JP2006317257A - 火山活動の自動監視システム - Google Patents

Abstract

【課題】
監視要員等の人手を要することなく、火山噴火の原因であるマグマの地表への上昇を自動的に検知する共に、この時のマグマの変動状態を自動的に推定する。
【解決手段】
火山活動の自動監視システムは、所定の観測点の傾きを観測することにより傾斜データを取得し、この傾斜データを補正して補正済傾斜データに変換する。過去の補正済傾斜データから予測傾斜データを、カルマンフィルタを用いて計算し、これを現在観測している傾斜データと比較することにより火山活動に異常が発生しているかを判定する。また、本システムは、異常が発生していると判定された場合には、異常変動量のデータファイルを作成し、このデータファイルに基づき、異常を発生させ得るマグマの変動の状態を推定し、推定した結果は画面表示、印刷出力等を通じて報知する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、火山噴火の予兆を自動検知し、その予兆に関する定量的な情報を自動推定する火山活動の自動監視システムに関するものである。

観光資源や肥沃な土壌を提供する火山の周辺には多くの人々が居住しており，ひとたび火山噴火が起これば、これによって人的・物的に大きな被害を引き起こす恐れがあるため、火山噴火を迅速・的確に予測する技術が求められている。

火山噴火を予測するには、火山噴火の主な原因であるマグマの地表への上昇を予測することが必要となる。このためには、マグマの活動に伴う地震活動、地殻変動、重力場変化、地磁気変化などを観測によって常時捉えておき、これらの観測データの異常変動などから、将来のマグマの上昇の可能性を探る方法が採られる。従来、これら観測データは、火山の監視要員により監視されており、観測データの異常は監視要員によって判断され、監視要員により異常と判断された場合には、次に火山の専門家によって観測データの分析が行われ、マグマの活動動向が推定され、噴火の可能性が検討される。

しかしながら、そもそも火山の監視要員による判断は、監視要員の主観や経験によるところが大きく、必ずしも客観的なものではなかった。例え監視要員による観測データの判断が正しいものであったとしても、さらに火山の専門家により観測データの分析が行われるので、異常な観測データが捉えられてから火山の噴火が発生するまでに数時間しかないような場合には、観測データの分析が間に合わず、噴火に対する対策を講じる時間的な余裕がないという問題があった。

このような観点から火山活動を客観的かつ自動的に監視することが望まれている。従来の火山活動の自動監視方法として非特許文献１には、地震の震源とマグニチュード等を自動的に監視する方法が開示されている。
Horiuch et al., An automatic processing system of Hi-net wave from data for the earthquake alarm information, New Technologies for Urban Safety of Mega Cities in Asia, 2003, 61-68

しかしながら、地殻が脆性破壊しない場所では、マグマの活動が活発化しても地震は発生せず、必ずしも地震情報がマグマの動きを表すわけではなく、従来の地震情報で火山の噴火を予測する自動監視方法は、マグマの活動動向を直接的に推定して、火山の噴火を予測するようなものではなかったため、火山噴火の予測精度は当然低いものとなっていた。

本発明は、上記課題を解決するものであって、火山噴火の主な原因である地下のマグマの活動などによる異常な変動が発生した場合、速やかにこれを自動検知し、その変動源に関する定量的な情報を自動推定し提供するシステムに関するものである。

そのために本発明は、所定の観測点の傾斜データを、当該観測点に設置した傾斜計を観測することにより取得する傾斜データ取得手段と、該傾斜データ取得手段により取得された傾斜データを記録する傾斜データ記録手段と、該傾斜データ記録手段により記録された傾斜データを補正する傾斜データ補正手段と、該傾斜データ補正手段により補正された補正済傾斜データを記録する補正済傾斜データ記録手段と、所定の時点から現在までの補正済傾斜データを用いて、傾斜データの予測値である予測傾斜データを計算する予測傾斜データ計算手段と、該予測傾斜データ計算手段により計算された予測傾斜データと該傾斜データ取得手段により取得された現在の傾斜データとを比較する傾斜データ比較手段と、該傾斜データ比較手段により比較された２つのデータ間に所定の差があると判断された場合に、当該観測点の火山活動に異常が発生していると判定する異常発生判定手段とからなることを特徴とするものである。

また、異常発生判定手段で火山活動に異常が発生していると判定された場合には、当該異常を発生させ得るマグマの変動の状態を推定する変動状態推定手段を有することを特徴とするものである。

また、該異常発生判定手段により判定された異常の有無、及び、該変動状態推定手段により推定されたマグマの状態を、画面表示又は印刷出力する出力手段を有することを特徴とするものである。

また、観測点を複数設けたことを特徴とするものである。

また、当該観測点で観測された傾斜データ以外の並行観測データを取得する並行観測データ取得手段と、該並行観測データ取得手段により取得された並行観測データを記録する並行観測データ記録手段とを有し、該傾斜データ補正手段による傾斜データの補正には、該並行観測データ記録手段に記録された並行観測データを用いることを特徴とするものである。

また、該並行観測データは、当該観測点のGPS、重力計、磁力計、気圧計、雨量計により得られたデータであることを特徴とするものである。

また、傾斜データの予測値である予測傾斜データの計算には、カルマンフィルタを用いることを特徴とするものである。

また、傾斜データの予測値である予測傾斜データの計算には、傾斜データのノイズがランダムウオークノイズとホワイトノイズの和であることを利用するものである。

また、該傾斜データ記録手段と該並行観測データ記録手段とに記録されたデータに基づいて、所定の時点から現在までの異常変動のデータを作成する異常変動データ作成手段と、該異常変動データ作成手段で作成された異常変動のデータを記録する異常変動データ記録手段とを有し、該変動状態推定手段では、該異常変動データ記録手段に記録された異常変動のデータに基づいて、異常を発生させ得るマグマの変動の状態を推定することを特徴とするものである。

本発明によれば、予測傾斜データと現在の傾斜データとを比較し、比較した２つのデータ間に所定の差があると判断された場合に、所定の観測点の火山活動に異常が発生していると判定するので、火山監視要員による主観的な判断を介さずに火山噴火の予兆を素早く検知できるようになった。また、火山活動に異常が発生していると判定された場合には、当該異常を発生させ得るマグマの変動の状態を推定し、この推定結果を画面表示又は印刷出力するようにしたので、火山の専門家がいなくても、噴火の可能性等を素早く認識できるようになった。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明に係る火山活動の自動監視装置の火山への設置状況を示す概念図であり、図２は火山活動の自動監視装置の基本構成図である。Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、火山山ろく１に設置された観測点であり、２−ａ、２−ｂ、２−ｃ、２−ｄは傾斜計等の観測装置、３は回線網であり、４は観測センターである。なお、図1に示す例では、観測点を４点としたが、観測点は任意の数を設け得ることは言うまでもない。各観測点Ａ〜Ｄの観測装置２−ａ〜２−ｄで得られた観測データは回線網３を通じて観測センター４に送信され、観測センター４ではこれらのデータを受信して各種データ処理を行う。

図３は観測装置２−ａを例にとり、観測装置がどのような測定装置を擁するものであるのかを説明する図であり、２−１は傾斜計、２−２はGPS、２−３は歪計、２−４は重力計、２−５は磁力計、２−６は気圧計、２−７は雨量計である。これらの装置で観測されたデータはデータ収録装置２−８によって収集され、モデム２−９から送信され、回線網３を介して観測センター４のモデム４−１で受信、データ処理装５に蓄積される。観測装置２−ｂ〜２−ｄも、観測装置２−ａと同様の構成を有するものである。

本発明では火山噴火の予測のために、地殻変動の時間的分解能が高く精度がよい傾斜計から得られるデータに特に着目し、このデータを主として用いる。図４は、このような傾斜計の構造の概略を示す図である。このような傾斜計は、容器20内に納められ、深さ100m程度の縦坑の底に設置されており、縦坑はケーシングされ、ケーシングと縦坑の坑壁の間にはセメントが充填されている。傾斜計の原理としては、容器20内に振子21を吊り下げ、この振子21と容器20との相対変位（間隙の変化）を、微少ギャップをあけて対向する二つの電極（可動電極２２と固定電極２３）間の静電容量変化として計測するとともに、振子２１に設けたフィードバックコイル２４に電磁力を作用させて上記相対変位を打ち消すこととし、その打ち消しのために必要な電流を測定することによって傾斜を検出するものである。

図５は、観測センター４におけるデータ処理装置５の構成図である。このデータ処理装置５は、中央処理装置（ＣＰＵ）である主制御部６、出力部７、記憶部８を備えており、観測装置２から送信された観測データはまず記憶部８に収録される。主制御部６は、記憶部８の各種プログラムと観測データをロードして観測データについて必要な処理を実行する。出力部７は、プリンタ、各種記憶媒体、ディスプレイ、ネットワーク等で接続された遠隔地の表示装置、或いはこれらの組み合わせであり、種々の態様が考えられる。記憶部８は、ハードディスク等の適宜メモリデバイスであり、傾斜観測データファイル８−１、補正済傾斜データファイル８−２、重力、地磁気などの他の並行観測データファイル８−３、異常変動量データファイル８−４、各種解析プログラム８−５、そして、これらのデータファイル以外に各種解析結果、中間結果、初期設定等のその他のデータ８−６が記憶されている。傾斜計２−１で取得されたデータは傾斜観測データファイル８−１に、GPS２−２、歪計２−３、重力計２−４、磁力計２−５、気圧計２−６、雨量計２−７で取得されたデータは並行観測データファイル８−３に格納される。

以上の通り構成されたデータ処理装置５を用いて、どのようにデータ処理を行うかについて図６のフローチャートを参照しつつ説明する。主制御部６は、記憶部８の傾斜データファイル８−１から、並行観測データファイル８−３を参照して火山活動による変動以外の気圧、降水等の影響を排除し補正した補正済傾斜データファイル８−２を生成する（Ｓ１）。

次に、主制御部６は、補正済傾斜データファイル８−２を参照し、ｈ時間前までの十分長い過去の期間のデータについてカルマンフィルタを適用する。傾斜データのノイズは、ランダムウオークノイズとホワイトノイズとの和で表されることが知られている。そこで、時刻ｔ_nの傾斜値は次式のように状態変数Ｘ（ｔ_n）とホワイトノイズｗ（ｔ_n）との和で表されるとする。

[数１]
Ｔ（ｔ_n）＝Ｘ（ｔ_n）＋ｗ（ｔ_n） （１）

さらに時刻ｔ_n+1の状態変数は、次式のように１サンプル前の時刻ｔ_nの状態変数とホワイトノイズｖ（ｔ_n）の和で表されるとする。

[数２]
Ｘ（ｔ_n+1）＝Ｘ（ｔ_n）＋ｖ（ｔ_n） （２）

状態変数は、傾斜データに含まれるランダムウオーク成分に相当する。ｗとｖは、他の時刻の値とは独立でそれぞれ平均０分散σ_w ²、σ_v ²を持つ正規分布に従うランダムな値である。（１）の観測方程式と（２）の状態方程式に基づいてカルマンフィルタを傾斜データに適用し、各時刻のＸ（ｔ_n）を推定する。なお、σ_w ²、σ_v ²は最尤法を用いて同時に推定することができる。この結果から、ｈ時間前までのデータからｈ時間後すなわち現在の傾斜値を予測する（Ｓ２）。その予測値は、ｈ時間前の状態変数に等しく、その予測誤差σは次式のように表せる。

[数３]

次に、予測値と実際に観測された傾斜値とを比較し、その差が予測誤差σの２倍以上であるとき、現在の傾斜値は傾斜データの揺らぎから期待される値に比べ有意に異なり、異常な変動が発生していると判定する（Ｓ３）。Ｓ３で異常が判定されないときは分岐してＳ６の「出力部７に結果を出力」に進み、異常が判定されていない旨を画面表示或いは印刷出力する。

異常な変動が検出された場合は、主制御部６は、傾斜観測データファイル８−１、並行観測データファイル８−３を参照して、ｈ時間前から現在までの全ての観測データの変動量を測定し、異常変動量データファイル８−４を作成する（Ｓ４）。ここで、ｈは数分から数日間までの複数の期間であり、同時に複数の期間または観測点で異常が検出された場合は最も長い期間の変動量を測定し異常変動量データファイル８−４を作成する。複数のｈの値についてそれぞれ判定を行うことによって、数時間から数日間のさまざまな継続時間を持つ変動に対応することができる。

次に、異常な変動が検出された場合は、主制御部６は、異常変動量データファイル８−４を参照し、さまざまな変動源モデルの中から異常な変動を適切に説明する変動源モデルを探索する（Ｓ５）。変動源モデルとしては、マグマ溜まりや熱水溜まりの膨張収縮を近似的に表す球状圧力源モデル、岩脈の貫入を表す板状圧力源モデル、火道の膨張収縮を表すパイプ状圧力源モデル、或いはそれらを組み合わせたモデルが考えられる。

球状圧力源モデルは、位置（緯度、経度、深さ）、体積変化量の４つのパラメータで現され、板状圧力源モデルは位置（緯度、経度、深さ）、方位角、傾き、長さ、幅、開ロ量の８つ、パイプ状圧力源モデルは、位置（緯度、経度、深さ）、方位角、傾き、長さ、モデルの圧力変化量の７つのパラメータで表現される。それぞれの変動源モデルのさまざまなパラメータの値や、モデルの組み合わせについての中から、異常な変動を適切に説明する変動源モデルを探索する。変動源モデルの最適パラメータの探索には、計算時間が短い効率的なインバージョン法を使用する。探索方法は、遺伝的アルゴリズムや焼きなまし法、ネイバーフッドアルゴリズムなどが考えられる。

次に、主制御部６は、火山活動観測装置の稼動状況、異常な変動の検出の有無、異常な変動の図、最適な変動源モデルの図、変動源モデルのパラメータ、解析結果等を、出力部７のプリンタやディスプレイ、ネットワーク等で接続された遠隔地の表示装置の出力する（S6）。この出力によって、火山監視要員は速やかに火山活動の状態を把握することができ、これを広く報知することによって、噴火に対する対策を講ずることができるようになる。

以上のＳ１〜Ｓ６の処理ループは、記憶部８の傾斜観測データファイル８−１、並行観測データファイル８−３に新たな観測データが記憶され次第順次繰り返される。

このように本発明では、火山噴火の主な原因である地下のマグマの活動などによる異常な変動が発生した場合、速やかにこれを自動検知し、その変動源に関する定量的な情報を自動推定するシステム構成となっている。

本発明に係る火山活動の自動監視装置の火山への設置状況を示す概念図である。 本発明に係る火山活動の自動監視装置の基本構成を示す図である。 本発明に係る観測装置の詳細を示す図である。 傾斜計の構造の概略を示す図である。 本発明に係るデータ処理装置の構成を示す図である。 本発明のデータ処理装置のおける処理のフローチャートである。

符号の説明

１・・・火山山ろく、２−ａ〜２−ｄ・・・観測装置、３・・・回線網、４・・・観測センター、５・・・データ処理装置、６・・・主制御部、７・・・出力部、８・・・記憶部、２０・・・容器、２１・・・振子、２２・・・可動電極、２３・・・固定電極、２４・・・フィードバックコイル

Claims (9)

1. 所定の観測点の傾斜データを、当該観測点に設置した傾斜計を観測することにより取得する傾斜データ取得手段と、
   該傾斜データ取得手段により取得された傾斜データを記録する傾斜データ記録手段と、
   該傾斜データ記録手段により記録された傾斜データを補正する傾斜データ補正手段と、
   該傾斜データ補正手段により補正された補正済傾斜データを記録する補正済傾斜データ記録手段と、
   所定の時点から現在までの補正済傾斜データを用いて、傾斜データの予測値である予測傾斜データを計算する予測傾斜データ計算手段と、
   該予測傾斜データ計算手段により計算された予測傾斜データと該傾斜データ取得手段により取得された現在の傾斜データとを比較する傾斜データ比較手段と、
   該傾斜データ比較手段により比較された２つのデータ間に所定の差があると判断された場合に、当該観測点の火山活動に異常が発生していると判定する異常発生判定手段とからなることを特徴とする火山活動の自動監視システム。
2. 異常発生判定手段で火山活動に異常が発生していると判定された場合には、当該異常を発生させ得るマグマの変動の状態を推定する変動状態推定手段を有することを特徴とする請求項１記載の火山活動の自動監視システム。
3. 該異常発生判定手段により判定された異常の有無、及び、該変動状態推定手段により推定されたマグマの状態を、画面表示又は印刷出力する出力手段を有することを特徴とする請求項２記載の火山活動の自動監視システム。
4. 観測点を複数設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれかに記載の火山活動の自動監視システム。
5. 当該観測点で観測された傾斜データ以外の並行観測データを取得する並行観測データ取得手段と、
   該並行観測データ取得手段により取得された並行観測データを記録する並行観測データ記録手段とを有し、
   該傾斜データ補正手段による傾斜データの補正には、該並行観測データ記録手段に記録された並行観測データを用いることを特徴とする請求項１乃至請求項４いずれかに記載の火山活動の自動監視システム。
6. 該並行観測データは、当該観測点のGPS、重力計、磁力計、気圧計、雨量計により得られたデータであることを特徴とする請求項５記載の火山活動の自動監視システム。
7. 傾斜データの予測値である予測傾斜データの計算には、カルマンフィルタを用いることを特徴とする請求項１乃至請求項６いずれかに記載の火山活動の自動監視システム。
8. 傾斜データの予測値である予測傾斜データの計算には、傾斜データのノイズがランダムウオークノイズとホワイトノイズの和であることを利用する請求項１乃至請求項７いずれかに記載の火山活動の自動監視システム。
9. 該傾斜データ記録手段と該並行観測データ記録手段とに記録されたデータに基づいて、所定の時点から現在までの異常変動のデータを作成する異常変動データ作成手段と、
   該異常変動データ作成手段で作成された異常変動のデータを記録する異常変動データ記録手段とを有し、
   該変動状態推定手段では、該異常変動データ記録手段に記録された異常変動のデータに基づいて、異常を発生させ得るマグマの変動の状態を推定することを特徴とする請求項２乃至請求項８いずれかに記載の火山活動の自動監視システム。

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