[S-VC32] 火山噴火のダイナミクスと素過程

[SVC32-11] 大規模火砕流の2次元二層浅水流モデルの開発: 堆積物分布に対する地形・侵食の効果

*志水 宏行¹、小屋口 剛博² (1.防災科学技術研究所、2.東京大学地震研究所)

キーワード：火砕流、到達距離、大規模火砕流堆積物分布、2次元二層浅水流モデル、ピナツボ火山、重力流

大規模な爆発的火山噴火では，火砕物粒子とガスの混合物が火口から継続的に噴出し，それが火砕流として地表面を流れ下ることがある．火砕流は流動しつつその底面で様々な特徴をもつ堆積物を形成する．火砕流堆積物の特徴と火砕流の力学的特徴の対応関係を明らかにすることは火山学における主要課題の一つである．火砕流の力学的特徴は，噴火条件や地形だけでなく，様々な物理素過程に支配される．火砕流は一般に粒子濃度の成層構造をもち，上部の低濃度領域(粒子濃度<1 vol.%)は，粒子沈降，周囲大気の流入，流入大気の熱膨張，流れ先端における周囲大気の抵抗の影響を，下部の高濃度領域(粒子濃度~50 vol.%)は底面における摩擦，堆積，侵食の影響を強く受ける．本研究の目的は，上述の要因(特に地形と侵食)が大規模火砕流堆積物の分布に与える影響を明らかにすることである．

大規模火砕流を考察の対象とする場合，低濃度領域の厚さは10²–10³ m，高濃度領域の厚さは10^-1–10⁰ mとなる．従って，一般に10² m程度以下の起伏を持つ地形は，低濃度領域にはあまり影響を与えないが高濃度領域の振る舞いを大きく変えると考えられる．本研究では，上部低濃度領域には，火口を中心に放射状に拡大する1次元軸対称浅水流方程式を適用し，下部高濃度領域には，複雑な地形起伏の影響を評価できる2次元浅水流方程式を適用する二層火砕流モデルを開発した．上部低濃度層と下部高濃度層の相互作用としては，低濃度層から高濃度層への粒子沈降に伴う質量・運動量の輸送が評価される．本発表では，ピナツボ火山1991年6月15日噴火で生じた大規模火砕流と同程度の噴火条件による数値シミュレーションを実施した．メッシュ作成においては，ピナツボ火山を中心とした40 km四方の数値標高データ(2006–2011年観測)をALOS world 3D - 30mからダウンロードし使用した．また，比較のために水平面上の計算も実施した．

数値シミュレーションでは，定常状態の低濃度層が火口から軸対称に拡大する状況が想定され，低濃度層の底面から沈降する粒子によって高濃度層が形成される．高濃度層は底面で堆積物を形成しつつ遠方に向かって拡大する．拡大するに従って，高濃度層の進行方向の質量フラックスは底面堆積により減少する．高濃度層の先端における進行方向の質量フラックスが底面における堆積率と釣り合うと，高濃度層の先端は拡大を停止する．拡大を停止した高濃度層は，底面における合計堆積率と低濃度層からの合計粒子供給率が釣り合った定常状態に達する．

数値解析の結果，高濃度層の到達距離(堆積物の分布限界)を伸ばすメカニズムとして，地形効果と侵食効果が重要であることが明らかになった．ピナツボ地形を考慮した場合，高濃度層は主に地形起伏間の谷筋に沿って流動し，最大到達距離が伸びることが示された．この到達距離の増加は，谷筋において移動距離に対する進行方向の質量フラックスの減少率が小さくなるために生じる．一方，侵食を考慮した場合，高濃度層は，給源近傍の急斜面上で侵食(堆積物の再取り込み)により比較的薄い堆積物を形成し，全体として到達距離が伸びることが示された．給源近傍での侵食率の増加は，急斜面による加速，および，上部低濃度層からの粒子沈降に伴う運動量供給によって生じる．侵食により火砕流全体の堆積速度の実効値が減少することによって，最大到達距離が伸びる．これらの地形・侵食の効果は，ピナツボ1991年6月15日噴火の火砕流堆積物が谷筋では厚く分布し給源近傍の急斜面上では比較的薄く分布したという観測事実を説明する．