JPH01242985A - マグマの状態変化検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、火山のマグマから放射又は反射される長波を
、マグマ周辺の地表、地中又は海底で受信し、受信時刻
差をもとにマグマの位置・大きさ・動き等を算出し、噴
火の場所・規模・日時等を予知する方法に関するもので
ある。

［従来の技術］ 従来の噴火予知技術は、火山のマグマの動きに伴う物理
・化学現象の観測に基づく技術であり、火山性地震、地
殻変動、地８１気、重力、電気抵抗、火山ガス、地下水
、温度等の観測に基づいて予知が行われている。

［発明が解決しようとする課題］ 従来技術による火山予知法では、観測結果と噴火との関
係が明らかになっている一部の火山では、比較的正確な
予知が行われているが、大部分の火山では、従来技術に
よる噴火の予知法は確立されていない。

これは、従来技術による予知法が多量の−観測デ−夕の
収集と、膨大な解析作業とを伴うものであるため、この
ような態勢をとることが多くの火山では′実際上困難で
あることによる。

本発明は、従来技術にくらべてより簡単な方法で火山の
予知データを収集し、高い信頼性で噴火を予知できる方
法を提供することを目的とするものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、火山噴火の直接原因である地下のマグマを直
接的かつ連続的に計測し、マグマの位置、大きさ、動き
から噴火を予知するものであり、特に長波を利用してマ
グマの動態を観測することにより、大きな負担なしに高
信頼性の予知を可能にするものである。

噴火とは、地下のマグマの地表への噴出、地中の高圧蒸
気による岩石の噴出、又は地中のマグマが地下水又は）
ば水と接触したときの爆発をいい、噴火の際には、火口
から数ｋｍ下の、大きさが約Ｉｋｍ以上のマグマ溜りか
ら、温度が約１０００℃のマグマが上昇してくることが
知られている。それ故、火山のマグマの位置・大きさ・
動きを常時計測できれは、従来技術よりも正確な予知が
可能となる。

火山のマグマは、周囲の地殻よりも高温で、それから熱
輻躬又は反射される長波の強度は周囲の岩石からよりも
強いため、これを４個所以上で受信し、受信信号間の相
互相関から信号間の受信時刻差を検出し、長波の発生源
又は反射源であるマグマ表面の位置を算出する。

本発明の詳細な説明に先立ち、長波の意味を明確にして
おく。長波は広く用いられている言葉であるが、必ずし
も一意的ではなく、本明細書では長波を周波数が３００
ｋＨｚ以下の電波とする定義に従っている。

３００ｋＨｚ以下の電磁界を検出するセンサをアンテナ
と考える場合は、検出された電磁界を長波と言い、セン
サを電極と考える場合は（現在は電圧を測っているが、
歴史的には電界により生じた電流を測ったため）地電流
と言う。即ち、本明細書では、地中の長波と地電流は同
じ物理量である。表土は、通常、比抵抗が１０３〜１０
５Ωｍ、屈折率が２〜４であるため、マグマからの３０
０ｋＨｚ以上の電波は表土により０．０１〜ｌｄＢ／ｍ
の減衰を受け、地表近くで観測される頻度は小さい。こ
のため、本発明では、観測可能な電波は長波としている
。

しかしマグマからの長波を地上で観測する場合は、長波
が地中から大気中へ入射する点が不明、又は１箇所では
ないため、多点・同時観測しても、受信波間の位相差又
は到来方向から波源を高精度で求めることは困難である
。

そこで本発明では、マグマからの長波を、地中又°は）
ｍ底等の少なくとも４地点で同時観測し、受信・検出し
た信号間の相互相関から信号間の受信時刻差（遅延時間
）を検出し、この遅延時間を用いて長波の発生源又は反
射源であるマグマの位置・大きさ・形を算出し、これら
とこれらの時間変化から噴火を予知するようにしている
。

第１図は、例示的方法を用いて示された本発明の原理説
明図である。この説明では便宜上、観測点を４個所とし
ているが４個所以上あれはよい。

第１図において、 １は、観測対象のマグマであり、３次元のマグマ像をも
つ。

２−１ないし２−４は、マグマ１の近傍に設置された４
個所の観測点ＰｌＩ　　Ｐ２．　　Ｐ３．　　Ｐ４の各
々に設置されたアンテナ、例えは地中アンテナである。

３−１ないし３−４は、アンテナ２−１ないし２−４に
より受信された信号ｆ＋、　　ｆ２．　　ｆ３．　　ｆ
４をそれぞれ増幅する受信機である。

４−１ないし４−４は、受信機３−１ないし３−４から
出力された信号ｆ１ないしｆ４を、それぞれアナログ形
式あるいはデジタル形式で記録するレコーダである。

５は、レコーダ４−１ないし４−４から２つずつ、異な
る３組の信号対を取り出し、これらの信号対（図示の例
ではｆ＋−ｆ２．ｆ２　ｆ３．ｆ３−ｆ４）を対象に相
互相関をとりそれぞれの信号間の受信時刻差（すなわち
遅延時間）　　ｔａ２．　　ｔ２３゜ｔ３４を求める相
関器である。

６は、受信時刻差ｔ　１２１　　ｔ　２３１　　ｔ　３
４に基づいて、マグマの位置、大きさ、形、すなわち３
次元のマグマ像を求めるマグマ像生成部である。

７は、マグマ像生成部６から連続出力されるマグマ像デ
ータを一定のタイミングで時系列データとして記録する
マグマ像データ記録部である。

８は、マグマ像の大きさや位置、形などの時間的変化を
解析するマグマ像解析部である。

９は、マグマ像解析部の解析結果について、異常判定を
行い、異常の場合に噴火予報を作成する噴火予報部であ
る。

１０は、現在あるいは過去のマグマ像、あるいはマグマ
像の時間変化情報、噴火予報等を出力表示する出力部で
ある。

上記５あるいは６ないし１０の各要素は、計算機上に構
築することができる。

［作用コ 本発明では、マグマを複数の長波信号の波源の集合体と
見なし、個々の波源の位置を決定することにより、３次
元のマグマ像を求める。

注目波源をＱとし、観測点をＰ：、　　７　（ｉ≠Ｊ、
１゜ｊ＝１２．−、ｎ、　ｎ＞４）とする（第４図参照
）。Ｐ、とＰ、で同時に受信・検出した信号（時刻ｔの
振１１４と位相情報）をそれぞれｆｉ、　　ｆ、　（第
２図参照）とすると、相互相関関数は次式で表される。

γ、（ｄｔ）−Ｌｒｆ；（ｔ＋δｔ）ｆ；　（ｔ）ｄｔ
　　　　　　（１）ここに、積分範囲Ｔは、受信された
波束を含む時間である。

上式（１）のγ、（ｄｔ）が極大となるｄｔの（（ｍ　
ｔ　；　ｒを求める（波源が２個以上あれは極大値を取
るｊｉｉの個数も２個以上となる）。即ちを満足するδ
１＝１．．を求める。

地中の長波の平均速度をＣ，ＱＰ：、ＱＰ；間の距離を
ｒｉｌ　　ｒｉとすると ｒｉ　−ｒｊ”ｃｊｉ　ｊ　　　　　　　　　　　　　
　　（３）（３）式は、ｌ）ｉ、１１７を焦点とする回
転二葉双曲面である（第３図参照）。

ｎが４以上の場合、独立な（３）式が３個以上得られる
から、これらの独立な双曲面に共通な交点として波源Ｑ
を決定できる（第３図参照）。第３図は、４点Ｐ；（＋
＝１．２，３．４）でマグマからの長波を同時受信し、
Ｐ、を焦点とする３個の双曲面の交点として波源Ｑを求
める原理を示す図であり、１１はＰｌとＰ３を焦点とす
る双曲面とＰ＋　、　Ｐ２．Ｐ３．ＰＡの深影点を含む
平面との交線（以下、双曲線という）、１２はＰ２とＰ
Ａを焦点とする双曲線、１３はＰ＋とＰＡを焦点とする
双曲線である。

観測点Ｐ１で受信・検出された信号波形が第２図（ａ）
、観測点Ｐ、のそれが第２図（ｂ）の場合、（３）式の
ｄｔが第２図（ａ）のｊｉｊに等しいときγ（ｄｔ）は
最大となる。ｃｔ３１＝ｃｔ４２＝Ｃｔ４．＝１の場合
、（３）式は次の様になる。

ｒａ−Ｐ＋１　　　　　　　　　　　　　　（４）ｒａ
−ｒａ：１（５） ｒａ−ｒ＋＝ｌ　　　　　　　　　　　　　　（６）Ｑ
、Ｐ：　（ｉ＝１．２，３．４）が同一平面内にあり、
Ｐｌ、Ｐ２．ｈｌＰ４がそれぞれ（２，０）、（０，２
）、（−２，０）、（−２，−２）の場合、（４）〜（
６）式の双曲面と上記平面の交線は第３図の双曲線１１
〜１３の様になる。双曲線１１〜１３を直角座標で表す
と次式の様になる。

ｘ２−ｙ”／３＝１　　　　　　　　　　　　　（４’
）−ｘ”／３＋ン２＝１　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　（５’）２ｘｙ＋２ｘ−２ｙ＝３
　　　　　　　　　　　　（６″）双曲線１１．１２．
１３の交点が波源Ｑであるとともに、（４′）〜（６′
）式を解析的に解いた（直（−、’ＴＫ、　ＪＴＥ’）
がＱでもある。

上記の観測、計算を連続的に行えば、波源域の立体像を
時刻の関数として画くことができる。

従来の技術では、波源の算出誤差が５０ｋｍ程度あり、
波源域の大きさと同程度であったため、波源の三次元分
布を求めることは不可能であったが、本発明では、地殻
中のｍｓや、多重反射の少ない長波を用いているため、
長波の平均速度Ｃの誤差により生ずる系統誤差を除けば
、波源の誤差の大部分はｔｉｊの算出誤差Ａｔ；　ｊで
決まる。長波の観測周波数帯幅が、例えは８　ｋ　ｆｌ
　２の場合、Ｊｔ、は１０−５秒以下とすることができ
、地中の長波の平均速度Ｃは約１０’ｍ／ｓであるら、
上述のようにＣによる誤差を無視すれは、Ｃｊｉｉの誤
差は約１ｋｍとなる。即ち、波源は相対餠差約１ｋｍで
算出できる。波源の相対誤差り月ｋｍならば、波源域を
画き出すことができる。即ち、地中又は海底の少くとも
４地点で連続観測すれば、三次元のマグマ像（上半面）
を求めることが可能となる。

［実施例コ 第４図の様に、例えは、陸域では鋼管深井戸をモノボー
ルアンテナとし、海域では海底に布設したケーブルをダ
イポールアンテナ又はループアンテナとして、噴火前兆
の長波を観測する。

第４図において、１４は地殻、１５は）Ｕ底、２、は鋼
管深井戸利用のモノボールアンテナ、２゜は）ｍ底に布
設したダイポールアンテナ又はループアンテナ、３は長
波の受信機、１６は伝送ケーブル、１７は計算機（ＣＰ
　Ｕ）である。

第５図及び第６図に、本発明のより詳しい実施例の構成
を示す。

第５図及び第６図中、１は火山のマグマ、１４はマグマ
近傍の地殻、２は受信アンテナ、３は受信機、１日は時
間参照用の時間信号を発生する時間信号発生器（Ｔｉｍ
ｅ）、１９は受信信号と時間信号を合成する合波器、４
はアナログ記録形式のレコーダ、４．及び４．はそれぞ
れ観測点Ｐ、及びＰ、で記録した信号の再生用レコーダ
、２０はＡ／Ｄコンバータ、１７は計算１（ＣＰＵ）で
ある。

以下に、第５図及び第６図について、詳細を説明する。

第５図において、温度Ｔｃ（以下温度は絶対温度Ｋ）の
地殻１４の中に、温度Ｔ１のマグマ１がある場合、アン
テナ２から見た観測温度（ｏｂｓｅｒｖｅｄｔｅｍｐｅ
ｒａｔｕｒｅ）　Ｔ　ｂは、次式で表される。

Ｔｂ”αＴｆｆｉ＋（１−α）　Ｔ、　　　　　　　（
７）ここに、α：マグマ１とアンテナ２間の電波の減衰
　　　０≦α≦１ アンテナ２は無指向性とすると、アンテナ２の出力（＝
　ｋ　Ｔ、Ｂ、ここにに：ボルツマン常数、Ｂ：帯域幅
）に対応するアンテナ温度Ｔ８は、次式で表される。

ここに、ΔΩ：アンテナ２から見たマグマ１の立体角（
ｒａｄ）。

のみがマグマ１からの輻射（信号）に対応する温度であ
るから、信号の受信電力に対応する信号温度Ｔ　ｓ　ｉ
　ｇは次式で表される。

一方、信号の検出限界は次式で表される。

ＡＴｌ、。ξＴ５，５／ＪＥ了　　　　　　　　　（１
０）ここに、ΔＴ、。：検出可能最小温度 Ｔ５ｙ５ニジステム温度 ミアンテナ雑音温度十受信機雑音温度 Ｂ：検波前の受信周波数帯域幅（Ｈ２）Ｔ：検波後の積
分時間（ｓ） 同じ信号を同一性能のアンテナ・受信機で２個所で受信
した場合の相関振幅（受信データ中、相関のとれる信号
の全信号に対する割合 但し、上式は２個所で受信する際、２個のアンテナが構
成する干渉計の半値幅が、アンテナからマグマを見る視
角よりも小さい場合の値。

観測Ｐ１の受信信号をｆ：（ｔ）、観測Ｐ１の受信信号
をｆ、（ｔ）とすると（第６図参照）、となるときのδ
ｔが、求める信号間の遅延時間ｔ　１７である。

４個所以上でＵ測し、３個以上の独立なｊｉｊが得られ
れは、前述したように、Ｐｌ、Ｐ、を焦点とする独立な
３個以上の双曲面の交点として、マグマ表面の位置Ｑが
求められる 本発明により算出されるマグマ表面１ｒｉａの算出誤差
は、地中の長波の平均速度Ｃを一定としているため、そ
の絶対誤差はかなり大きなものとなろう。しかし、相対
誤差は平均速度Ｃの誤差の影響をあまり受けないため小
さくなり、マグマからの長波の連続観測により、マグマ
の位置・大きさ・形の変化はかなり正確に知ることがで
き、これらを基に、従来の手法よりも正確な噴火予知が
可能となる。

前述の（７）〜（１１）式に於て、変数が下記の標準的
な１直を４又るものとする。

マグマ？温度　　　　　　Ｔ、＝１３００Ｋ　　　　　
（１２）マグマ周辺の地殻温度　Ｔｃ＝３００Ｋ　　　
　　（１３）減衰　　　　　　　　　α＝０．０１（２
０ｄＢ）　　（１４）マグマを見る立体角　ΔΩ＝　０
．０１　Ｘ　４π　　（１５）システム温度　　　　Ｔ
　５，５＝　６００Ｋ　　　　　（１６）帯域幅　　　
　　　　　Ｂ　＝　８ｋＨｚ　　　　　（１７）（受信
周波数帯：１〜９ｋｔｌｚ） 積分時間　　　　　　　　Ｔ　＝　４５００ｓ　　　　
　（１８）（１２）〜（１４）式を（７）式に代入する
と観測温度　　　　　　　Ｔ　ｂ　＝　３１（ｌｋ　　
　　　（７）　’（７）′、（１３）、（１５）式を（
８）式に代入するとアンテナ温度　　　　　Ｔ、＝３０
０．１Ｋ　　　　（８）’（８）′、（１３）、（１５
）式を（９）式に代入すると信号温度　　　　　　Ｔ　
５ｉ、　＝　０．　ＩＫ　　　　　（９）″（１６）〜
（１８）式を（１０）式に代入すると検出可能最小温度
　　Ｔ、。＝０．１Ｋ　　　　　（１０）’（９）′、
（１６）式を（１１）式に代入すると相関振幅　　　　
　　　ρ＝０．０１７χ　　　（１１）’上記の計算例
から、Ｔ、、ＴＣ％Ｔ９９５．１゛が上記の１直のとき αΔΩ≧４７ＴＸ１０−’ ならば、マグマが検出でき、そのときの相関振幅は０．
０１７％以上であることがわかる。

マグマが、観測点Ｐ１、Ｐ、からｌｏｋｍ以内にあり半
径が２ｋｍ以上ならはΔΩ≧０．０１　Ｘ　４πが満た
され、地殻の比抵抗が、１０５Ωｍ以上ならばα≧０．
０１も満たされる。Ｐｌ、９４間の距離を約１０Ｋｍに
とり、信号ｆ１．１４間の遅延時間ｊｉｉを１０−５秒
の精度で検出すれば、地中の長波の速度は約１０８ｍ／
ｓだから、約１ｋｍの精度でマグマの位置が算出できる
ことになる。

第５図及び第６図は受信した信号をアナログで記録する
場合の例であるが、デジタルで記録することも可能であ
る。ディジタルで記録した場合は、Ａ／Ｄコンバータ２
０は不用となる。

なおアンテナ２で受信する長波は、マグマからの熱輻射
の長波の他、人工・自然雑音の長波のマグマからの反射
液、人為的にマグマに向けて送信した長波の反射液のい
ずれであってもよい。

［発明の効果］ 本発明では、まず噴火の原因となる火山のマグマの位置
、大きさ、動きを知り、これらを基に噴火の予知を行う
。即ち、噴火の規模はマグマの大きさから、場所は地表
近くのマグマの移動方向から、噴火の日時はマグマの地
表までの距離と移動速度から推定する。それ故、）ｍ底
火山を含め、総ての火山の噴火予知に適用できるという
効果かある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の原理説明図、第２図は２個所の観測
点Ｐ：、　　Ｐ、で受信された信号ｆｉ、　　ｆ、間の
受信時刻差ｊ　ｉｊを説明する信号波形図、第３図は本
発明において波源Ｑを算出する手法の説明図、第４図は
本発明の１実施例の説明図、第５図及び第６図は本発明
の１実施例の１０１部説明図である。 第１図中、 １：マグマ ２−１〜２−４：アンテナ ３−１〜３−４：受信機 ４−１〜４−４：レコーダ ５：相関器 ６：マグマ像生成部 ７：マグマ像記憶部 Ｂ：マグマ像解析部 ９：噴火予報部 １０：出力部 第３図中、 Ｐ＋、　　Ｐ２．　　Ｐ３．　　Ｐ４：長波の観測点Ｑ
：長波の発生地点又は反射地点（波源）１１：Ｐ＋とＰ
３を焦点とする双曲面とＰ　＋　＋　　Ｐ　２１Ｐ３．
Ｐ４の投影点を含む平面との交線（以下、双曲線という
） ！２：Ｐ２とＰ４を焦点とする双曲線 １３：Ｐ＋とＰ４を焦点とする双曲線 第４図中 ２、：鋼管深井戸利用のモノボールアンテナ２、：海底
に布設したループアンテナ又はモノボールアンテナ ３：受信機 １４：地殻 １５：ｉ［底 １６：伝送ケーブル １７：計算機 第５図中 １：マグマ ２：アンテナ ３；受信機 ４：レコーダ １４：地殻 １８：時間信号発生器 １９：合成語 第６図中 ４；、　　４７：１１ｔＪ１．１点Ｐ、、　　Ｐｉテ記
９Ｌ、り（８号再生用レコーダ １７：計算機 ２０：Ａ／Ｄコンバータ 特許出願人　郵政省電波研究所長 第１図 （ａ） （ｂ） 第２図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）火山の電波計測による噴火予知法において、火山の
   マグマから放射される長波を、マグマ周辺の少なくとも
   ４個所で同時受信し、受信信号間の相互相関から信号間
   の受信時刻差を検出し、この受信時刻差を用いて長波の
   発生源であるマグマの位置・大きさ・形を算出し、これ
   らとこれらの時間変化から噴火を予知することを特徴と
   するマグマからの長波の観測による噴火予知法。 ２）火山の電波計測による噴火予知法において、マグマ
   から反射される長波を、マグマ周辺の少なくとも４個所
   で同時受信し、受信信号間の相互相関から信号間の受信
   時刻差を検出し、この受信時刻差を用いて長波の反射源
   であるマグマの位置・大きさ・形を算出し、これらとこ
   れらの時間変化から噴火を予知することを特徴とするマ
   グマからの長波の観測による噴火予知法。