[S-VC32] 活動的火山

[SVC32-P11] 調和振動型微動の振動特性と流体流動の関係の検討

*平山 裕登¹、山本 希¹ (1.東北大学大学院理学研究科)

キーワード：火山性地震、調和振動型微動、非線形振動、浅部流体系

活火山の浅部では多様な地震が発生するが, 浅部流体系における火山性流体の流動を反映した現象の一つとして調和振動型微動が挙げられる. この調和振動型微動の発生機構を明らかにすることは, 浅部流体系の実態や流動の様式を明らかにする上で重要である. 今回対象とした山形県と福島県の県境に位置する吾妻山では, 直近では2023年に活動が活発化し, 浅部熱水系における流体の移動を示唆する調和振動型微動が断続的に観測された. 調和振動型微動の周期的特徴を観測された震動速度と震動変位による相図 (phase diagram) で見ると, 1イベントの波形の途中で軌跡の変化が見られる事例もある. これは波の位相変化を示唆しており, 非線形性を持つ振動の特徴が現れている. また, 振動の相関次元をGrassberger-Procaccia法によって推定すると, 振動を再構成する次元を大きくすることにより相関次元の値は非整数値に飽和することから, 調和振動型微動は共鳴のような線形な現象ではなく, 流体の流動による自励振動のような非線形性を持つ現象であると考えられる (平山・山本, JpGU2024). そこで, 本研究では調和振動型微動の振動源のモデルとしてOzaki et al. (2023)で提案された楕円形の断面をもつ流路において圧力勾配により駆動される流体の1次元流れを考え, 調和振動型微動の振動特性と流路の形状・圧力勾配などのパラメータの関係を検討した.

本研究では, 弾性体中に置かれた楕円形断面の流路において, 流路の上流側と下流側の圧力差によって流体の流れが生じ, その流体圧によって流路壁が弾性変形することで生じる振動を考える. ここでは吾妻山における観測波形の振動特性や先行研究を参考に, 熱水のような低粘性・高圧縮率の流体を想定してモデルパラメータを設定した. 次にモデルパラメータの内, 流動の特性や火道の形状に関わる流路の長さ, 楕円形断面の長軸・短軸の長さ, 上流側・下流側の圧力といったパラメータに着目し, それぞれ変化させることで圧力勾配, 流路の長さ, 断面形状に対する振動特性の依存性を分析した. 流体の流動および流路壁の変形は支配方程式系を予測子修正子法で数値的に解いて求めた.

この流路の系では, 流路に沿った流体の速度と流路壁の変形が振動の特徴を主に支配する. そこで, 流れの進行方向の変化として流路の断面と圧力勾配を一定に保ったまま流路の長さを変えた場合と流れに直交した方向の変化として断面の長軸短軸比を一定に保ったまま流路の断面積を変えた二つのパターンをまず検討した. その結果, 流路の長さを変化させた場合の方が, 流路の断面積を変化させた場合に比べて, 流速の振幅の大きさの変化が大きいことが分かった. また, 振動周波数への寄与を見ると, 振動の基底周波数の依存性は, 流路の変化が断面積の変化の約6倍大きいことが分かった.

数値計算による波形の変化や基底周波数の変化から, 調和振動型微動の振動特性は流路の長さの変化に強く依存していることが示された. これは今回使用したモデルでは流路の長さ方向の圧力勾配と流路壁の変形による圧力変化によって流れが決まるが, 前者が支配的であると解釈できる. このことは基底周波数のような振動の特徴が圧力勾配や流路の長さといった流れに沿った系によって生じていることを示唆する. 一方で流れに直交する流路壁の変形は, 吾妻山で観測される調和振動型微動に見られる波形途中での振動の位相や相図の変化のような非線形的特徴に寄与すると考えられる. 現在は振動の周波数や相図の特徴, 相関次元等の情報を基に検討を進めており, 観測された調和振動型微動を生む流体系を明らかにする予定である.