2019-05-23 合成開口レーダーで観測される火山の地殻変動：有珠山・浅間山
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2019年5月23日に日本大学文理学部地球科学科で行ったセミナーで用いたスライドです。
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2019-05-23 合成開口レーダーで観測される火山の地殻変動：有珠山・浅間山
- 2. R2 R1 内容 合成開口レーダーの原理 有珠山溶岩ドームの地殻変動 1992-2017 （Wang & Aoki, J. Geophys. Res. Solid Earth, 2019） 浅間山の地殻変動 2014-2018 （Wang, Aoki & Chen, Earth Planet. Space, in prep. ）
- 3. 合成開口レーダー（SAR）とは Nature 2000年10月26日号 (Amelung et al., 2000) 人工衛星より地殻変動を面的に撮影 高い空間分解能（3-5 m） 地上観測の必要なし 昼夜・天気の別なく観測が可能
- 5. SARは何をしているのか Radar = Radio detection and ranging 人工衛星から地面までの距離を測ってい る． 人工衛星から電磁波（レーダー波）を照 射し，多重反射して戻ってきた電磁波を 計測する． 人工衛星の両側の同じ距離の点を識別す るために，電磁波の照射方向は斜めでな くてはならない（真下ではいけない）． 水面などの平らな面からは多重反射が少 ない．
- 6. SAR画像の例 大振幅は白，小振幅は黒 で示す． 京都市は大振幅，琵琶湖 は小振幅 陸域でしか観測できない．
- 8. SARにより標高を計測した例 エトナ火山 (Massonet & Feigl, Rev. Geophys., 1998)
- 9. InSARは何を観測しているのか InSARは衛星から距離変化を計測 している． 衛星軌道は南から北（上昇軌道; ascending）もしくは北から南 （下降軌道; descending）なの で，視線方向は概ね西から東もし くは東から西になる． 南北成分に感度が低い． 水平成分よりも上下成分に感度が 高いが，観測される量は両者を分 離することはできない．. 視線距離変化と東西・南北・上下成分変位との関係
- 10. 火山の地殻変動への応用 Amelung et al. (Nature, 2000) アクセス困難な場所の多い活火山で 地殻変動を観測するのに適している． 活火山に特有の小スケールの地殻変 動を捉えるのに適している． 他の観測手段よりも時間分解能や精 度が悪い．
- 11. 「発見的」火山地殻変動研究 Pritchard and Simons (Nature, 2002) Chaussard, Amelung, and Aoki (JGR Solid Earth, 2013)
- 12. 有珠山の火山活動 1910 Activity time Eruptive Interval (yr) Location Eruption type Upheaval height (m) July ̶ Nov. 1910 57 North flank Phreatic 170 Dec. 1943 ̶ Sep. 1945 33 East flank Phreatomagmatic 280 Aug. 1977 ̶ Mar. 1982 32 Summit Phreatomagmatic 180 Mar. ̶ Aug. 2000 18 West flank Phreatomagmatic 80
- 14. 昭和新山の沈降 噴気温度 比高 昭和新山では噴火直後より噴気温度の低下および沈降が水準測量により観測され てきた． 沈降速度は54 mm/yr（1965-1975年），32 mm/yr（1975-1990年） 現在の変動は？空間分布は？
- 15. SARデータ解析 JERSALOS-1ALOS-2 Ascending Descending JERS（1992-1998)，ALOS（2006- 2011），ALOS-2（2014-2017）衛星 のデータを用いる（計111シーン）． 干渉可能なすべてのペア（計239ペア） について干渉解析を行い時系列解析．
- 16. 視線距離変化 2000年噴火 （西山） • 2箇所の沈降域 • 2006-2011年の視線距離変化 (概ね沈降) 速度は38 mm/yr程度． • 2014-2018年の変動は検出できず． 1977-1982噴火（山頂域） • 視線距離変化は66 mm/yr（1992- 1998），45 mm/yr（2006-2011）， 43 mm/yr（2014-2018年）と徐々に減 衰． 1943-1945噴火（昭和新山）: • 視線距離変化は20 mm/yrで一定 DescendingAscending 2000 1977 1943
- 17. 水平変動と鉛直変動の分離 東西方向の収縮と沈降 が分離できる（南北成 分の変位への感度は低 い） 上下成分の方が東西成 分よりも大きい． 1977 19432000 1977 1943 NC KC ALOS-1 (2006-2011) ALOS-2 (2014-2017)
- 18. 熱収縮によるモデリング V d Sea level Intruded magma body Surface Temperature Time elapse High Low V: source volume ; d: depth of the source; T: magma temperature (1200 K); a: thermal expansivity ( 2×10-5); k: thermal diffusivity; v: poisson ratio (0.25); u(x, t) = f (x, t, V, d, T, a, k, v) 球形マグマの貫入を仮定． 貫入時刻（既知）・マグマ温度・熱膨張率・母岩のポアソン比を固定し，観測をもっともよく説 明する貫入位置・貫入体積・熱拡散係数を求める．
- 19. 最適なパラメータ 貫入マグマの深さは海面下400 mより浅い． 昭和新山（1943-1945年噴火）以外について，熱拡散係数は実験室で 求められる値(0.1–1×10-5 m2/s) より1桁程度大きい． Longitude (°) Latitude (°) Depth ( m b.s.l) Volume (×106 m3) Thermal diffusivity (×10-5 m2/s) Misfit Data source 2000 site 140.8034 42.5541 213±19 6.67±0.21 8.21±1.01 2.78 ALOS-1 (NC) 140.8118 42.5563 100±13 2.05±0.13 8.06±1.20 2.02 ALOS-1 (KC) 1977 site 140.8353 42.5416 396±29 132.18±5.21 10.05±1.09 5.06 JERS+ALOS-1+ALOS-2 1943 site 140.8662 42.5426 92±12 49.51±2.12 1.65±0.22 1.03 JERS+ALOS-1+ALOS-2
- 20. 観測とモデルの比較 2000 vent 1977 vent 1943 vent ALOS- 1 JERSALOS-1ALOS- 2 JERSALOS- 1 ALOS- 2
- 24. 比抵抗構造との比較 昭和新山 (Goto & Johmori, 2014) 1977-1982年噴火火口(Matsushima et al., 2002; Matsushima, 2003)
- 25. 見かけ熱拡散係数はなぜ大きいか？ 豊富な地下水によって貫入直後にマグマの熱が効率的に逃がさ れているのではないか？ （傍証） 洞爺湖がすぐ隣にあり，地下水の供給源はある． 頻発するマグマ水蒸気噴火 高い透水性を持つ岩石の存在（Matsushima, 2003） （疑問） 昭和新山の見かけ熱拡散係数は実験室によって求められる値と同程度である．貫 入直後だけみかけ熱拡散係数が大きいのはなぜ？ （今後の課題） 有珠山溶岩ドーム群の熱水活動を数値シミュレーションなど定量的な方法で再現 する．
- 26. 有珠まとめ SARデータをもちいて有珠山の1992年から2017年までの地殻変動を 計測した． 顕著な変動は過去の噴火にともない出現した溶岩ドーム周辺に局在す る． 観測された変動は貫入した溶岩ドームの熱収縮により説明できる． 観測を説明するマグマの見かけ熱拡散係数は，特に貫入直後において 実験室で求められた値より大きい． 貫入直後は豊富な地下水が効率的にマグマの熱を冷やしている？
- 27. 浅間山の過去の噴火 1108, 1783: 大噴火 1900-60s: 爆発的な噴火の繰り返し 1973, 1982, 1983, 2004: 中規模噴火 2008年8月: 小規模噴火 2009年2月: 小規模噴火 140km離れた東京にもわずかな降灰 2015年6月：微噴火 2004年9月15日 1973年2月15日 2004年9月30日の火映
- 29. Photo: Etsuro Koyama (AVO-ERI)
- 32. Magma pathway of Asama Eruptions in Aug. 2008 and Feb. 2009 Enhanced seismicity Summer 2008- Shallow inflation Summer-winter 2008 Nagaoka et al. (EPSL, 2012) Aoki et al. (Geol. Soc. Lond. Spec. Publ., 2013)
- 33. 動機 GPS stations 山体は膨張と収縮を繰り返している GNSS観測点は山頂付近に2点，次に近 いのは山頂から4 km SARでは地殻変動は調べられていない 冬季の降雪と急峻な地形がSARでの地 殻変動観測に適していない． GPS baseline variations (Aoki et al., 2013) KAHGKAWG AVOG Eruption EruptionEruption
- 34. Time span Num. of images Path number Off-nadir angle (°) Azimuth angle (°) Resolution (Rg.×Azi. m) Num. of interferogram ALOS-2 20141028‒ 20180814 20 19 36.2 -169.7 (D) 1.4×2.1 75 Sentinel- 1A 20150411‒ 20180302 58 119 33.8 -166.8 (D) 2.3×14.0 187 Sentinel- 1B 20150430‒ 20180303 62 39 33.8 -10.5 (A) 2.3×14.0 220 SAR画像 2014年から2018年までのALOS-2およびSentinel-1データを用いた． データ数を稼ぐためにSenitnel-1衛星のデータも用いた．
- 35. 結果：平均視線距離変化 北東麓と南東麓に変位が見 られる． 北東麓は沈降が主（~6 mm/yr）で水平変動は小 さい（<1 mm/yr）． 南東麓は東方向への変位が 卓越（~7 mm/yr）し，微 小な沈降（~2 mm/yr）も ある． Path 39 Path 119 ALOS-2 Path 19 Sentinel-1ALOS-2 DescendingAscending NEF NEF NEF SEFSEF SEF
- 37. SEF 地質図との比較 北東麓の変動域は1783年天明噴火の溶岩流 と一致する． 溶岩流の厚さが20-90 mとすると（Yasui & Koyaguchi, Bull. Volcanol., 2004）熱 収縮による変動は噴火後100年前後で観測 されなくなるはず（Chaussard et al., JVGR, 2016; Wang & Aoki, 2019）． 1108 eruption Chaussard et al. (2016)
- 38. 観測された沈降は熱水活動によるもの？ 重力および比抵抗構造は東麓に熱水活動が発達して いることを示唆する（Kazama et al., JGR, 2014; Usui et al., 2017）． 北東麓の地殻変動の解釈？ Old Magma Body Resistivity Structure (Usui et al., GJI, 2017) Aoki et al., 2013 Deformation area Old magma bodies (~24,000 years ago) Recent intrusions (e.g., 2004, 2009)
- 39. 南東麓の地殻変動 ALOS-2: Path 19 LOS velocity NEF SEF KAHGKAWG 山体不安定によるもの？ もしこの部分（~0.5 km3）が将来山体崩壊を起こすとし たら（大きな仮定！），山体崩壊体積は最大で~107 m3． （24 ka黒斑： 4x109 m3, 鬼押溶岩流： 1.7x108 m3 ） 地すべりの面積と体積のスケーリング Klair et al. (JGR, 2011)
- 40. 浅間まとめ SAR画像を用いて，2014年から2018年までの浅間山頂付近の地殻変動 を計測した． 2015年微噴火による影響は見られず，変動は期間中一定である． 北東麓で沈降，南東麓で東向きの変動（と少しの沈降）が見られる． 北東麓の変動域は天明噴火の溶岩流流出域と重なるが，溶岩流の熱収縮 だけでは変動を説明できない． 南東麓の変動は山体不安定によるもの？
- 41. Earth Planets and Space 特集号 L-band Synthetic Aperture Radar: Current and future applications to Earth Sciences https://earth-planets-space.springeropen.com/lbsar 投稿締め切り: 2019年12月31日 ゲストエディタ：青木陽介（東大）, 古屋正人（北大）, Francesco de Zan (DLR), Marie-Pierre Doin (ISTerre), Michael Eineder (DLR), 大木真人 (JAXA), Mark Simons (Caltech), Tim Wright (Univ. Leeds)