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Study on seismic velocity structure beneath active volcanoes by seismic interferometry

長岡, 優 東京大学 DOI:10.15083/0002004211

2022.06.22

概要

活動的な火山においては、地殻変動解析や噴出物の分析などから、噴火に関わるマグマだまりが深さ5〜10km付近に存在する場合が多いことが分かっている（例えば霧島山、桜島）。マグマだまりの地震波速度構㐀を推定できれば、マグマ供給系に対して定量的な制約を与えられることが期待される。しかし、人工地震探査や自然地震トモグラフィーといった従来の地震学的手法では、この深さ領域のS波速度構㐀推定は困難である。

そこで本研究では、地震波干渉法により脈動から抽出した表面波を用いて、活動的な火山のマグマだまりの検出を試みた。地震波干渉法は、ランダムな波動場（脈動など）の相互相関関数を計算することで観測点間の地震波の伝播を抽出する手法である。相互相関関数は観測点間の速度構㐀に敏感であるため、地震波干渉法は局所的な構㐀推定に適している。

火山地域は不均質性が強く位相追跡が困難であるため、地震波干渉法を火山に適用した先行研究のほとんどは、抽出した表面波の群速度から構㐀推定を行っているが、走時測定精度が低いという欠点がある。本研究では霧島山の多点観測の強みを生かして、不均質構㐀が強い火山地域でも適応可能な位相速度推定法を開発した。位相速度測定では、まず解析領域全体の平均的な1次元構㐀として分散曲線を測定し、次に各パスの位相速度を領域平均構㐀に対する速度異常として測定する、という2段階の手順を踏むことで、不均質性が強い地域において位相速度を測定できるよう工夫した。

地震波干渉法により脈動の3成分記録からRayleigh波とLove波を抽出した（Rayleigh波は上下動成分の相互相関関数から、Love波はTransverse成分から）。Transverse成分にはLove波だけでなくRayleigh波のエネルギーも含まれており、パスの距離が短いほどその影響を無視できなくなる。従来の研究では、短いパスを使わないことでTransverse成分中のRayleigh波の寄与を無視する場合が多かったが、本研究では多点観測による短いパスを使って火山の複雑な構㐀を推定するため、Transverse成分中のRayleigh波の寄与を無視せず分離した。

得られた各パスの位相速度異常を用いて表面波位相速度トモグラフィーを行った(Rawlinsonand Sambridge, 2005)。そして、線形化インバージョン(Tarantolaand Valette,1982)により、各グリッド点のRayleigh波とLove波の位相速度から1次元VSV,VSH構㐀をそれぞれ推定し、さらに1次元VSV,VSH構㐀を全グリッド点について統合することで3次元VSV,VSH構㐀を得た。

本研究では、この手法を霧島山に適応した。得られた霧島山のVSV,VSH構㐀を図1に示す。海抜下2kmでは、VSV,VSH構㐀ともに標高に沿った基盤の盛り上がりに対応する高速度異常が見られた。海抜下7km以深では、VSV構㐀のみで、霧島山山体直下から北西にかけて水平方向に約15kmにわたる大きな低㏿度異常が現れており、radial anisotropyが確認された。2011年噴火に伴う地殻変動から推定された圧力源の位置はこの低速度領域の北西の上端に対応することから（Nakaoetal.,2013）、求まった低速度領域は圧力源の下に広がるマグマだまりであると推測される。

比較のため、同様の手法を用いて浅間山周辺のVSV構㐀を推定した。その結果、浅間山の北西に位置する、噴火に伴う地殻変動から推定された圧力源の下の深さ5〜10kmに、マグマだまりと考えられる低速度領域が見つかった。低速度領域の大きさはせいぜい直径7〜8km程度であり、浅間山のマグマだまりは、カルデラ縁に位置する霧島山のマグマだまりに比べて小さいことが分かった。

求まった霧島山のマグマだまりと、深部低周波地震の震源と地殻変動源との位置関係から、マグマは山体南東端の深部から上昇し、マグマだまりに一旦蓄積され、地表に向かってさらに上昇していく、というマグマ供給系の描像が得られた（図2）。また、マグマだまり内のradial anisotropyは、部分溶融したメルトを含む薄い低速度層が多重に重なった構㐀によって説明できることから、マグマだまり内はシル状構㐀になっていると考えられる。さらにMT観測の結果（Aizawa, personal communication）では、この領域は低比抵抗になっており、メルトが結合していることが示唆される。マグマだまりのシル状構㐀はトバ火山でも示唆されている（Jaxybulatovetal.,2014）ことから、大きなカルデラを形成するような火山に共通する特徴である可能性がある。

本研究では、従来の地震学的手法では解像が困難であった地殻内マグマだまりのイメージングに成功し、さらに測地学や電磁気学等の研究結果と合わせることで、活動的な火山のマグマ供給系を明らかにし、マグマだまり内の構㐀に制約を与えることができた。今後同様の手法を他の火山に適用し、マグマだまりの大きさやradial anisotropyの存在を系統的に調べることは、活動的火山のマグマ供給系を理解する上で重要である。

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