロッシングが大きくなれば、発泡している層に含まれる泡が変形して連結し、やがて消えてなくなる。火山では、発泡しているマグマから火山ガスが放たれるとマグマだまり内の圧力が下がり、マグマは更に発泡する。マグマの体積が増えることで噴火しやすくなる可能性もある。

スロッシングを起こす共振振動数は火道の幅に依存する。幅数メートルの火道であれば、比較的大きい地震によるやや低周波の揺れに共振してスロッシングが起き得ることが分かった。例えば、マグニチュード7.5程度の地震が起きれば、そこから100キロメートル離れた3メートルの火道を持つ火山でもスロッシングが起き得るという。並木氏の実験から、マグマだまりでスロッシングが起きることで、異なる性質のマグマの混合や火山ガス噴出量の増加など、噴火のきっかけにつながる現象が起こることが明らかになった。

図8.横軸は火道の高さ、縦軸は火道の幅、図中の曲線は揺れの振動数、赤い点線は高さと幅が等しいことを示す。一般的な地震の周波数は1Hz程度である。やや大きめの地震が起きた場合、マグマが通る火道の幅が数メートル程度ならばスロッシングは可能であり、噴火のきっかけとなり得る。(画像提供:広島大学 並木氏)
図8.横軸は火道の高さ、縦軸は火道の幅、図中の曲線は揺れの振動数、赤い点線は高さと幅が等しいことを示す。一般的な地震の周波数は1Hz程度である。やや大きめの地震が起きた場合、マグマが通る火道の幅が数メートル程度ならばスロッシングは可能であり、噴火のきっかけとなり得る。(画像提供:広島大学 並木氏)

地震と火山の関係解明には更なる研究・議論が必要

今回のセッションで、火山噴火と地震の関連性について決定的な結論は出なかった。しかし、火山学、岩石学、流体力学などの観点から多くの可能性が報告され議論された。千年に1度とも言われる東日本大震災、4月から勢いを緩めない熊本地方の地震。科学的な観測や研究の歴史がわずか100年ほどであることを考えると、今われわれは、科学的記録のない大地震時代に突入しているのかもしれない。もし大地震が噴火のきっかけとなることが科学的に明らかにできれば、地震が起きた後、噴火への備えをより効果的にできるだろう。今こそ災害が起きる可能性やメカニズムを探るため、今回のセッションのように他分野の研究者が手を組むことが求められるのではないだろうか。

(サイエンスライター 田端萌子)

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