地球規模課題対応国際科学技術協力事業（防災分野）
研究代表者： 東海大学理学部化学科教授 大場武
研究の概要：JSTのHP
研究の概要：JICAのHP
2011/8/31
2009年１月調査メンバー（背景はニオス湖）
研究課題の概要
1980年代の半ばにカメルーンのニオス湖とマヌーン湖で起きたCO2ガスの突発的な放出は約1800名の犠牲者をもたらした（Kusakabe et al., 1989; Kling et al., 1989; Sigvaldason, 1989; Evans, et al., 1994）．このCO2ガス放出は人類にとって前例のない極めて特異な自然現象であった．湖水はあたかも火山噴火のように爆発的にCO2ガスを吹き上げたと考えられ，「湖水爆発」と呼ばれている．湖水爆発の直接的な原因は，湖水に蓄積したマグマ起源のCO2であった．しかしながらCO2ガス放出の引き金や湖水爆発のメカニズムの詳細については，未だに解明されていない．
両湖では湖底からマグマ性CO2の供給が続いており，1980年代半ばの湖水爆発以降もCO2が湖に蓄積し続けている．したがって，今後も湖水爆発の再発が懸念される．湖水爆発を防止するには湖に溶存しているガスを人為的に除去するのが近道である．2000年代初頭以来，USAID（米国国際開発庁）等の資金によりガス抜きシステムが設置され，ガス抜きが細々ながら進められてきた．ただし，ニオス湖における2010年までのガス抜き速度は小さく，溶存CO2を除去して湖の安全化を図るには30年以上を要すると考えられていた（Kusakabe et al., 2008）．最近になってUNDP（国連開発計画）の支援によりニオス湖でガス抜きシステムが増設された．しかしながら，UNDPの支援プログラムには湖のモニタリングが含まれておらず，マグマからのCO2の供給速度の見積もりやガス抜きシステムによるCO2の除去量を見積もることができない．また，CO2の量が減っても，将来CO2の供給速度が増加する可能性があり，ニオス湖周辺の住民に安全宣言を出すには，CO2の供給速度を常時モニタリングする必要がある．
湖のモニタリングは定期的かつ頻繁に実施されるべきであり，本来はカメルーン研究者によってなされるのが望ましい．本課題では共同研究の実施と研究機材の供与を通じてカメルーン研究者のキャパシティビルディングを図ることにより，彼らの自立的研究能力を高めてニオス湖とマヌーン湖の防災対策に資することを目的とする．
研究プロジェクトの概念図
不思議な災害
西アフリカの赤道近くに位置するカメルーンには，南西から北東にかけて火山地帯（Cameroon Volcanic Line: CVL）が横たわる（Fitton, J.G., 1980）．その火山地帯の北部にあるニオス湖とマヌーン湖（下図参照）において，それぞれ1986年と1984年に，かつて人類が経験したことのない不思議な災害が発生した．
湖から大量のCO2ガスが発生し，ニオス湖では周辺に居住する１７４６名の住民と約７千頭の家畜が極めて短時間のうちに死亡した．マヌーン湖では37名が死亡した．住民の死因は酸欠であった（Baxter and Kapila, 1989）．その不思議さ故に国際的な関心を呼び，日本，米国，フランス，ドイツ，イタリアなどの先進国研究チームが緊急に調査を行い，ニオス湖からCO2ガスが発生したことを明らかにした．CO2を高濃度（＞40%）で含んだ大気は湖面から高さ120mまで達したと推定された．CO2ガスの発生と共に，湖水も噴き上がり，高さ80mに達したと推定された．この現象はまさに湖水爆発というべきものであった．CO2を含んだ重い空気の塊は，谷を流れくだり，25kmの遠方まで到達した（Barberi et al., 1989）．ニオス湖とマヌーン湖のCO2は，炭素安定同位体比や共存するヘリウム同位体比から，マグマ起源であると判断された（Kusakabe, et al., 1989）．
災害直後のニオス湖．湖の南側から北岸の天然ダム方向を望む（写真はGlobal Volcanism Program web siteより引用）
湖水爆発の引き金
災害後の研究により，湖底からCO2に富んだ温泉水が湧出し，災害直前には湖水に大量のCO2が蓄積していたと判断された．湖水に溶存していたCO2が爆発的に脱ガスしたために災害が発生した．この現象は“湖水爆発”と呼ばれている．湖水爆発の引き金については諸説がある．そもそも引き金など必要なく，マグマ性CO2の継続的供給により湖のCO2濃度が十分に高まればわずかなきっかけで爆発的脱ガスは起きるとする考え方がある（Kusakabe et al., 2000）．別の仮説として，災害直前に冷たい雨水が湖に大量に流入し，冷たい水塊があたかも地球のプレートのように深層に沈み込んだ結果，深部の湖水が持ち上げられ，圧力低下によりCO2が過飽和になり連鎖的・爆発的脱ガスを引き起こしたとする説もある（Giggenbach, W.F., 1990）．研究の初期段階では湖底で火山噴火が発生したとする説（Tazieff, 1989）も唱えられたが，現在ではその可能性は無いとされている．
湖水爆発のメカニズムは，いまだ推測の段階にとどまっている．湖水爆発直後のニオス湖では，湖水下部には高濃度のCO2が残存していた．なぜ深層水は脱ガスしなかったのか？CO2はどのようにして湖に供給されているのか？究極的な防災対策は，これらの疑問を解決することから達成される．本研究はこれらの疑問に一定の解答を与えるものである.．
雨水注入が引き金であった場合の湖水爆発メカニズム（Giggenbach, 1990）． 湖水下部（緑）は影響を受けず，湖水の上半分（赤）が雨水の沈降により持ち上げられ，爆発的に脱ガスした
ガス抜きシステム
湖底に湧出する温泉水はマグマ性CO2を含む．その継続的な供給により，湖にはCO2が蓄積し続けていることが，災害後の継続的な観測で明らかとなった．このまま事態を放置すれば，湖水爆発が再発するのは誰の眼にも明らかであった．この事態を重く見た日本，米国，フランス，カメルーンの研究者は協力して深層水のCO2を除去するために行動を起こした．ガス抜きシステムは2001年にニオス湖（下，写真）に，2003年にマヌーン湖に設置された（Halbwachs et al., 2004）．
このガス抜きシステムは単純な構造で，湖の中央部にある筏からパイプを深層まで垂直に立てたものである．CO2を含んだ深層水は一旦上昇を始めると，パイプ内部でCO2が遊離してガス-水の混合相になる． 2相流の密度が激減する結果，パイプ内では高速の上昇流が生じる．この方法により，外部から動力を与えることなく，自発的に深層水をパイプの先から放出させ，CO2を大気中に解放させ続けることができる．
このガス抜きシステムの設置により，マヌーン湖ではCO2溶存量が急速に低下し，危機的な状況は回避されつつある．しかしニオス湖では，ガス抜きによるCO2の排出速度は湖底からのマグマ性CO2の供給速度を僅かに上回る程度であり，CO2溶存量を安全なレベルまで低下させるには，最短でも20〜30年は要すると見積もられている（Kusakabe et al., 2008）．ニオス湖における湖水爆発の危険性を排除するには，ガス抜きシステムを増設する必要がある．幸いなことにニオス湖では2011年4月に国連開発計画（UNDP）の資金によりガス抜きパイプが増設された（下，写真）．これにより湖水爆発の可能性が低下することが期待される．
しかしながら，UNDPの支援プログラムには湖のモニタリングが含まれておらず，マグマからのCO2の供給速度の見積もりやガス抜きシステムによるCO2の除去量を見積もることができない．また，CO2の量が減っても，将来CO2の供給速度が増加する可能性があり，ニオス湖周辺の住民に安全宣言を出すには，CO2の供給速度を常時モニタリングする必要がある．CO2の供給源であるマグマとCO2の湖底への到達経路の解明は、ガス供給速度の予測や湖水爆発の再発予測にとって本質的に重要である．
活動し続ける火口湖
ガス抜きシステムによるCO2の除去は，対症療法的な措置である．当面の危機はガス抜きシステムの増設により回避されるだろう．しかし，ニオス湖とマヌーン湖で住民に安全を宣言するには両湖に対するCO2の供給率を常時監視する必要がある．ニオス湖で1986年に災害が起きた際のCO2の放出量は5.5x10^9 モルと見積もられている（Giggenbach, 1990）．1986年以来の日下部らによる継続的な観測によると，湖底からのCO2供給率は0.12x10^9 モル/年であるので，約45年毎に湖水爆発が発生する計算になる（Kusakabe et al., 2008）．しかし，40~50年前に災害が起きたという記録はない．一方，ニオス湖の周辺に住むコム族に伝わる伝承では，湖が突然爆発して部族が消滅したという（Shanklin, 1989; ハロウエー，2000）．このことから，過去には低かった湖底からのCO2供給率が近年になって上昇し1986年の湖水爆発が誘発された可能性が指摘される．このことはカメルーン火山列（CVL）が活動期に入ったことと関係しているかも知れない．マヌーン湖とニオス湖でほぼ同時期に湖水爆発が発生したことや，CVLの南端に位置するカメルーン山が，1990年以降活発化し最近まで噴火を繰り返していることは（Fitton et al., 1983），両者の関係を暗示している．
ニオス湖，マヌーン湖に供給されているCO2はマグマ起源である．マグマに含まれる揮発性成分の内，珪酸塩メルトに対して溶解度が低く，もっとも脱ガスしやすい成分はCO2である．マグマが上昇する過程でCO2が最初にマグマから分離し地表にもたらされる．その意味で，ニオス湖とマヌーン湖で起きている現象は，マグマの上昇とそれに伴う脱ガス現象の初期段階に当たるかも知れない．マグマがさらに上昇すれば，火山性地震が発生し，脱ガスする流体には，CO2以外の成分，例えば硫黄成分が含まれるようになり，湖水の硫酸イオン濃度が上昇するだろう．
ニオス湖，マヌーン湖の周辺には炭酸泉が多数分布している．この泉は，ニオス湖，マヌーン湖の湖底で湧出している温泉水と共通の起源をもつと思われる．炭酸泉の存在は，マグマから放出されたCO2が湖水の周辺地域に広く拡散していることを示している．
火山噴火
ニオス湖，マヌーン湖はもともと火山噴火により形成された火口湖であり，形成年代は４千年前と考えられている（Aka et al., 2008）．ニオス湖，マヌーン湖の周辺には侵食を受けていない単成火山が多数分布している．地質学的な時間スケールで見ればニオス湖，マヌーン湖地域では活発な火山活動が継続していると考えられる．
防災対策と裨益効果
ニオス湖の周辺住民に対する直接的なガス災害のみを考えた場合，本課題の実施による直接的な裨益効果はおよそ3,500名程度と想定される．ニオス湖はリングロード（下図の赤線）の北部に位置し，現在はニオス湖における湖水爆発の脅威のためにリングロードの一部が通行禁止になっている．
もともと，この地域は農業の中心地で人口も多かったので，本課題の実施により，ニオス湖の状態が常時把握され安全が宣言されれば，リングロードの通行禁止区間が無くなり，北部地域の農業・経済活動は活発化する．その場合の裨益効果は非常に大きく，おそらく数十万人の単位になるだろう．
ニオス湖，マヌーン湖での湖水爆発を予測するために，湖水の自動観測装置，気象観測設備などの設置が望まれる．これらの設備をカメルーン国が自ら調達することは資金面の困難があり，日本の援助が必要とされる．
本課題が成功裏に実施された場合，ニオス湖，マヌーン湖には充実した観測システムが整備され，カメルーン人研究者により両湖の活動状態は完全に把握されるようになるだろう．これにより，現在も立入禁止地域となっているニオス湖の周辺に，かつての住民が帰還し以前と変わらぬ生活を送れるようになる．カメルーン人研究者の地域住民に対する啓蒙活動を通じて，今までは非科学的な発生原因を信じていた住民が，ニオス湖，・マヌーン湖の潜在的な危険性を正しく理解できるようになるだろう．また研究者の観測活動に積極的に協力するようになることも期待される．
カメルーンにおけるCO2ガス災害は，カメルーンという国にとって非常に大きな出来事であった．国民はガス災害で傷つき，いまだに心の奥底にトラウマを抱えている．彼らは「どうしてわれわれの国では運悪く変な災害が起きてしまうのか？」と感じている．カメルーンが日本との協力によりガス災害を完全に克服することは，国民が心底から安心し暮らせることを意味し，カメルーン人のトラウマを解消することに通じる．学校建設などの日本のODA援助の高い評価に加えて，日本の科学技術に対する信頼感が高まり，わが国に対する尊敬の念がこれまで以上に向上すると考えられる．
カメルーンにおける研究環境の整備
カメルーンでニオス湖，マヌーン湖の研究に携わっているのは，国立地質調査所（IRGM）の研究者である．これまでこの組織からは，２名の研究者が岡山大学地球物質科学研究センターで博士号を取得し，また１名の研究者が東京工業大学火山流体研究センターで修士号を取得している．現在も２名の研究者が富山大学および熊本大学の大学院博士課程に在籍し研究を続けている．このようにIRGMの研究者は，わが国からの支援を受けつつ，十分な研究能力を練成しているにもかかわらず，カメルーン国内では化学分析装置などの研究環境が整わないために，本来の能力を発揮できずにいる．カメルーン人研究者が本来の能力を発揮し，自立してニオス湖・マヌーン湖の研究を遂行するためには，化学分析装置，同位体分析装置，湖水観測装置等の支援が必須である．
人材育成
カメルーン人研究者の研究能力を向上させるために，若い研究者を日本に招聘し，修士号あるいは博士号を取得させる．招聘研究者には，学費と生活費を支給する．またカメルーンの大学は満足な科学的機器を備えておらず，学位を取得しても研究者として実践的に活躍することが難しい．そこで，若い研究者や，すでに学位を取得している研究者も短期間（数ヶ月）日本に招聘し，化学分析，安定同位体分析などの技術研修を受けさせ，自国において研究を発展させる能力を向上させる．
研究の目標
ニオス湖，マヌーン湖は活火山に付随した火口湖であり，火山観測の視点でリアルタイムモニタリングを行う．これまでニオス湖とマヌーン湖では，観測は多くて一年に一度の頻度にとどまっている．現在でもニオス湖周辺と流出する河川の下流域は危険地域として住民の居住が禁止されている．この状態を解消するために，ニオス湖をリアルタイムで観測し，常に湖の状況を把握する．これが主たる研究目標である．リアルタイムモニタリングにより湖の安全性が把握できる．また湖水のCO2濃度がどの程度まで低下すれば安全と宣言できるのか，なんらかの判断基準を導入する必要がある．そのため湖水爆発の数値シミュレーションを行い，湖水CO2濃度と湖水爆発の関係を明らかにする．
ニオス湖やマヌーン湖周辺には炭酸泉が多数分布している．これらの泉は，ニオス湖，マヌーン湖の湖底で湧出する温泉水と起源が共通すると推定されている．マグマから放出されたCO2が湖底に至るまでの流動経路を解明するために，炭酸泉の調査を行う．さらにマグマから放出されたCO2の流動を詳しく調べるために，土壌から気体として拡散放出されているCO2ガスの放出量を調査する．
ニオス湖，マヌーン湖は比較的若い火山であり，1980年代の湖水爆発は深部に貫入したマグマがCO2を放出した結果発生した可能性がある．したがって，近未来におけるニオス湖，マヌーン湖地域での火山活動の予測を行うために，噴出物を調査し，火山噴火履歴を解明する．これらの研究は長期的な防災対策の基本となる．
研究目標の概念図
研究を相手国研究機関と共同実施する意義
本研究課題の実施主体は，日本の大学や研究所に所属する研究者である．研究代表者の大場はかつて東京工業大学火山流体研究センターに所属し，群馬県北部の活火山，草津白根山の噴火予知と減災を目指す研究に取り組んでいた．草津白根山には山頂に火口湖が存在し，火口湖を有する活火山研究という意味においてニオス湖，マヌーン湖の研究と共通性がある．草津白根山では，火口湖に対する，物質・熱・水の収支バランスが既に解明されており，これらと火山活動との関連が明らかにされつつある（Ohba et al., 1994; Ohba et al., 2000; Ohba et al., 2008）．草津白根山の火口湖に供給されている流体は酸性であり，中性に近いニオス湖とマヌーン湖の流体とは性質が異なるため，タイプの異なる火山流体系を研究対象とすることで，火口湖を包有する火山流体系の研究をさらに深化させることが期待される．
科学的調査・研究の結果，史上例を見ない自然災害の原因が解明され，それに基いた防災対策が立てられるという点で，本課題はユニークである．ニオス湖でのガス災害は，NatureやScienceのような国際的学術雑誌はもとより，National Geographic Magazine，Scientific American，Science Todayなどの一般雑誌や世界の多くの新聞が関連記事を掲載した．テレビでは，BBC，ITN，Discovery Channelなどが特集を放映している．日本でも多くの新聞（朝日，毎日，読売，東京）や一般向け科学雑誌に関連記事が掲載されている．2001年5月には，NHK教育テレビの「サイエンス・アイ」で原因解明からガス抜きシステム設置に至る科学者の努力をまとめたドキュメンタリーが放映された．
本事業は，人類の英知と技術が「ガス災害」という新しい型の自然災害を，世界で初めて克服しようとするものである．世界が注目する本事業で日本が中心的役割を果たすことにより，「顔の見えるODA」として高い評価が得られると期待される．
相手国研究機関の準備状況
IRGM（Institut de Recherches Geologiques et Minieres：地質調査所）は，首都ヤウンデの西方７kmに位置するコルビソンに支所を所有している．IRGMは研究能力向上を目的として，コルビソンに新たな研究棟を建設し，ほぼ完成させた（写真１）．この新研究棟は，2006年に所長のヘル氏が，岡山大学地球物質科学研究センターを訪問した際に，その機能的な研究設備に深い感銘をうけ，同センターを見習って建設した．内部は，１０以上の実験系研究室を有し，地下には試料保存庫も備えている（下，写真）．このことからも分かるように，IRGMは分析機器等の管理体制を整え課題終了後の維持管理についても不安は無い．
写真．コルビソン支所の新研究棟
参考文献
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