火山の噴火はげっぷか爆発か？

昨年12月、カリブ海セントビンセント島の火山、ラ・スフリエールの山頂から、ドロドロとした溶岩が噴出しました。当初は噴出は緩やかで、特に危険はありませんでした。しかし3月下旬から4月上旬にかけて、急激なマグマ上昇に伴う地震波が発生し始めました。山頂からは有毒な煙が勢いよく噴き出しました。

マグマ爆弾の爆発が差し迫っていることを恐れた科学者たちは警鐘を鳴らし、政府は4月8日に島北部の住民全員に避難命令を出した。翌日、火山は壊滅的な爆発を起こし始めた。避難はまさに間一髪で、本稿執筆時点では死者は出ていない。

同時に、表面的には似ているが根本的に異なる何かが北極の端で起こっていました。

2019年後半からアイスランドのレイキャネス半島の地下では、ますます激しい地殻変動による地震が頻発しており、地下世界が開き、マグマが上昇する空間が生まれつつあることを強く示唆していました。2021年初頭、地底のマグマの蛇が半島を巡り、地表への脱出口を探していたため、地面自体の形状が変化し始めました。そして3月中旬、科学者が予想していた場所で、最初の亀裂が地中を蛇行し、無人のゲルディンガダル渓谷に溶岩を流出させました。

噴火の瞬間、地元の人々はすぐにここに集まり、溶岩流から文字通り目と鼻の先でピクニックをしたり、自撮りをしたりしました。最近、そこでコンサートが開催され、人々は尾根を円形劇場の座席のように利用しました。

どちらのケースでも、科学者たちは新たな噴火が近づいていることを正確に示唆しただけでなく、これらの噴火が全く異なる2つの形態をとることを予測しました。「いつ」という部分を予測するのは決して容易ではありませんが、「どのように」という部分を正確に予測することは特に困難で、特にラ・スーフリエールの爆発的な噴火の場合はなおさらです。「これは難しい問題ですが、彼らは見事に予測しました。まさに見事に」と、カーネギー科学研究所の火山学者ダイアナ・ローマン氏は述べています。

火山学者は、爆発的な噴火を引き起こす可能性のある条件について、ますます詳細な理解を深めてきました。例えば、地下水の有無は重要ですし、マグマ自体のガス含有量や粘性も重要です。また、最近の一連の研究では、地震波から衛星観測まで、隠れたシグナルを読み取る方法が示されており、噴火がどのように展開するか、つまり爆発的に噴火するのか、それとも静かに噴火するのかをより正確に予測できるようになっています。

何か邪悪なものがやってくる

超高層ビルや大聖堂と同様に、地球上の火山の建築デザインは実に多様です。高く険しい火山、非常に広大で緩やかな傾斜の火山、そして巨大で大きく開いたカルデラなど、実に様々です。時には火山そのものが存在せず、小さな窪地の連なりや、爪痕のように大地に刻まれた亀裂の群れが見られることもあります。

噴火予測には多くの疑問がつきものです。中でも最も重要なのは、「いつ？」という問いです。この問いの本質は、地下のマグマがいつ導管（マグマと地表の開口部を結ぶ管）を通って上昇し、溶岩流や火山灰、火山ガラス、火山弾として噴出するかという問いに等しいのです。

マグマが深部から上昇すると、火山の構造を変化させ、文字通りその上の地形を変化させます。また、移動するマグマ流は岩石を分離させ、火山性地震を引き起こすこともあります。さらに、マグマを地下に閉じ込めている圧力が低下すると、閉じ込められていたガスが解放され、地表に噴出する可能性があります。

噴火予報官は、火山の形状変化、地震音、そしてガス放出という3つの兆候のいずれかを探します。これら3つすべてに変化が見られた場合、つまり火山の日常的な活動とは明らかに大きく異なる変化が見られた場合、「何かが起こることは間違いありません」と、イタリア、フィレンツェ大学の地球物理学者マウリツィオ・リペペ氏は述べています。その「何か」とは、多くの場合、最終的には噴火です。

変化は必ずしも活動の活発化を意味するわけではない。ほとんどの火山は噴火前に騒音や震えが強くなるが、時にはその逆のことも起こる。例えばアイスランドの地震学者は、レイキャネス火山の最初の5つの割れ目が開く直前に火山性微動の減少を記録した。アイスランド・ジオサーベイの地震学者、トルビョルグ・アグスツドッティル氏によると、6番目の割れ目が開いたとき、科学者たちは6番目の割れ目が出現すると予測し、その予測は当たったという。

方程式の「方法」

火山がいつ噴火するかだけでなく、どのように噴火するかを予測することもますます可能になってきています。

個々の火山の噴火様式はそれぞれ異なるため、それぞれの火山の歴史を紐解くことは重要です。それを明らかにするため、科学者たちは火山周辺の地層を調査し、過去の噴火の残骸を法医学的に発掘・分析します。アイスランドのレイキャネス半島で最後に発生した噴火は、近代科学が到来するずっと前の800年前に発生しました。しかし、こうした調査研究のおかげで、科学者たちは同地の噴火が常に比較的穏やかなものであったことを知っていました。最近の噴火履歴、それも科学者によってリアルタイムで記録されたものがあればなおさらです。だからこそ、科学者たちはラ・スーフリエール火山が噴火様式を急激に噴火から爆発へと転換する可能性が高いと予測していたのです。

噴火予測に関する最新の研究は、こうした歴史的なカタログをはるかに超えています。ティレニア海の海面からかろうじて顔を出している火山、ストロンボリ島を例に挙げましょう。この絵のように美しい島は、ほとんどの時間を爆発に費やしています。通常は小規模な爆発で、人命に被害を与えることはありません。リペペ氏と彼の同僚は、20年にわたって島の形状変化を研究した結果、島は爆発直前に膨張することを突き止めました。さらに、形状の変化を正確に把握することで、爆発の規模が大きくなるか小さくなるかが分かります。2019年10月以降、この火山には早期警報システムが導入されています。このシステムは、過去に死者を出したような最も激しい爆発を示唆する膨張の種類を、爆発の10分前まで検知できます。

しかし、ストロンボリ火山は比較的単純な火山で、マグマから山頂の天窓までの配管はほぼ開いたままです。「マグマの動きによって亀裂が生じることはありません。ただ上昇するだけです」とリペペ氏は言います。

ほとんどの火山はもっと複雑です。多様な種類のマグマを抱えており、それらが噴出するためには火山体から噴出する必要があります。つまり、噴火は「起こるたびに大きく変化する」のです、とノースカロライナ州立大学の火山学者、アリアナ・ソルダティ氏は述べています。数日、数週間、数ヶ月、あるいは数年という期間をかけて、噴火は溶岩流と爆発の間を行き来することがあります。こうした変化を予測することは可能なのでしょうか？

ソルダティ、ローマン、そして彼らの同僚たちは、ハワイ島に着目することで、この仮説を検証する方法を見つけた。島の南東海岸近くにあるキラウエア火山は、1983年以来、何らかの形で継続的に噴火していた。しかし、2018年の春と夏、この火山はとんでもない光景を繰り広げた。まるで誰かが風呂の栓を抜いたかのように、山頂の溶岩湖が水が引いた。マグマは地下を流れて火山の東側斜面へと流れ込み、地面に亀裂を生じさせた。3ヶ月間、そこからマグマが噴き出し、時には溶岩の噴水のように空高く吹き上がった。

研究者たちは溶岩のサンプルを採取し、特に粘性という一つの特徴に注目しました。粘り気のある粘稠なマグマはより多くのガスを閉じ込めます。粘性の高いマグマが地表に達すると、ガスは急激に減圧し、爆発を引き起こします。一方、流動性のあるマグマは、まるでテーブルの上に放置されたソーダのように、ガスを徐々に放出します。

2018年、キラウエア火山の溶岩の粘度は変化し続けました。古く冷たいマグマは粘度が高くなり、深部から新たに噴出したマグマはより高温で流動性が高くなりました。

ローマン氏らは、火山から発生する地震波を観測し、採取した溶岩の粘度の変化と比較することで、これらの変化を追跡できることを発見した。理由は未だ解明されていないが、流動性の高いマグマが上昇するにつれて、両側の岩壁はわずかにしか離れない。一方、粘り気のあるマグマは強い力を発揮し、より広い通路を押し広げる。今年4月にネイチャー誌に発表された論文で、研究者らは、岩石がどのように押し広げられるかによって異なる地震波を用いることで、マグマ噴火の数時間から数日前に、噴出した溶岩の粘度の変化を予測できることを示した。

「この種類の地震活動では粘性が高まり、もしこの閾値を超えると爆発性がさらに高まる可能性があるということを示す発見は、非常に素晴らしいことです」とソルダティ氏は述べた。「監視と災害対策において、これは今まさに大きな影響を与える可能性があります。」

ナノスケールの厄介物

マグマの粘性には多くの要因が影響を及ぼします。特に、ほとんど目に見えないという理由から、見過ごされてきた要因が一つあります。

ドイツ、バイロイト大学の地質学者、ダニロ・ディ・ジェノバ氏は、ナノライト（平均的なバクテリアの約100分の1の大きさの結晶）を研究している。ナノライトは、マグマが火道上部を噴出する際に形成されると考えられている。十分な量のナノライトが生成すれば、マグマを閉じ込め、閉じ込められたガスを閉じ込め、粘性を高めることができる。しかし、噴出したばかりの溶岩を観察できる非常に高性能な顕微鏡がない限り、ナノライトは目に見えない。

ディ・ジェノバ氏は長年、ナノライトの形成過程に興味を抱いてきた。玄武岩（一般的な流動性のマグマ）の代替としてシリコンオイルを用いた実験では、オイルと粒子の混合物のわずか3%がナノサイズの粒子で構成されると、粘度が急上昇することが示された。

その後、彼は現実の世界に目を向けた。彼と同僚たちは、マグマが導管を通って地表に上昇する際にどのような反応をするかをシミュレートしようと試みた。実験室で溶解したエトナ山の玄武岩を、徐々に加熱し、急激に冷却し、水和反応と脱水反応を繰り返す実験を行った。時には、マグマをシンクロトロン（粒子加速器の一種）の中に入れた。この装置の中で、強力なX線が結晶中の原子と相互作用し、その特性を明らかにし、結晶が十分に小さい場合はその存在を明らかにする。

昨年Science Advances 誌に報告されたように、この実験によって研究チームはナノライトの形成過程を再現する実用的なモデルを構築しました。噴火が始まり、マグマが火道を通って急激に上昇すると、急激に圧力が低下します。その結果、溶岩から水が噴出して泡を形成し、マグマの水分が失われます。

この作用によりマグマの熱特性が変化し、極めて高温であっても結晶が存在しやすくなります。マグマの上昇が十分に速く、マグマが急速に脱水すると、ナノライトが大量に生成され、マグマの粘性が大幅に高まります。

この変化は目立ったシグナルを発するものではない。しかし、この変化の存在を知るだけで、ベスビオ火山やエトナ火山のように、通常はマグマが流動的な火山が、時に壮大な爆発を起こす理由を研究者が説明できるようになるかもしれないと、ディ・ジェノバ氏は述べた。地震信号はマグマの上昇速度を追跡できるため、おそらく、壊滅的な爆発につながる土壇場でのナノライトの急増を予測するために利用できるかもしれない。

霧を払いのける

こうした進歩はさておき、科学者が噴火の確率を確実なものに置き換えるには、まだ遠い道のりがある。

理由の一つは「世界の火山のほとんどは十分に監視されていない」ことだと、米国地質調査所カスケード火山観測所の研究地震学者セス・モラン氏は述べた。これにはアメリカ大陸のカスケード山脈の多くの火山が含まれ、そのうちのいくつかは巨大爆発を起こしやすい。「地上に十分な観測機器が設置されていても、噴火を予測するのは容易ではありません」とローマン氏は述べた。「しかし、火山に観測機器が全く設置されていない場合、噴火を予測するのは非常に困難です。」

もう一つの問題は、一部の噴火には明確な前兆がないことです。悪名高い種類の噴火の一つは水蒸気爆発と呼ばれ、マグマが上部の水たまりを加熱し、最終的に圧力鍋のような爆発を引き起こします。2019年12月にはニュージーランドのファカアリ火山で水蒸気爆発が発生し、この小さな島を訪れていた22人が死亡しました。また、2014年には日本の御嶽山で水蒸気爆発が発生し、63人の登山者が死亡しました。

アラスカ大学フェアバンクス校の地球物理学者、タルシロ・ジローナ氏が主導した最近の研究では、衛星は噴火に先立つ様々な火山から放出される熱放射が年々徐々に増加していくことを検知できることが明らかになった。遡及分析の結果、このような温度上昇は2014年の御嶽山水蒸気爆発以前にも検知されており、爆発発生の前後にピークを迎えていたことが示された。

おそらく宇宙からの監視は、将来の水蒸気噴火を予測する最良の方法となるだろう。しかし、今のところ、水蒸気噴火の長期予測は成功していない。「水蒸気噴火は恐ろしい」と、西ワシントン大学の火山学者で地震学者のジャッキー・カプラン＝アウアーバッハ氏は言う。「いつ来るか分からないのですから。」

予測が難しいのは爆発だけではありません。コンゴ民主共和国の山岳火山、ニーラゴンゴ山は今年5月22日に突然噴火し、ゴマ市に向かって高速で流れる溶岩を噴出しました。監視されていたにもかかわらず、噴火の明確な前兆はなく、数人が亡くなりました。

どのような種類の噴火を予測するにしても、誤報の代償は計り知れない。「人々を避難させても何も起こらなければ、次の避難は人々に真剣に受け止めてもらうのが桁違いに難しくなるだろう」とローマン氏は述べた。

しかし、楽観的な見方をする理由もある。科学者たちは、あらゆる火山の根底にある物理学をこれまで以上に深く理解しつつある。オックスフォード大学の火山学者、デイビッド・パイル氏は、「本能と経験、そして習得した知識の融合」によって、個々の火山もより身近なものになりつつあると述べている。彼は、人間よりも速くデータのパターンを識別できる機械学習プログラムが、近い将来、主要な役割を果たすようになると予測している。

噴火予測における確実な予測、つまり「もし」「いつ」「どのように」という予測は、おそらく決して実現しないだろう。しかし、日々、命を脅かす不確実性の霧は少しずつ晴れ、数十年前の噴火で命を落としていたはずの人が今、生き延びている。

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、 シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。

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