EARTH

 

あなたは、巨大地震が来ると思っていますか?

来ると思う人は、備えができていますか?

来ないと思う人は、その根拠がありますか?

地球の内部って、思ったより複雑なんだけど、

思ったよりも規則性があると私は考えているんですよ。



著者プロフィール
後藤忠徳(ごとう ただのり)

大阪生まれ、京都育ち。奈良学園を卒業後、神戸大学理学部地球惑星科学科入学。学生時代に個性的な先生・先輩たちの毒気に当てられて(?)研究に目覚める。同大学院修士課程修了後、京都大学大学院博士後期課程単位取得退学。博士(理学)。横須賀の海洋科学技術センター(JAMSTEC)の研究員を経て、2008年から京都大学大学院工学研究科准教授。光の届かない地下を電磁気を使って照らしだし、海底下の巨大地震発生域のイメージ化、石油・天然ガスなどの海底資源の新しい探査法の確立をめざして奮闘中。著書に『海の授業』(幻冬舎)、『地底の科学』(ベレ出版)がある。個人ブログ「海の研究者」は、地球やエネルギーにまつわる話題を扱い評判に。趣味は、バイクとお酒(!)と美術鑑賞。

 

知識ゼロから学ぶ

地底のふしぎ

 

第18話

火山噴火予知は可能か?(6)

文と絵 後藤忠徳

火山噴火シリーズの第6回目です。火山編の締めくくりとして、近未来の火山噴火予知のテクノロジーを紹介します。
前回は「地球サイズの電磁誘導」を使って、富士山などの火山を輪切りにするという、壮大なお話をしました。一方、火山噴火を考えるとき、山頂や地表面からガスやマグマが吹き出すという「最後の最後のステージ」を詳しく知ることが必要となります。
例えば、第16話で書いたように、2014年の御嶽山の噴火は大規模なものではありませんでしたが、大きな被害を起こしました。こうした被害を目の当たりしたとき、今後の防災のためにも、より細かく、地表近くの地下の様子を調べることができたらいいのに、と思う人は少なくないでしょう。本当にできるのでしょうか? ええ、できますとも!(キッパリ)

◎電気探査で火山活動の様子を調べる

今回は、火山の中を細かく覗き見る地下探査テクノロジーを2つ紹介します。ひとつ目は「電気探査」です。文字どおり、地中に弱い電気を流して、電気の通り方から地下を探査する技術です(図1)。地表に電極(金属棒)をたくさん設置して、電極と装置本体をケーブルで結びます。そして、さまざまな電極組み合わせで電流を流し、地表に発生する電圧を測定します。こうすれば、地下の電気の通りにくさ(専門用語で「比抵抗」と言います)の分布を調べることができて、穴を掘らなくても地下の様子が分かるのです。

図1. 電気探査の概念図。『地底の科学』(ベレ出版)より。

世界中のあちらこちらの火山で電気探査が行われていますが、ここではイタリアのヴォルカーノ火山での例を見てみましょう。「ヴォルカーノ」は、英語の「ボルケーノ(火山)」と同じ。直訳すると「火山火山」ですね。
この火山の裾野から頂上を越えて反対側の裾野まで、たくさんの電極を地面に刺し、その間を延々とケーブルで繋いで電気探査を行ったところ、ヴォルカーノ火山の内部では電気をよく通す地層(比抵抗の低い地層)や通さない地層(比抵抗の高い地層)が複雑に分布していることが明らかになりました(図2)。


図2.(上)電気探査により明らかとなったヴォルカーノ火山(イタリア)の地下構造。(下)地下構造の解釈図。いずれも原図(注1)に加筆。

電気探査の地下断面図からは、火山活動の様子が明らかとなります。一般に、地下水や粘土を含む地層は電気を通しやすいことが知られています。逆に、割れ目を含まず(水も含まず)固く緻密な岩石は電気を通しません。
今回、山頂のクレーターの地下には電気を通しやすい部分(図2上の青色部分:比抵抗の低い部分)が見つかっていますが、クレーター周辺では数多くの噴気(水蒸気などのガスの吹き出し)が確認されています。
これらの噴気の下には、高温の地下水(熱水)があると考えられますので、山頂付近の青色の部分は、火山の地下深くで温められた熱水が地下から地表へと向かう通り道だと考えられます(図3)。
一方、クレーターの外側(北東側)に見つかった電気を通しにくい部分(赤~紫色:比抵抗の高い部分)は、マグマが冷え固まった硬い岩体(貫入岩)だと推測されます。
このように、電気探査は火山浅部の様子を探るための強力なツールです。近年では、火山の同じ場所で電気探査を繰り返して実施して、火山の中が時間とともにどのように変化していくかを調べる研究(地下のモニタリング)も進んでいます。例えば、火山直下の電気の通りやすい部分が徐々に大きくなるようならば、「火山活動がだんだん活発になっているよ!」と推測できるでしょう。

◎空から地下を調べる、空中電磁探査

すばらしい電気探査にも弱点があります。図1に示したように、地表にケーブルを設置しないといけないのです。このようなケーブルは噴火や土砂崩れなどで切れてしまいます。つまり、火山噴火が本格化すれば電気探査ができなくなるかもしれません(ケーブルを修理しにいくのは危険!)。肝心なときに、肝心な情報が得られなくなるのは大問題。解決策の1つとして、ケーブルを設置しない方法を利用する手があります。
ここ最近、空を飛びながら電気探査と同じような地下探査を行うテクノロジーが一般化してきました。この「空中電磁探査」という技術を使えば、空から地下探査をすることができるのです(図3)。実際に火山地域で空中電磁探査を実施した例も報告されています。

図3. 空中電磁探査の概念図。空中で交流磁場を発生させれば、地下に電流が流れるため、電気探査と同じように地下探査が可能となる。この時、地中に流れる電気信号の受信も空中で行う事ができる(誘導磁場を測定)。『地底の科学』(ベレ出版)より。

◎近未来の火山噴火監視体制

ここまで来ると、近未来の火山噴火監視体制がおぼろげながらに見えてきます。
まずは従来と同様に(第15話で紹介したように)、地表では地震や地殻変動を観測します。地下深くから地表へ向けてマグマが上がってくれば、火山性地震が増加しますし、地面も徐々に変形していきます。これらを観測して、火山全体の活発度を推し量ります。
次に電気探査、ではなくて空中電磁探査を使って、図2のように火山の中を透視します。地震・地殻変動データにもとづいて「怪しい」と思われる地域を絞り込み、地下の様子の定期的なモニタリング(火山の健康診断)ができれば、マグマや水蒸気がどこをどう移動しているかを効率よく可視化できるでしょう。
ところで、図3のように人間が乗ったヘリコプターを使って探査するのは、噴火時に危険が伴います。そこで自動操縦のヘリコプター、いわゆる「ドローン」が活躍します。ドローンには磁気センサーなどを搭載しておき、自動で空中電磁探査をできるようにしておくのです。ドローンにはこの他に、カメラも搭載しましょう。これで地表の様子を空から見ることができます。ガス感知センサーを搭載して、火山ガスの成分変化を調べるのもいいですね(図4に概念図)。
まるでSFマンガようですが、ドローンを用いた空中電磁探査はすでに実用化の一歩手前まで来ています。またドローンを用いた災害調査の技術開発も着々と進んでいます(注2)。

図4. 近未来の火山噴火監視体制の予想図。地上では地震・地殻変動を観測、空中では地下構造のモニタリングや、地表の様子を撮影するために、複数のドローンが定期パトロール。地中のトンネルでは宇宙線ミュー粒子(紫)を利用して、マグマの上昇をより細かくキャッチ(宇宙線ミューオンラジオグラフィ)。

◎火山の"レントゲン写真"を撮る?

さらにさらに、火山の中を細かく覗き見る最新のテクノロジーとして、「宇宙線ミューオンラジオグラフィ」も紹介しましょう。
これはX線撮影(レントゲン撮影)に似ています。X線は地面の中を通り抜けることはできないので、火山のレントゲン撮影は無理です。しかし、宇宙からやってくる高エネルギーの放射線「宇宙線」により生み出される素粒子「ミュー粒子(ミューオン)」は物質を通り抜ける力が強いことが知られています。X線の代わりにミュー粒子を使えば、火山の「レントゲン撮影」ができるのではないか? これが宇宙線ミューオンラジオグラフィと呼ばれる技術です。日本の研究者たちは、世界に先駆けてこの技術にトライしており、火山内部の「撮影」に次々と成功しています。
宇宙線ミューオンラジオグラフィでは、重い物質と軽い物質を見分けることができます。地表付近まで上がってきたマグマはガスを多く含むため、周りの岩石よりも軽くなっていると考えられますが、実際に活火山で調査を行ったところ(図5)、火口直下にマグマと思われる画像が確認されました。
現在は、この手法を用いた火山体内部のモニタリングが進みつつあり(注4)、また火山防災以外、例えば遺跡調査や原子炉調査(注5)でも威力を発揮しつつあります。

図5. 宇宙線ミューオンラジオグラフィによる、活火山(薩摩硫黄島)の内部の「撮影」結果。ガスを含む軽いマグマと思われる物質が明瞭に捉えられている(注3の図に加筆)。

◎火山噴火の予知へ向けて

以上、火山の内部を透視する最新の方法2つ、「電気探査・空中電磁探査」と「宇宙線ミューオンラジオグラフィ」を紹介しました。
火山噴火予知へ向けて、従来からの地震・地殻変動の観測に加えて、マグマや熱水の地下での姿をより直接的に捉える技術が実用化しつつあります。これは古代の人たちにとっても夢だったことでしょう。
先に紹介しましたイタリアのヴォルカーノ火山ですが、古代ローマ人はこの火山の地下には「火の神様 バルカン」の鍛冶場があり、その煙が噴煙となっていると考えて、神の名を山につけたそうです。豊かな想像力です。そして現在、私たちは火山の中、つまり「神様の仕事場」の一部を覗き見るテクノロジーをついに手にしたのです。いやいや、神様を覗き見るだなんて、これはちょっと大げさでした。
そうですね、例えば近未来のテレビの天気予報を思い浮かべましょう。天気図や気象衛星の画像と並んで「今日の○○火山の地下の様子」が日常的に番組で発表される様子を想像してみてください。私が思い描いた未来図=図4の近未来の火山噴火監視システムだけでは、火山噴火予知にはまだ届かないかもしれませんが、少なくとも日々の安全・安心の一助となるに違いありません。
さて火山の話はこれぐらいにして、次回は再び地震の話に戻ります。


注1:Barde-Cabusson et al. (2009). New geological insights and structural control on fluid circulation in La Fossa cone (Vulcano, Aeolian Islands, Italy), Journal of volcanology and Geothermal Research,185(3), 231-245.

注3:Tanaka, H. K., Uchida, T., Tanaka, M., Shinohara, H., & Taira, H. (2009). Cosmic‐ray muon imaging of magma in a conduit: Degassing process of Satsuma‐Iwojima Volcano, Japan. Geophysical Research Letters, 36(1), doi:10.1029/2008GL036451.

注4:Tanaka, H. K., Kusagaya, T., & Shinohara, H. (2014). Radiographic visualization of magma dynamics in an erupting volcano. Nature communications, 5, 3381, doi:10.1038/ncomms4381.

つづく

【バックナンバー】
第1話 世界一深い穴でもまだ浅いのだ
第2話 「マグニチュード9.0」ってなに?
第3話 マグニチュードがだんだん増える?
第4話 地震計は命を救う
第5話 地震科学は失敗ばかり?
第6話 地中の埋蔵金の探し方(1)
第7話 想定外と想像内の狭間で(1)
第8話 想定外と想像内の狭間で(2)
第9話 想定外と想像内の狭間で(3)
第10話 想定外と想像内の狭間で(4)
第11話 地中の埋蔵金の探し方(2)
第12話 地中の埋蔵金の探し方(3)
第13話 火山噴火予知は可能か?(1)
第14話 火山噴火予知は可能か?(2)
第15話 火山噴火予知は可能か?(3)
第16話 火山噴火予知は可能か?(4)
第17話 火山噴火予知は可能か?(5)