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[SVC32-05] 非爆発的噴火の準周期的推移メカニズム解明のための数理モデルの構築と雲仙普賢岳1991-1995年噴火への適用
キーワード：火道流モデル、マグマ供給系、雲仙普賢岳
非爆発的噴火では周期的，あるいは減衰振動状のマグマ溜まりの圧力や噴出率の変動が地球物理学的観測によって捉えられている．このような噴火の振動現象はマグマの物性変化がもたらす火道流の不安定性や，マグマの通り道である火道の変形による影響であることが指摘されてきた．Maeda (2000)はマグマ溜まりへとマグマを供給する深部火道の粘弾性変形によってマグマ供給率がソリトン状に時間変化することと，マグマ溜まりから地表へと至る浅部火道とマグマ溜まりが交互に膨張・収縮することによって，噴出率やマグマ溜まりの過剰圧に脈動が生じることを示した．道変形が噴火の推移に与える影響を考慮したMaeda (2000)のモデルは雲仙普賢岳1991-1995年噴火で観測された2回のピークを有する噴出率の減衰振動状の振る舞いをよく再現した．しかし，火道上昇中におけるマグマの物性変化が噴火の推移に影響を及ぼすことが広く知られているにも拘わらず，Maeda (2000)ではマグマの粘性率や密度を地表で観測された溶岩の物性を鉛直方向に一様に仮定することで，物性変化を無視したモデリングが行われている．その結果，火道半径が数十から百 m にも達する火道変形が生じることとなり，Noguchi et al. (2008)が噴出物の斜長石マイクロライトのサイズ分布や核密度などを用いて復元した雲仙普賢岳1991-1995年噴火の火道半径変化と比較して過大評価であった．
本研究では，非爆発的噴火においてマグマ溜まり圧力や噴出率に見られる準周期的変動に対する火道変形と火道上昇中のマグマの物性変化による影響を明らかにすることを目的とする．そのために，Maeda (2000)で導入された深部火道と浅部火道の粘弾性変形を考慮したマグマ供給系のモデルに物性変化を取り入れた一次元定常火道流モデルを組み込んだマグマ供給系の数理モデルを構築した．火道流モデルで考慮した素過程は，減圧に伴うマグマの発泡や気相の鉛直方向への脱ガス，溶存揮発性成分量と結晶量に依存したマグマの実効的な粘性率の変化である．構築したモデルのパラメータのうち，マグマの物性に影響を与えるパラメータをさまざまに変化させ，モデルの一般的な振る舞いを検討した．また，物質学的研究や測地学的観測から得られた物性値や条件をモデルパラメータに用いて数値計算を行うことで，雲仙普賢岳1991-1995年噴火の推移へと適用を行った．
パラメータスタディの結果，マグマの発泡開始深度や発泡量に影響を与えるマグマの初期含水率や離溶した揮発性成分の脱ガスの効率を支配する浸透率の大きさを変化させることによって，火道浅部におけるマグマの密度が変化し，噴出率やマグマ溜まり過剰圧の脈動の振幅や火道半径およびその変動スケールなどの推移に影響が現れることが明らかになった．一方で，火道全体のマグマの実効的な粘性率に影響を及ぼす斑晶量の変化は，火道半径にのみ影響を及ぼすことを明らかにした．
雲仙普賢岳1991-1995年噴火に本モデルを適用した結果，火道上昇中におけるマグマの物性変化を無視してモデリングされた先行研究の場合に比べて，火道半径とその変化がおよそ50 m小さくても観測値を説明することが可能であり，岩石学的研究 (Noguchi et al., 2008)の結果と調和的であることを明らかにした．また，推定したパタメータを用いて，一般的に推定が困難である地殻の粘性率やマグマ溜まりの体積をそれぞれ1×1013 Pa s，9×108 m3と推定した．マグマ溜まりの体積は，総噴出率が2×108 m3 (Nakada, 1996)であることを考えるとそれほど過剰な見積もりにはなっていないと考えられるが，他の観測と比較する必要がある．一方，地殻の粘性率が一般的な値に比べて小さくなっており，これは，ダイクなどに比較して変形しづらい円筒火道を仮定した影響であると考えられる．今後はダイク火道を導入したモデルや深さ方向に火道半径が変化するモデルなど，より現実的なモデルを構築する必要がある．
本研究では，非爆発的噴火においてマグマ溜まり圧力や噴出率に見られる準周期的変動に対する火道変形と火道上昇中のマグマの物性変化による影響を明らかにすることを目的とする．そのために，Maeda (2000)で導入された深部火道と浅部火道の粘弾性変形を考慮したマグマ供給系のモデルに物性変化を取り入れた一次元定常火道流モデルを組み込んだマグマ供給系の数理モデルを構築した．火道流モデルで考慮した素過程は，減圧に伴うマグマの発泡や気相の鉛直方向への脱ガス，溶存揮発性成分量と結晶量に依存したマグマの実効的な粘性率の変化である．構築したモデルのパラメータのうち，マグマの物性に影響を与えるパラメータをさまざまに変化させ，モデルの一般的な振る舞いを検討した．また，物質学的研究や測地学的観測から得られた物性値や条件をモデルパラメータに用いて数値計算を行うことで，雲仙普賢岳1991-1995年噴火の推移へと適用を行った．
パラメータスタディの結果，マグマの発泡開始深度や発泡量に影響を与えるマグマの初期含水率や離溶した揮発性成分の脱ガスの効率を支配する浸透率の大きさを変化させることによって，火道浅部におけるマグマの密度が変化し，噴出率やマグマ溜まり過剰圧の脈動の振幅や火道半径およびその変動スケールなどの推移に影響が現れることが明らかになった．一方で，火道全体のマグマの実効的な粘性率に影響を及ぼす斑晶量の変化は，火道半径にのみ影響を及ぼすことを明らかにした．
雲仙普賢岳1991-1995年噴火に本モデルを適用した結果，火道上昇中におけるマグマの物性変化を無視してモデリングされた先行研究の場合に比べて，火道半径とその変化がおよそ50 m小さくても観測値を説明することが可能であり，岩石学的研究 (Noguchi et al., 2008)の結果と調和的であることを明らかにした．また，推定したパタメータを用いて，一般的に推定が困難である地殻の粘性率やマグマ溜まりの体積をそれぞれ1×1013 Pa s，9×108 m3と推定した．マグマ溜まりの体積は，総噴出率が2×108 m3 (Nakada, 1996)であることを考えるとそれほど過剰な見積もりにはなっていないと考えられるが，他の観測と比較する必要がある．一方，地殻の粘性率が一般的な値に比べて小さくなっており，これは，ダイクなどに比較して変形しづらい円筒火道を仮定した影響であると考えられる．今後はダイク火道を導入したモデルや深さ方向に火道半径が変化するモデルなど，より現実的なモデルを構築する必要がある．