科研費 - 市原 寛
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海洋アセノスフェアの粘性率を制約するための海底物理観測・モデリング国際協働研究
研究課題/研究課題番号：23H00138 2023年4月 - 2027年3月
科学研究費助成事業 基盤研究(A)
馬場 聖至, 一瀬 建日, 竹内 希, 竹尾 明子, 森重 学, 杉岡 裕子, 松野 哲男, 多田 訓子, 市原 寛
担当区分：研究分担者
本研究は、マントル深部からの上昇流とリソスフェアとの相互作用と、ハワイプルームによって形成されたハワイ・天皇海山列が途中で屈曲する形状を組み合わせた着眼点から、海底電磁気・地震観測とダイナミクスモデリングの協働により、海洋アセノスフェアの粘性率構造を制約することを目指す。所期の目的を達成するため、史上最大規模の電磁気・地震合同観測アレイをミッドウェイ島北方海域に設定し、国内およびドイツの海域地球物理観測グループと協働して実施する。観測データから推定されるアレイ下のマントル電気伝導度構造、地震波速度構造を、ダイナミクスモデリングによるマントルの流動パターン予測と対比させつつ、包括的に解釈する。
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研究課題/研究課題番号：20K04105 2020年4月 - 2024年3月
科学研究費助成事業 基盤研究(C)
市原 寛, 北田 数也, 多田 訓子
担当区分：研究代表者
配分額：4290000円 （ 直接経費：3300000円 、 間接経費：990000円 ）
近年、火山山頂部および火山島などの「観測の空白域」において、ドローンを用いた遠隔観測が注目されている。しかし、深部比抵抗構造の解明に重要な電場観測は難易度が高く研究例はない。本研究は、海底で先行している遠隔電場観測の技術を応用してドローン電場観測を行い、陸上の「観測の空白域」における地下の電気比抵抗構造の解明を可能にすることを目的とする。令和2-3年度はおもに装置の開発を行い、令和3-4年度に検証試験および研究成果の発表を行う計画である。本観測によって得られた知見は、将来的に月および火星等における惑星内部構造解明に向けた探査にも活用可能であると期待される。
火山山頂部および火山島は噴火予測や火山活動そのものの理解において重要な観測域であるにも関わらず、アクセスの困難さおよび安全面から「観測の空白域」 であることが多い。特に、ケーブルを展張しての設置が必要となる地球電場は観測が困難となっている。このため、本研究はUAV(ドローン)を用いて電極等の地表設置を行うことにより電場観測を実現し、これらの難観測域における電気比抵抗構造の解明を可能にすることを目的とする。具体的には、UAV本体に取り付けた電極とUAVに吊したケーブルの先に取り付けた電極を距離を開けて着陸させ、電極間の電位差を測定する。これによって得た電場データと近傍で測定した磁場データから、Magnetotelluric法を用いて比抵抗構造を得る構想である。2022年度は、UAVを用いた具体的な電極の設置方法および実際の電場の測定方法を検討したのち、小型のUAVを用いてた飛行試験および（UAVを用いない）電場の観測試験を実施した。UAVの飛行試験は、COVID-19感染症による行動規制により限定的となり、御嶽山麓の敷地において実施した。この試験により、電極の投下・設置方法、着陸の際の制御方法などの検証を行った。電場の測定試験では、実際の観測を模した電極の設置方法（非埋設によるPb-PbCl電極測定・ステンレス棒による測定）により、ロガーを用いた高サンプリングレート(1024 Hz)での電場測定の試験を行い、帯域によっては問題なくデータが取得できることを確かめた。また、埋設しないで電場を観測するための設置素材の検討をおこなった。一方で、研究開始当初購入を予定していたUAVが販売停止となり、また、セキュリティ問題により購入可能なUAVに制限が生じていることから、実際の観測で用いる大型UAVの運用体制を見直し、業者からのレンタルによる観測を実施する方針で検討を進めた。
2020年度に生じた購入を想定していたUAVの販売停止、およびセキュリティ問題による購入可能なUAVの制限、物価上昇によって、実際の観測に用いることが可能な大型UAVの予算内での購入が困難な状況となっている。このため、UAVの購入を断念し、UAVを業者より借用し計画を進めるすることを検討中である。また、COVID-19感染症の影響により、2020年度、2021年度に引き続き観測に制限が生じており、2022年度は御嶽山の麓において限定的な試験を実施したにとどまった。このため本研究課題は2023年度まで延長することとなり、想定よりもやや遅れている状況にある。
2022年度は引き続き実際のフィールドに環境の近い御嶽山山麓部にて観測試験を実施する。具体的には、UAVへの観測装置を付けての観測、電場測定装置の展開方法の検討、配置した電極の配置(電極間距離および方向)の計測を他のUAVを用いて測定する方法を確立する。これにより、本研究の目的である遠隔地での電場観測に必要な技術要素の全てを確立することを目指す。なお、レンタルによるUAVを火山地域に持ち込むことは保険等の兼ね合いから困難であることから、実際の難観測地域での電場観測は実施しない可能性が高い。 -
人工電磁周波数コム信号による火山の精密モニタリングシステムの構築
研究課題/研究課題番号：20H01992 2020年4月 - 2023年3月
科学研究費助成事業 基盤研究(B)
小川 康雄, 市原 寛, 南 拓人, 石須 慶一
担当区分：研究分担者
火山の噴火予知研究では、地下のマグマや熱水系の分布を解明し、その時間的な変動を監視する観測が重要である。比抵抗はマグマや熱水や粘土鉱物の分布に敏感な物理量であり、地表での電磁波の観測から、地下の比抵抗分布やその時間変動を検知することができる。地下の比抵抗分布の時間的な変動を精密に監視するには、精密に制御された人工信号を利用する電磁場観測が必須である。本研究では、精密に制御された２系統の信号系列送信し、多数の受信機で常時取得することによって、革新的な精度で火山の3次元地下構造を常時モニターするシステムを開発する。草津白根火山でこの実証実験を行う。
精密に制御された周波数コム信号を用いた電磁探査観測システムを構築し、その実証実験を草津白根火山で行った。火山の南麓に送信ダイポールを設置し、5km離れた山頂域に電磁受信機を配置した。送信源は、東西および南北方向の２つの電流ダイポールであり、周波数0.02Hzから4.6Hzの範囲で、対数等間隔になるような周波数列からなるサイン波を送信した。ファンクションジェネレータをGPS信号で同期することで、送信信号を長時間に渡って高精度で繰り返し送信できることが可能となった。また、受信信号から、微弱な繰り返し信号成分を取り出すために、ノイズの逆数を重みとして使用したスタッキング法が有効であることがわかった。
火山噴火予測研究、特に水蒸気噴火の予測のために、流体や蒸気の分布に敏感な比抵抗構造をモニタリングすることは重要である。既存の自然信号を用いる方法では、不安定な信号強度や人工ノイズの混入によって常時モニター観測が困難であった。本研究では、精密に制御された信号を繰り返し送信することによって、小さなパワーの送信源でありながら、革新的な精度で電磁気観測が可能になることを示している。同時に複数の送信源から送信することも可能であり、受信信号からテンソル情報を引き出すことができることもメリットである。この観測手法は、火山活動モニタリングの新たな方法として、今後防災研究にも大きく貢献できる可能性がある。 -
フィリピン・タール火山におけるその場観測に基づくマグマシステムの発達過程の研究
研究課題/研究課題番号：19KK0084 2019年10月 - 2024年3月
科学研究費助成事業 国際共同研究加速基金(国際共同研究強化(B))
熊谷 博之, 堀田 耕平, 大倉 敬宏, 楠本 成寿, 大場 武, 市原 寛
担当区分：研究分担者
噴火に至るマグマシステムの発達過程を、次の噴火が迫っているフィリピン・タール火山を対象に地震学・電磁気学・火山化学・測地学的手法を用いて解明する。これまでの研究により、この火山では脱ガスを起こしているマグマが浅部に存在することが推定されている。本研究では、この変動源の直上において地震および電磁気観測を強化するとともに、面的な重力測定を行う。これにより、散乱・速度・比抵抗・密度構造を詳細に調べ、マグマの状態とその時間変動を解明する。さらにそれらの結果を火山ガスの測定結果や圧力源の推定結果等と比較することにより、火口で活発に起こっている噴気活動と関連性を調べる。
本研究では2020年にフィリピンのタール火山で起こった噴火に伴い、同火山における地震波伝播構造・電磁気構造・重力・地殻変動・流体組成にどのような変化が起こっていたかを解明することを目的としている。
タール火山で噴火前から発生した火山構造性地震の散乱波を用いて、火山島東斜面において浅部マグマが存在すると推定されていた領域における平均自由行程と非弾性減衰の時間変動の推定を行った。この解析においては、散乱波の継続時間を表すエンベロープ幅に加えて、S波の到着時刻とエンベロープ振幅が最大となる時刻との差であるピークディレイタイムを用いて逆問題解析を行った。その結果、噴火の数カ月前からこれらの推定値が系統的な変化を示すとともに、P波の走時変化やCO2ガスの放出量と相関を示すことが分かった。その結果から、同領域において噴火前に均質度が上がるとともに、非弾性減衰が強くなることが示された。これは噴火直前にマグマの粘性が増加したことを示唆しており、2020年の噴火が爆発的な噴火から始まったことと整合している。
タール火山島における噴火前の重力値の測定データからブーゲー異常を求めた。その結果、火山島は高重力カルデラ内に存在しており、火口湖の地下にも高密度体が存在する複雑な構造をしていることが分かった。
噴火によって被害を受けた観測点の復旧がカウンターパートによって行われた。それらの観測から、噴火前に活発に起こっていた火山構造性地震が火口がある火山島周辺では観測されなくなり、噴火前には発生していなかった微動が観測されるようになった。また噴火前には検出されていなかったSO2の大量放出（数千トン/日）が火口から起こっていることが観測されている。このことは、噴火によりマグマシステムが開放的になる変化が起こり、マグマから大量のガス放出が非爆発的かつ継続的に起こっていることを示している。
本研究が始まった直後の2020年度から昨年度まで、コロナ禍により日本からフィリピンへの出張が大きく制限されていた。さらに2020年1月に起こったタール火山の大規模な噴火により、火口がある火山島は大量の火山灰に覆われれて入山が規制された。その後も大量の火山ガスを放出する噴火活動が継続的に続いていたため、火口のある火山島へ入山が困難であった。これらの影響により、本研究で予定した地震・測地・重力・電磁気の現地での観測や、火口における湖水やガスの採取が行えず、新たなデータの取得が十分に出来なかった。さらにカウンターパート機関であるPHIVOLCSもコロナ禍のために活動が大きく制約されていたため、十分な共同研究活動を行うことが出来なかった。このような制約のために、これまで取得されたデータを用いた解析を進めてきたが、計画に比べて研究の進捗は遅れている。
フィリピンへの出張を全面的に再開し、噴火前後に取得された地震・ガス・地殻変動等の解析を進めるとともに、タール火山における現地調査を行う。ただし火口のある火山島は2020年の噴火による火山灰等の堆積とSO2ガスの放出により入山できない領域もあるため、カウンターパートと協議の上で可能な範囲で電磁気および重力調査を進める。これらの観測データを用いて、地震波散乱・非弾性特性に加えて、トモグラフィーを用いた地震波速度構造とその時間変化の推定、微動の震源推定、火山ガスの放出量、火口湖水の組成変化、GPSおよびInSARにより火山島およびその周辺での地殻変動を調べ、噴火に伴うマグマ溜まりおよび火道におけるマグマの挙動と噴火によって生じたマグマシステムの変化を解明する。 -
研究課題/研究課題番号：18H01319 2018年4月 - 2022年3月
科学研究費助成事業 基盤研究(B)
多田 訓子, 馬場 聖至, 市原 寛
担当区分：研究分担者
2020年12月末までに、西之島周辺海域の21地点に海底電磁場観測装置を設置し、そのうちの16台を自己浮上で回収した。さらに1台は、2021年2月に約1,700km離れた西表島の海岸で発見された。機器に付着していた生物と漂流シミュレーションから、漂着していた機器が海底から浮上したのは、2020年の西之島噴火の活動時期と一致する可能性が示唆された。
西之島の島部分の浅部構造を明らかにするために、2019年9月に西之島上空で全磁力計を搭載したドローンを使った空中磁気探査を実施した。西之島の対地約100mで全磁力分布を取得して解析した結果、西之島周囲の顕著な磁気異常を発見し、三次元磁化構造を求めた。
本研究期間中に西之島で起こった噴火は、申請時では誰も想像していなかったほど大規模で、噴火形式が途中で変化し、西之島の姿形もすっかり変化してしまった。
そんな中、海底に設置していた機器が海底を数km移動したり、西表島まで漂流したりという前代未聞の現象が起きたため、それらを詳細に分析することで、新たな視点で火山の活動について研究するきっかけになった。また、ドローンを使った空中磁気探査という最新技術の導入で、世界で初めて海洋島で磁気異常探査を行った。
機器の漂流期間・経路の研究は、海域火山から流れてくる軽石による災害を防ぐための漂流予測への応用に発展している。 -
大規模フラクチャーの強度・透水性を非破壊技術で把握できるか？
研究課題/研究課題番号：18H03894 2018年4月 - 2022年3月
科学研究費助成事業 基盤研究(A)
後藤 忠徳, 柏谷 公希, 山口 覚, 西尾 嘉朗, 笠谷 貴史, 市原 寛, 田所 敬一, 村上 英記
担当区分：研究分担者
陸上や海底に数多分布する大規模なフラクチャの透水性や力学的強度を知るために、本研究では、地殻の非破壊探査（電気・電磁探査および地震探査）と地質学的・地球化学的調査を組み合わせた新たな技術を開発した。全岩の透水係数を適切に推定できる岩石物理モデルの構築、岐阜県阿寺断層周辺の地下構造の精密可視化、南海トラフ熊野灘における海底下構造調査などを実施し、海・陸の断層破砕帯沿いの高間隙・高透水ゾーンの議論を実施した。
陸上や海底に分布する活断層は様々な活動度を有している。従来の地表付近での地質学的な活動度推定は有効ではあるが、大規模な活断層やそれに伴う大きなフラクチャについては、空間的な分布範囲が広く深いため、フラクチャの強度や透水性を把握する技術がなかった。本研究によって、物理探査による広域・間接的な情報を用いることで、この問題を克服するための基礎的知見を得ることに成功した。 -
研究課題/研究課題番号：16H06475 2016年6月 - 2021年3月
科学研究費助成事業 新学術領域研究(研究領域提案型)
望月 公廣, 藏下 英司, 三浦 誠一, 汐見 勝彦, 中島 淳一, 上嶋 誠, 市原 寛
担当区分：研究分担者
豊後水道を囲む多様なスロー地震発生領域において，陸域から海域にわたって地震学的・電磁気学的な調査・観測手法を総動員し，プレート境界面周辺の地震波速度・電気伝導度の3次元的構造を求めた．これらの構造は互いに調和的であり，陸域下の深部テクトニック微動発生域，および海域下浅部テクトニック微動の発生域では，流体が豊富に分布していることを明らかにした．さらに四国東部では，沈み込んだ海山の凸構造が深部テクトニック微動発生領域を規定している可能性を示した．紀伊半島沖南海トラフでは，海域での連続地震観測から，スロースリップの発生サイクルに伴う地下構造中の流体分布の時空間変化を明らかにした．
多様な断層すべりが発生している領域において，それを囲む海陸域での大規模な地震学・電磁気学的総合観測・調査による構造把握を通した，断層すべり発生メカニズム解明に向けた研究は，世界的にも類を見ない．これまで，断層すべりの特徴や発生サイクルを決める重要な要因として，断層周辺に分布する流体の関与が議論されてきた．本研究では，地震学的および電磁気学的構造の両面から，断層すべりの性質と流体分布との相関が認められ，さらには地震学的構造の時空間変化とスロー地震発生サイクルでも，流体の蓄積・放出過程との関係が示された．断層すべりの発生メカニズム解明に向けて，今後の研究方針への重要な指針を与えたと考えられる． -
海陸電磁気データ統合解析による巨大地震発生帯の流体挙動の解明
研究課題/研究課題番号：16K17793 2016年4月 - 2020年3月
市原 寛
担当区分：研究代表者
配分額：4420000円 （ 直接経費：3400000円 、 間接経費：1020000円 ）
沈み込み帯における比抵抗構造全貌の解明に必要となる、海陸に跨るMangetotelluric法データの統合解析における問題を解決することを目的として、本研究では以下の研究成果を得た。(１)これまでデータの取得が行われなかった沈み込み帯の海陸境界付近において海底電磁気データを取得し、海底地形によるMTインピーダンスへの影響を評価した。（２）これらの影響は、適切な設定を行えば、既存の三次元フォワード・インバージョンコードによって再現ができ、三次元比抵抗モデリングが可能であることを示した。
本研究は複雑な海底地形を示す領域でも三次元比抵抗構造解析が可能であることを示した世界初の例であり、今後は世界の沈み込み帯において比抵抗構造の解明が進むことが期待される。特に、本研究で観測点を設置した南海トラフ西端部に位置する日向灘―高知県西方沖は、近年スロー地震が発生する地域として注目されており、さまざまなプロジェクトにより観測が進行中である。本研究による検討がこれらの研究に活用されると同時に、取得したデータについても活用可能であることから、今後は南海トラフ西端部において比抵抗構造、さらには流体分布の解明がこれまでにない精度で解明されることが期待される。 -
沈み込むプレート上層部における間隙流体循環の解明と巨大地震発生帯への影響の評価
研究課題/研究課題番号：15H03715 2015年4月 - 2018年3月
科学研究費助成事業 基盤研究(B)
山野 誠, 後藤 忠徳, 笠谷 貴史, 川田 佳史, 上嶋 誠, 武井 康子, 市原 寛, 小平 秀一, 後藤 秀作
担当区分：連携研究者
日本海溝海側の太平洋プレート上において、地殻熱流量が3～5 kmのスケールで顕著な増減を繰り返すことを明らかにした。この短波長変動は、海溝近傍でのプレートの曲がりによる海洋地殻の破砕、それに伴う流体循環の発達が、不均質に進行することを示すものと考えられる。また、同じく日本海溝海側での海底電磁気探査データから比抵抗構造を求めることにより、太平洋プレートの上部における水の存在、その海溝へ向かっての変化に関する情報を得ることができた。
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巨大海台の正体を探る：海底地震・電磁気観測によるオントンジャワ海台地下構造の推定
研究課題/研究課題番号：15H03720 2015年4月 - 2018年3月
科学研究費助成事業 基盤研究(B)
末次 大輔, 塩原 肇, 杉岡 裕子, 伊藤 亜妃, 一瀬 建日, 馬場 聖至, 市原 寛, 多田 訓子, 田中 聡, 石原 靖, 大林 政行, 利根川 貴志, 中西 正男, 三浦 誠一, 歌田 久司, 佐野 貴司, ,
担当区分：連携研究者
オントンジャワ海台において海底・海洋島地震観測をおこなった。データ解析の予察的な結果は以下のとおりである。海台直下深さ600km付近に太平洋スラブが滞留している。その周囲の深さ100-400kmには低速度異常があり、一部はカロリン・ホットスポット列につながっている。温度に敏感な地震波減衰は海台周囲では強く、海台下では普通の海洋マントルでの減衰と同程度の強さである。下部マントルからのマントル上昇流が滞留する太平洋スラブを避けるように上昇を続け、表層のホットスポット火山活動の原因になっている可能性がある。また、海台地殻のモホ面が40㎞と深いこと、地殻内部に不連続面があることも分かった。
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日本周辺でのアレイ電磁気観測（JEMINI計画）のための基礎的研究
2014年 - 2016年
科学研究費補助金 基盤研究(B)
担当区分：研究分担者
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海沈み込むプレートにおける含水・脱水プロセス～海底電磁気観測からのアプローチ～
2012年 - 2013年
科学研究費補助金 新学術領域研究
担当区分：研究代表者
新学術領域研究「地殻流体：その実態と沈み込み変動への役割」の公募研究課題
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海底電磁気観測による沈み込み帯全域の流体分布の解明
2010年 - 2011年
科学研究費補助金 新学術領域研究
担当区分：研究代表者
新学術領域研究「地殻流体：その実態と沈み込み変動への役割」の公募研究課題
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物理探査・地質情報の統合解析による内陸地震発生帯の３次元イメージング
2006年 - 2007年
科学研究費補助金
担当区分：研究代表者