ベスビオ火山の新たな危険シナリオ：西暦 79 年にヘルクラネウムで剥離火山灰の急増による致命的な熱影響

Scientific Reports volume 13、記事番号: 5622 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

希薄な火砕流密度流は、火山の周囲に甚大な破壊と死亡を引き起こす可能性があり、その致死力を評価する際には温度が重要なパラメータとなります。古代ヘルクラネウムの炭化木材の反射分析により、西暦 79 年のヴェスヴィオ火山噴火中に建物と人間に影響を与えた熱事象を新たに再構築することができました。ここで、最初に町に入った PDC は、温度 555 ～ 495 °C の短時間の火山灰雲の急増であり、人々の即死を引き起こす可能性があり、一方で地上にはわずか数デシメートルの火山灰しか残らなかったことを示します。高濃度電流から切り離されていると解釈します。その後、徐々に町を埋めていった火砕流は、ほとんどが 465 ～ 390 ℃、および 350 ～ 315 ℃の低温で高濃度の PDC でした。木炭は、複数の一時的な極端な熱事象を記録できる唯一の代用物質であることが判明し、西暦 79 年の噴火の実際の熱影響が初めて明らかになりました。昔の火山噴火と最近の火山噴火で生成された希薄化した PDC の致死的影響が文書化されているということは、ヴェスヴィオ山やその他の場所でそのような危険がより考慮される価値があることを示唆しており、特に高温の分離灰雲のサージに関連する過小評価されている危険は、短期間ではあるが建物を激しい熱にさらす可能性があります。損害と人命の被害。

希薄な火砕流密度流は、最も致死性の高い火山現象の 1 つです。それらは非常に乱流の地面を抱き込む火砕流 (PDC) であり、希薄なサージとして火口で発生する可能性 (特にマグマ水蒸気噴火中)、または高濃度の谷に限定された基底底流と関連しており、そこから分離して独立して移動する可能性があります。、たとえ起伏の多い地形であっても、その道筋は非常に予測不可能です1、2、3。希薄化した PDC は、1902 年 5 月 8 日にマルティニーク島のサンピエールで発生し、約 30,000 人が即死した4、5、6 や、1991 年 9 月 15 日に日本の雲仙岳で発生した、最も致命的な火山災害の一部の原因となっています。 44 人の死者を出した 7,8 か、2010 年 11 月 5 日にはインドネシアのメラピで 200 人以上が死亡した 9,10。

希釈された PDC による死傷者や傷害を引き起こす主な要因は、(1) 高温による火傷 11、12、13、14、15、16、17、(2) 動的な圧力 4、6、(2) 動的な圧力 4、6 の組み合わせによって発生します。 (3) 酸性ガスによる損傷18、(4) 灰の吸入による窒息14,19。

低密度と乱流により、希釈された PDC は周囲の空気と急速に混合する傾向があり、初期温度が急速に放散されるため、稀に希釈された PDC は高温を伴います。対照的に、灰雲サージ 2,3 として知られる高濃度の流れを包み込む希釈 PDC は、高濃度の基礎流 23 と結合している限り、非常に高い温度を維持できます。この流れはむしろ熱的に保存的で 20,21,22、継続的に移動します。質量と熱エネルギーの両方が上昇します11,23。これは、地形効果（例 2、3）により火山灰雲サージの剥離が発生する場合とその場所（例 14、24）であっても、その初期温度は親基底高濃度と同じくらい高くなる可能性があることを意味します。現在。

しかし、一旦剥がれると、希薄で乱流の火山灰雲のサージは短命な現象であり、多くの場合、打ち上げられる前に地上に数センチメートルの火山灰が残るだけであり、他の人によって即座に保守的に埋められない限り、地質学的記録に保存される可能性はほとんどありません。同じ噴火の堆積物（例えば、降下および/または非侵食性 PC 堆積物）。保存の可能性がほとんどないため、そのような種類の堆積物や関連現象に関する研究は限られており、おそらく火山灰雲サージの危険性が過小評価されている可能性があります。特に熱影響について。

ヘルクラネウムとポンペイの遺跡は、火砕流、人間、居住地との相互作用を示す最も壮観で有名な歴史的事例であると考えられます (図 1)。西暦 79 年のヴェスヴィオ山の噴火の際に堆積した火砕堆積物の層の中に、何百もの人間の犠牲者の骸骨が保存されているのが発見されました 13、14、15、16、29。

ヘルクラネウム遺跡の場所と西暦 79 年のヴェスヴィオ火山噴火の層序。 (a) ヘルクラネウム、オプロンティス、ポンペイ、スタビアエ遺跡の位置を含むカンパニア平原の Google Earth の一般地図 (地図データ ©2022 TerraMetrics)。 (b) 5 つのサンプリングサイトを報告する古代ヘルクラネウム都市地図: コレギウムアウグスタリウム (赤い点)、デクマヌスマキシムス (緑の点)、都市の北側にある店舗/住宅 ABCD (オレンジ色の点)、枠の家 (黄色の点)点) 市の中心部に位置し、南西側に沿ってフォルニチと噴火前のビーチ (青い点)。 (c) ヘルクラネウム遺跡の東方向のパノラマビュー。黄色の破線は、古代の町を埋め、その上に現代の都市が建設された西暦 79 年の火砕堆積物の頂上を示しています。ベスビオ火山の頂上丘 (海抜 1281 m) が背景にあります。赤い数字は、(b) に示されているサンプリング場所のおおよその位置を示します。 (d) 西暦 79 年の火砕流のまさに根元の詳細。 S1 火山灰雲のサージ堆積物は数センチメートルの黒い砂浜の上にあり、次に硬い基板の上にあります。 (e) ヘルクラネウム遺跡の海側（西）壁。西暦 79 年のヴェスヴィオ火山噴火の完全な層序を示し、30、31 に従って注釈が付けられている。海抜 19 m の三角形が (c) の視点です。

西暦 79 年の噴火は最も研究されている噴火の 1 つであるにもかかわらず、ポンペイとヘルクラネウムの正確な時期と死因については依然として議論があり、火山学、考古学、法医学人類学の研究に影響を及ぼしています。

ヘルクラネウムでは、一連のボート小屋内と海岸で、最初の火山灰サージ堆積物（S130 または EU2/3pf31 図 1e として知られている）に埋め込まれた数百の人骨が、犠牲者の死体の生きているような姿勢と相まって発見されました。頭蓋骨や骨に対する熱誘発効果は、骨格が約 500 °C にさらされた結果として、激しい熱への曝露、突然死、および軟体組織の急速な消失の証拠として検出されています 13,14,15,16。遺跡の元の考古学的状況のまま保存されている骸骨からのガラス化した脳のユニークな発見も、初期の非常に高い熱事象とその後の初期の火山灰雲サージの急速な冷却の証拠として報告されている17,32。

他の著者は、一部の肋骨におけるコラーゲンの保存は、むしろ低温にさらされたことを示している可能性があると提案しました33。したがって、ヘルクラネウムの住民を死亡させた西暦 79 年のベスビオ火砕流 (PC) の温度と性質の決定は、特に人体や他の物体への影響が影響するだけでなく、依然として議論の余地がある。 PC の温度だけでなく、熱交換の継続時間と速度も影響します。ヘルクラネウムを埋葬している PC シーケンスの定置温度の地質学的推定は、これまでのところ平均値が約 350 ～ 400 °C であることを示しています。これらは、石質砕片の熱残留磁化 (TRM) 34、35、36 と PC 堆積物から抽出された木炭片の反射率 37 から得られます。高温 (最大 > 450 °C) と低温 (最低 240 °C) の両方の異常値も文書化されており 13,17,36,37 、後者は特に PC が無傷または崩壊した建造物や海水と相互作用する場合に当てはまります。しかし、上記の研究や方法はどれも、ヘルクラネウムに入り、人々を即座に殺害し、かろうじて死体を埋めた、保存状態の悪い初期の希釈された PDC の温度を直接ターゲットにしたものではありません。

ここでは、西暦 79 年のヘルクラネウムの段階的な埋葬中に形成された木炭の反射率分析の可能性を探り、人々を殺し、インフラに影響を与えた最初の灰雲の超高温の影響を示します。通常は見落とされ、値の平均化によって平滑化される木炭の反射率値の多峰性分布 10、22、37、38、39、40、41、42、43、44 が、代わりに多相の熱イベントをどのように記録するのかについて説明します。特に、炭化プロセスの非逆行性を考慮すると、短期間の初期の高温事象は木材の不完全な炭化（つまり、木材の外側部分のみに影響を与える可能性のある不平衡炭化23）によって記録され、保存される可能性があります。その後の埋没は低温で行われた（つまり、まだ炭化されていない木材ドメインを木炭に変えることができる平衡炭化だが、高温で形成された木炭ドメインによって達成される反射率をオーバープリントすることはできない23）。

ヘルクラネウム遺跡は、火山学的環境と生物考古学的環境の両方における地温計としての木炭の反射率の有効性と感度を裏付け、テストするためのユニークなケーススタディを表しています。この結果は、ヘルクラネウム地域で実施された法医学、考古学、火山学間の溝を埋めるのに大きく貢献し、主要な致死的熱事象の再現を制約する可能性がある。この研究は、一時的な希薄火砕流密度流の熱輸送能力に焦点を当てており、ここではその危険性が依然として大幅に過小評価されている分離火山灰雲のサージとして解釈されている。

ヘルクラネウム、ポンペイ、オプロンティス、スタビアエといったローマの町は、西暦 79 年のヴェスヴィオプリニアン噴火によって破壊され、埋もれました。証人である小プリニウスによって 2 通の手紙で説明されたこの象徴的な噴火の層序は、8 つの主要な噴火単位 (30、31、45、46、47; 図 1e) に対応するものとして再構築されました。プリニウスによれば、噴火は8月24日から25日の間に発生したという。初期段階では、持続的な噴出柱が大気圏まで 30 ～ 33 km まで上昇し 45、フォノライト質の白い軽石の降下火山礫を取り囲みました。ヘルクラネウムは、この初期のプリニー降下段階の影響を受けず、その主な分散軸はポンペイに向かう南東に向けられていました。

8 月 24 日の夕方から夜の間に、軽石礫の降下物は灰色で光腎炎の組成に変化し、プリニー柱の部分的な崩壊によりいくつかの火砕流が形成されました。オプロンティス、ミセヌム、スタビアエ、ヘルクラネウムで確認されたこれらの初期の流れは、小プリニウスによって「地上を流れのように流れる」雲として描写されました 48。ヘルクラネウムの基本単位を形成する関連するPC堆積物は、S1〜S227またはEU2/3pfおよびEU3pf46と名付けられています（図1e）。以降、基本単位を S1 および S2 と呼びます。

S1 堆積物は、厚さ 20 ～ 80 cm の塊状から層状の淡い灰色、粗いから細かい灰で構成されています 30（図 1d）。 S1 の主な火山灰のサイズと減少した厚さは、ヘルクラネウムが最初に遠位の希薄な火砕サージに襲われた証拠として解釈されました 14。ここでフォルニチと呼ばれる海沿いの 12 の部屋 (図 1) と海岸に沿って避難していた約 350 人の人骨 16 が、S1 の細かい火山灰堆積物内で横たわっているのが発見されました。町では、噴火の非常に初期段階でヘルクラネウムの住民によってほぼ完全に放棄されていたが、骸骨の家で見つかった犠牲者、アポディテリウム16で見つかった2人、そして横たわっていた1人の場合のように、わずか数十人の犠牲者が発見されただけだったコレギウム・アウグスタリウムのベッドの上17．

未固結の S1 火山灰堆積物は、市内のごく限られた場所でのみ確認できます。フォルニチ入口（図 1b、c）では、厚さは 35 ～ 60 cm の範囲ですが、チャンバー内では 150 cm30 に達します。

噴火前の海岸線に沿って、現在の海面よりマイナス 5 m に位置し (図 1c、e)、S1 は厚さ数 cm の黒い砂浜の上に直接横たわっています (図 1d)。ここで、S1 の範囲はおよそ 1 から 10 です。厚さは 15 ～ 50 cm で、炭化または部分炭化した木材片と希少な屋根瓦が多数含まれています30。 S1 は約 2 によってオーバーレイされます。厚さ70〜100 cmの塊状の層は、灰と灰色の軽石礫でできており、木炭の破片やその他の考古学的物質が埋め込まれており、層S230に相当します（図1e）。海岸沿いで発見された人間の遺体は、S1 の微細な火山灰堆積物内に浮遊していました 14、15、16。 S1 と S2 より上の火砕流は、高濃度により噴火のマグマ相とマグマ水蒸気相の遷移を横切って堆積した、溶岩と堆積岩石に富む火山灰マトリックスで支えられた厚さ 20 m の巨大な火山礫凝灰岩の連続によって形成されます。 PDC は徐々に町を埋めていきました (図 1)。

反射率は入射光を反射する木炭の光学特性であり、炭化度が増加するにつれて増加します38、39、44、49、50。私たちはヘルクラネウム遺跡からの木炭を代用として使用し、西暦 79 年の噴火中に町に影響を与えた熱事象を再現します。炭化した木材の破片は、流路に沿って最も近い北側（コレギウムアウグスタリウム、デクマヌスマキシムス、店舗/住宅 ABCD）、中央エリア（フレームの家）から遠位南西エリアまで、流路に沿って分布する 5 つの異なる場所から収集されました。噴火前の海岸（フォルニチ、図1b）。

合計 40 個の木炭片サンプルがサンプリングされました (補足資料表 S1 の詳細を参照): コレギウムアウグスタリウムから 12 個、上部カルド III 沿いにある店舗/住宅 ABCD から 9 個、デクマヌスマキシムス沿いに 3 個、ハウス内に 1 個カルド II 上部に沿ったフレームの一部と、フォルニチ/正面ビーチにある 15 個の破片。木炭の破片は、火山の側面に沿った流れによってもぎ取られた低木や樹木、および製造品（家具や建物）からのものです。分類学的研究 51 によれば、ローマ人による噴火当時、家や家具の建設に使用された木材の 90% は針葉樹 (モミの木 48) でした。

反射率 (Ro) の測定は、木炭が形成される温度を表す非常に堅牢で、実験的に十分に制約された代用値です 38、39、50、52。この方法は、さまざまな炭化状況における地温計として広く適用されています。有機物質がゆっくりと炭化する埋設続成環境44,53,54、野生の森林火災49,55,56、自然火災および人為的火災42,57、火山堆積物10,22,23,36、 37、38、40、41、58。炭化プロセスにはこのような大きな違いがあるにもかかわらず、火山環境における古温度を取得するための反射率データの処理は、通常、続成成木炭の場合と同じアプローチに従い、平均反射率値と関連する標準偏差を 50 から 100 の測定値で計算することによって行われてきました。各サンプル10、22、23、36、37、41。しかし、火山環境では、短命の熱事象が完全な炭化に寄与しない可能性があるため、一部の著者は、得られた温度を使用して、ピーク熱条件における不平衡炭化をより適切に捕捉するために、3 つの最大反射率値の平均を使用することも提案しています40。加熱継続プロセスが不明であるため、依然として最小値のみを示しています38。最近の研究はさらに、PC 堆積物に埋め込まれた木炭が個々のサンプル内の反射率データの多峰性分布を示す可能性があることを示し、異なる反射率集団が代わりに木材の破片が経験した複数の熱イベントを記録する可能性があると主張しました 10,23。炭化プロセスは非逆行性であり、完了までに数時間程度の時間を必要とするため、これが可能になります 38,50。したがって、多峰性の反射率分布は、後続の熱イベントの重ね合わせを示す可能性があります。保存するには、これらは段階的に低温でなければなりません。(1) 木材が高い反射率値で部分的にのみ炭化され、他の領域が新鮮なままになるように、初期の高温イベントは短命でなければなりません。 (2) その後の低温イベントは、単一サンプルの木炭反射率に多峰性分布を与える新しいドメインにのみ影響を与える可能性があります。後の熱イベントが最初のイベントよりも高い温度で発生した場合、木炭片全体がより高い T 条件でリセットされ、反射率値の単峰性集団が生じることに注意する必要があります。

これらの最近の発見に基づいて、データ処理において、平均値と標準偏差に加えて主なモードを特定することにより、その後の熱事象の連続を解明するために多峰性分布の存在を考慮します。 3 つの最大 Ro 値の平均 (3Ro max) は、最大熱事象の最低温度を評価するために使用されます40。

分析されたすべてのサンプルは、堆積後の変質や再石灰化の影響を受けません（図2a'–i'）。反射率データは、さまざまなサンプルで単峰性分布と多峰性分布の両方を示しています（図2a''–i''）。両方の傾向は、各サンプルで実行された測定数、平均反射率、標準偏差、メインモード、最大反射率値、および 3 つの最大反射率値の平均を報告する図 2 と表 1 に記載されています。メインモードの値とその周囲のデータの分散は、サンプル全体で類似しています (図 2 と表 1)。同じ木材供給源 (ベッドフレームや家の梁など) に属するサンプルからのデータが、単一の周波数ヒストグラムとともに表示されます。結果は 5 つのサンプリングサイトについて説明されています。

炭化した木材片の採取場所の位置と反射率分析結果。 aからiまでの画像は、炭化した木材の破片が収集された場所を示しています（a—コレギウム・アウグスタリウム内の支持梁の画像、b—コレギウム・アウグスタリウム内の炭化したベッドフレームの写真、c—人体の遺体の写真）噴火発生時にベッドの上に横たわっていた；d-デクマヌス・マクシムスのパノラマビュー；e-デクマヌス・マクシムス沿いの炭化した家の梁とS1火山灰堆積物（現場）；f-デクマヌス・マクシムス沿いのS1火山灰堆積物の露頭の特定。 g - 第 3 回カルド・スペリオーレ沿いの店舗/住宅 ABCD の眺め; h - フレームの家とそのフレームの家内で回収された炭化種子の写真の眺め; i - プレ・カルド・スペリオーレ沿いにあるフォルニチの部屋のパノラマ図噴火海岸の海岸線と l - チャンバーの 1 つで見つかった骸骨のグループの写真研磨されたスタブからの反射光の下での木炭サンプルの a' から i' までの顕微鏡写真は、サンプルの石化または変質の欠如を示しています; Ro 対カウントのヒストグラムが示されていますa''–c''、e''–i'' の文字があり、反射率データ分布と Ro 平均、モード、および 3 つの Ro 最大値の平均を表示します。

サンプリングされた木炭のほとんどは 1960 年代に全面的に発掘された遺跡からのもので、当時は火山堆積物の層序が文書化されていませんでした。したがって、一部のサンプルは噴火の層序内で正確に位置を特定することができません。しかし、サンプルは地上の最初の 1 ～ 2 m から収集されたものであり、現場にまだ保存されている層序配列に基づいて、それらは S1 ～ S2 堆積物、そしておそらくは上部のユニットを参照することができます (図 1)。）。次のセクションでは、サンプルが特定の火山ユニットに関連付けられるサイトについてのみ詳しく説明します。

コレギウムアウグスタリウムから採取した 12 個の木炭サンプルに対して 668 個の反射率測定が行われました。7 個のサンプルは、西暦 62 年の地震後の構造物の修復中に使用されていた屋根の支持梁からのもので、西暦 79 年の噴火時に作業が進行中でした (図 2a)。）、ベッドフレームからの4つのサンプル（図2b）、およびベッドに横たわっているのが発見された男性の遺体を覆う灰堆積物からの1つのサンプル（図2c）17（補足資料表S1を参照）。遺体と木製のベッドを覆う火山灰には灰色の軽石礫が豊富に含まれており、これを町で見つかった同様の層序列と比較すると、S2 が最良の帰属であることが示唆されます。支持梁と骨格上の灰堆積物からのサンプルは、それぞれ 2 つと 3 つの主モードを持つ多峰性データ分布 (図 2a''、c'') を示します。分析されたサポートビームのフラグメントは、1.047 (STDEV = 0.365) の平均反射率 (Ro 平均) と、Ro = 0.890 および 1.120 の 2 つの主要モードを示します。 3 つの最大反射率値 (3Ro max) の平均は 2.235 です。男性の体を覆う灰からの炭から、Ro 平均データは 1.370 (STDEV. = 0.326)、3 つの主要モードは Ro = 1.260、1.550、1.750 であると推測されます。 3Ro max の平均は 2.007 です。ベッドフレームからの木炭の断片は、ほぼ単峰性のデータ分布を示しており（図2b'）、Ro平均は0.902（STDEV = 0.159）に相当します。単峰性のデータ分布により、2 つの主要モード 0.830 と 0.950 は Ro 平均値に非常に近くなっています。 3Ro max の平均は 1.354 です。

Decumanus Maximus に沿って収集された木炭の破片 (図 2d) は、コレギウムアウグスタリウムの前にある家の梁 (2 つのサンプル、図 2e) と、地面に直接置かれている保存された層状の細かい灰堆積物 (1 つのサンプル) に属します。、図２ｆ）Ｓ１に起因する。地上からの高さを考慮すると、家の梁は町を埋めた火山礫凝灰岩の層の中に埋まっていたと考えられます（図1のEU3pf2bおよびEU4-8）。家の梁の中心と縁からの破片を分析して、炭化度を比較しました。一方、収集された細かい灰堆積物からは複数の木炭ビットが抽出されました（図1eのS1またはEU2/3pf）。

実行された 136 回の反射率測定の結果は、ハウスビームサンプルの単峰性データ分布を示し、反射率値の範囲は 0.500 ～ 1.350 でした。 Ro 平均値は 0.972 (STDEV = 1.112) に相当し、メインモード値 0.980 は Ro 平均値とほぼ同じです。 3 Ro max の平均は 1.244 です。灰堆積物から回収された炭化した木片について行われた 67 回の反射率測定は、3 つの異なるモードを持つ多峰性分布を示しています。 Ro 平均値は 0.903 (STDEV = 0.418) ですが、識別されたモードは 0.250、1.000、および 1.350 に対応します。 3Ro max の平均は 1.525 です。

ハウスビームのコアとリムに属するサンプル (ERC-54A および ERC-54B 補足材料表 S1) は同じ炭化度を示すことに注意する必要があります。

市の北西側に沿って位置する店舗/住宅 ABCD 内で収集された 9 つの木炭サンプルについて、合計 500 回の反射率測定が実行されました (図 2g)。これらの木炭片は、これらの店舗/住宅の 2 階の床梁に属します (補足材料表 S1)。

4 つの店舗/住宅の反射率データの結果は、単一の頻度ヒストグラムに統合されました (図 2g')。データ分布は、2 つの明確なモードを持つ多峰性の傾向を明確に示しています。 Ro 平均は 0.601 (STDEV = 0.153) に相当し、2 つの特定されたモードは 0.440 と 0.690 に対応します。一方、3 つの Ro 最大値の平均は 0.988 です。

House of the Frame は、カルド II 上部沿いの市の中央に位置しています (図 1b)。まだ未確認の植物に属する炭化した種子が家の中で発見され、子供の白骨遺体に関連していました（図2h）。子供の頭蓋骨とその包含物を満たしている細かい灰の巨視的形態学的分析によって証明されているように、また、その上で実行されたCTスキャンによっても証明されているように、この細かい灰の堆積物は、コレギウム内で男性の白骨遺体が発見されたものと類似しています。オーガスタリウムは、この若い犠牲者が他のヘルクラネウムの住人全員と同様に S1 に到着すると即死したため 16、S2 に飲み込まれ埋葬された可能性があります。 1 つのシードで行われた 50 の反射率測定は、単峰性のデータ分布 (図 2h') を示し、0.550 ～ 0.800 の狭い反射率範囲に集中しています。 Ro 平均は 0.698 (STDEV = 0.052) に相当し、メインモードは 0.750 で、Ro 平均値に非常に近いです。 3Ro max の平均は 0.813 です。

フォルニチ内および噴火前の海岸沿いで収集された 15 個の木炭サンプル (図 2i) は、完全な炭化と部分的な炭化の両方を示しています (補足資料表 S1)。犠牲者の死体が発掘されたS1火山灰堆積物から、焦げた木材サンプルが抽出されました（図1e）。 751 個の反射率測定は、2 つの主要モードを含む多峰性データ分布を示しています。このサイトで決定された Ro 平均値は、他のサンプリングサイトと比べて最も低く、0.436 (STDEV = 0.154) に相当します。特定された 2 つの主なモードは 0.300 と 0.450 ですが、3Ro max の平均は 0.852 です。

さまざまなプラントと加熱プロトコルを使用した熱分解実験により、温度の上昇と木炭の反射率を相関させるいくつかの曲線が得られました 38,39,42,43,44,49,50,55,56。これらの熱分解曲線は同様の傾向を持っていますが、違いが生じます（補足資料テキストS1、図S1、表S2を参照）。炭化された木材の種類と、火砕流に関連して調査された炭化プロセスに基づいて、温度推定値は 55 による曲線を参照します（補足資料表 S2 と図 S2 のフロー図を参照）。

表 1 に、反射率値の温度への変換を示します。分析されたサンプルのほとんどすべてで多峰性分布が表示されるため、Ro 平均ではなく Ro メインモードを各サンプルの最も代表的な反射率値とみなします。さらに、最高熱事象の最低温度の評価には、測定された 3Ro max 値を使用します40。

最高温度は市の北部のコレギウムアウグスタリウムとデクマヌスマキシムス沿いで検出され、木炭の 3Ro max 値は 495 ～ 555 °C の温度範囲を示しています。

市の北部と南西側の両方で認識できる 0.690 ～ 1.260 の Ro モードは、温度が 465 °C から 390 °C に低下していることを示しています (表 1)。

0.250 から 0.450 の範囲の最も低い Ro モードは、デクマヌスマキシムスと店舗/住宅 ABCD で確認されましたが、主にフォルニチと噴火前の海岸沿いで収集された木炭サンプルで確認されました。相対温度の範囲は 315 ～ 350 °C です。表 1 では、温度に変換され、サンプリング場所ごとに整理された反射率値が詳細に報告されています。

表には、ヘルクラネウムで収集された 40 個のサンプルに対して実行された反射率分析から得られた結果がサンプル場所ごとに分けて詳細に報告されています。サンプルソース、データ分布（単峰性または多峰性）、測定されたフラグメントの数（N）、Ro 平均値、標準偏差、Ro モードおよび測定された 3Ro 最大値の平均、および熱分解曲線を使用した相対温度変換が報告されます。

希薄な火砕流密度の流れは、歴史上の数多くの火山現象の際に致命的となってきました。数多くのエピソードにもかかわらず、低濃度 PDC の危険性は依然として過小評価されており、危険性マップでは十分に考慮されていません。 2 によれば、脆弱帯は、関連する基底高濃度火砕流に対して 2 倍に拡張されるはずです。

このような乱流、希薄、高温の火砕流の危険性が十分に考慮されていないのは、人や物体に大きな熱影響を与えるにもかかわらず、その薄くて洗い流されやすい堆積物が層序記録にほとんど保存されていないことにあります。

1991 年に雲仙 7,8,26,59、2010 年にメラピ火山 9,12、2018 年にグアテマラ 60,61、2019 年にニュージーランド 62,63 で発生した最近の火山現象は、希薄化 PDC の危険性について理解を深める必要性を浮き彫りにしています。熱影響の観点から11。

300人以上が死亡した2018年のフエゴ・デ・グアテマラ噴火の場合（残念ながら、独立した評価では最大2900人が死亡したと示唆されている）11,60、低濃度を上回った火山灰雲の急増が谷に閉じ込められた高濃度の流れから切り離され、窒息と窒息により多くの死者を出した。重度の火傷60。一部の犠牲者の遺体は、厚く高濃度の火砕流が蓄積した谷の池から遠く離れた地形の高地で発見され、高温にさらされた結果、攻撃的な態度を示す薄い灰の層で部分的に覆われているだけだった60。したがって、動圧の影響ではなく、高濃度の流れの周囲で剥離した乱流灰雲の高温によって確実に死滅したのです。 1991 年 9 月 15 日に日本の雲仙岳で発生した降灰雲サージの場合も同様で、高濃度の PDC が閉じ込められ続けた、切り込まれた谷を境界とする高起伏で 44 人の死亡者を引き起こしました 7,8。これらの悲劇的な火山現象は、西暦 79 年の最も象徴的なベスビオ火山の噴火と驚くべき類似点を示しています。

犠牲者が被った熱による影響、特に頭蓋骨の爆発と焦げ、脳の蒸発、ひび割れた骨と焦げた骨、ひびの入った歯、四肢の収縮、血中ヘムタンパク質の熱分解14、15、16は、初期の極度の熱分解の発生を示している。以前に推定された約 500 °C の温度よりも高い高温イベント。多くの遺体が拳銃的な姿勢として知られる典型的な死後の姿勢を示すポンペイとは異なり、ヘルクラネウムではそのような死体の姿勢が見られないことは、軟部組織が急速に消失していることを証明している。なぜなら、拳銃的な姿勢は、激しい運動によって誘発された脱水症状と筋肉の短縮によるものであるからである。熱14、16。しかし、これまでヘルクラネウムでは、このような高温初期 PC イベントに対する直接的な対策は行われていませんでした。

木炭の反射率に関する私たちの研究は、ヘルクラネウムに影響を与えた温度低下によるその後の熱事象の発生を初めて記録しました。火砕流層序（図1e）と木炭反射率の多峰性分布によって記録された熱層序を比較することで、都市に影響を与えた一連のPCイベントを再構築できます。

最初の希釈された PDC (著者によると S1 または EU2/3pf) は、コレギウムアウグスタリウムとデクマヌスマキシムスで収集されたサンプルによって記録された 550 °C を超える温度でヘルクラネウムに侵入しました (表 1)。これは、多峰性の木炭の反射率が初期の不完全な炭化を記録しており、完全な平衡に達することができない短期間の事象を証明するものであるため、これは熱事象の最低温度です。実験では通常、一定の温度で少なくとも 24 時間後に到達します。 2×5cmの木片38．

この初期の > 550 °C の現象に続いて、一連の PC が最終的に厚さ 20 m の火山堆積物の下に町を埋めました (図 1e)。これらの後の流れは、同じ木炭サンプル内に複数のモードが存在することで証明されるように、より低い温度によって特徴付けられ、そこからそれぞれ 390 ～ 465 °C および 315 ～ 350 °C の範囲の温度で少なくとも 2 つの炭化イベントが推測されました。これらの後の出来事の低温は、噴火の過程で地下水が徐々に関与したことによって説明できます（マグマ水蒸気相31を参照、図1e）。

初期の 550 °C を超える短期間の希薄 PDC 現象の発生により、地上には薄い灰の層だけが残り、その後、温度は低いがより厚い火砕流堆積物が堆積したため、火山の形成と保存の条件を理解することができます。最近、コレギウム・アウグスタリウムの犠牲者の頭蓋骨内で発見されたガラス化した脳17。高温環境で新鮮な脳組織がガラスに変化するのは、次の 2 つの条件が満たされた場合にのみ可能です。(1) 加熱現象が短時間であり、組織が完全に蒸発しない 15、および (2) 希釈された PDC が一旦蒸発するこれは、ガラス化を達成するために必要な非常に急速な冷却を可能にするために必要な条件です。これにより、S1 は一時的で、非常に高温で、希薄なイベントであり、後続の PC が徐々に侵入して町を覆う前に、まだ部分的に空気にさらされている体の急速な冷却に十分な時間間隔が発生したことが認識できます。これらの後の PC 堆積物の温度が低いことは、ガラス化した脳の保存と、多峰性分布内の高い反射率値の保存を説明します。その後の PC がより高い温度であった場合、ガラス化した脳はガラス転移温度以上に再加熱され、神経細胞の超微細構造が失われ、その代わりに完全に保存されている 32 だけでなく、木炭の破片もより高い単峰性 Ro で完全にリセットされていたであろう。価値観。

S1 灰の温度は、以前は犠牲者の骨格 13,14,15,16 とガラス化した脳 17,64 の両方に対する熱影響によって一般的に推測されていたが、現在ではポリモーダル木炭の高い反射率値によって最低温度 > 550 °C で記録されている。一方、火砕流の残りの部分からの他のすべての古熱データは、町の後の埋葬に関連する通時過程のより低い温度を示しています 34,36,37,65,66。

希薄な PDC は高い空気同伴係数によって特徴付けられます 27,67。したがって、S1 で記録された高温は、噴出口で生成され、ベスビオ斜面に沿って 7 km にわたってサージとして伝播する希薄な流れによって説明することはできません。その代わりに、我々は、1991 年に雲仙で発生したように 17,68、2018 年にフエゴ火山で発生したように、近くの高濃度火砕流から分離した火山灰雲の急増として最初のヘルクラネウム現象について新しい解釈を提案する11。閉じ込められた火山は、空気の巻き込みが非常に限られているため、噴出口から何キロメートルにもわたって非常に高い温度を維持することができます (例:20、21、22)。一方、最優先の火山灰雲も、質量と物質が供給されている限り同様の高温を維持する可能性があります。下からの熱23．しかし、灰雲が基礎的な高濃度流から離れて独立した希薄サージになるとすぐに、火砕物の微細な粒径によって促進される急速な空気の巻き込みと熱交換により、温度は急速に低下します。

ヘルクラネウムは、海面より約 10 ～ 15 メートル高い起伏の上に海岸に面して正面から建てられました (図 1)。したがって、火砕流のより密な部分が閉じ込められていたであろう谷によって北と南が面している可能性が高い地形上に建てられました。そして現在は現代の町の下に埋もれています（図3a、c）。

ヘルクラネウムの S1 火山灰雲サージ入口のシナリオ。 (a) ヴェスヴィオ火山の DTM (20 m) 地図 (Qgis ソフトウェアバージョン 3.18 チューリッヒ)、30 およびヘルクラネウムの位置に基づく S1 地域分布。ヘルクラネウムと噴火前の海岸線（細い赤い線）に到達した、谷に限定された火砕流（濃い赤色の直線矢印）とそれに伴う火山灰雲のサージ（細くて曲がった黒色の矢印）の推定方向。 (b) 火山灰雲の高温 (>> 550 °C) 源として機能した谷限定の高濃度 PC からの火山灰雲剥離の A-A ' 横断方向再構成 (縮尺は一定ではありません)。 (c) T > 550 °C で都市を飲み込む S1 火山灰雲の B-B' 縦断復元図 (縮尺は不正確)、および噴火前の海岸線に沿った海水との相互作用により速度が急速に低下し、温度が低下した (350 –400℃）。

私たちの解釈では、ヘルクラネウムの S1 の最も可能性の高いシナリオは、都市のすぐ近くにある親の高濃度の谷限定火砕流から火山灰の雲が切り離され 2、その結果、火山灰の雲が高温で形成される可能性があるというものです (図 2)。 3a–c)。同様のシナリオがフォゴ A 噴火 (アゾレス諸島) の初期段階で再構築されました 69。

デクマヌス・マクシムスの下流200メートルで市を通過すると、S1火山灰雲が海岸に飛び込み、水辺の部屋（フォルニチ、図1）に飛び込み、そこで避難していた人々を即死させた13。フォルニチで発見された犠牲者の骨で検出された熱の影響 13、14、15、16 は、上流のコレギウムアウグスタリウムとデクマヌスマキシムスで測定された 550 °C を超える灰雲の温度とよく一致します。骨のコラーゲンが散在して保存されているということは、一部の著者が主張するような火山灰雲の上昇が低温であることの証拠ではないようですが33、犠牲者の体と骨が爆撃中にさらされた熱伝達量に関係しているようです。短期間の灰雲イベント。実際、骨格、または単一の骨要素に対する多かれ少なかれ熱の影響は、フォルニチ内の犠牲者の混雑の大小、およびさまざまな部位に存在する肉塊の量と密接に関連していることが示されています。たとえ単一の骨のレベルであっても、解剖学的な領域。しかし、ヘルクラネウムの骨のコラーゲンやその他の有機成分などのタンパク質の残留性は、多かれ少なかれ激しい熱への曝露とは無関係である可能性が最も高いが、犠牲者の人骨がその後発見されるまで埋葬されていた埋葬環境とむしろ相関している可能性がある。約2000年70．ヘルクラネウムでは、突然死と熱による急速な軟組織消失の後、骸骨は永久に浸水したアルカリ性の無酸素土壌に埋葬され70、微生物の攻撃による化学変化を抑制できる環境71,72により、骨内の有機物の長期生存が可能となった。。

フォルニチの木炭によって検出された 325 ～ 350 °C の平均低温 (表 1) は、灰雲と人体および近くの海水の両方との相互作用による急速な熱交換によって説明される可能性があります。成層火山の斜面に沿って移動した後に海に入る火砕流の直接観察 (例: 73,74) は、海水の巻き込みにより火砕流が急速に膨張し冷却することを示しています。この影響は近くのヴィラ・デイ・パピリで記録されており37、マルティニーク島サンピエールを破壊した1902年の降灰4,5やストロンボリ島セッケ・ディ・ラザロの降灰75など、十分に文書化された例と一致している。地形の影響と、沿岸の高波と水の相互作用での海水の巻き込みが、突然の高波の拡大を促進し、さらには冷却され希薄化した高波の上り坂への逆流を促進しました。フォルニチの犠牲者の遺体を埋める堆積物の温度低下のさらなる原因は、軟体組織の蒸発と急速な消失によって生成される大量の水蒸気の直接的な発生源としての遺体そのものである可能性があります。膨大な数の犠牲者が極度の熱にさらされることによって15,16、この環境はおそらく堆積物自体の温度よりも高い温度によって特徴付けられます。

したがって、最初の火山灰雲サージ S1 は非常に短命で、海岸に到達し、フォルニチ山は依然として 500 °C を超え、堆積物はほとんど残らず、そこにいた人々が死亡したと我々は解釈しています 13,14。火山灰雲の急増と海水の相互作用により、急激な膨張とその直後に冷却された火山灰の沈降が引き起こされ、その後、極度の熱によってすでに即死した人々の骨格が埋め込まれました（図3b A-A'プロファイル）。この解釈は、海岸で記録された気温の明らかな不一致と、S1 の厚さの違いを説明します。S1 の厚さは市街地では最大 20 cm であるのに対し、噴火前の海岸沿いでは 50 cm に達します（フォルニチでは最大 150 cm に達します）。から 30)、そこでの堆積は、減速され冷却された水が混合した灰雲によって制御されました。

この研究の結果は、ベスビオ山やおそらく他の場所での火山リスクの軽減に前例のない意味をもたらします。将来の噴火の場合に備えて約 70 万人の完全避難が計画されているベスビオ火山のレッドゾーン 76 は、地質学的記録から導き出された PC 侵入の確率に基づいて設計されました 77。これは確かに達成すべき目標ではあるが、火山活動の混乱の進行により、噴火前に予想される完全な避難に達するのに十分な時間が与えられるかどうかは依然として不確実である78。さらに、谷に沿って限定的に流れ、灰雲の剥離を起こしやすい噴火柱の指向性および部分的崩壊によるプリニー式発火輝石 76 は、レッドゾーン全体を一度に覆う PC からの軸対称のカルデラ形成性着火輝石 79 に関するものである可能性が高くなります 77。これらの前提を考慮すると、噴火前にすべての人々を避難させる必要があるかどうかに関係なく、完全な避難が達成されなかった場合に備えて、火山灰雲のサージによる熱影響から人々を保護できるように、レッドゾーン内の建物を強化する必要があることを提案します。時間。実際、高濃度および高速の PC による高い動圧にさらされたゾーンでは、生存の可能性がほとんどなく、建造物や構造物の崩壊が避けられない一方で、他のゾーンは生存の可能性が極めて低い、短命の分離灰雲の影響を受ける可能性があります。高温の粉塵ガスの侵入を防ぐシェルターの能力に依存します。これにより、早期に避難する機会がなかった人々が生き残って救助を待ったり、他の PC がエリアに影響を与える前に避難したりできる可能性があります。

木炭サンプルの調製と反射率分析は、ローマのローマトレ大学の ALBA 研究所で行われました。サンプルから灰粒子を丁寧に取り除き、エポキシ樹脂と硬化剤の混合物に入れました。 48 時間後、異なるグリットグレード (250、500、1000) のカーボランダム紙で研磨し、続いて粒径を小さくしたアルミナ粉末 (1、0.3、0.1 μm) で研磨しました。サンプルは、タングステンハロゲンランプ (12 V、100 W)、Epiplan-Neofluar 50 × /1.0 油対物レンズを備えた Zeiss Axioskop 40 A pol 顕微鏡光度計システム (MPS システム) を使用し、フィルター付き 546 を使用して油浸下で分析しました。 nm入射光。

反射光度計の校正用の単結晶プリズムは、J&M の MPS 200 システムによる反射率測定を実行する前に使用され、幅広い熱成熟度 (スピネル (Ro = 0.426)、サファイア (Ro) にわたる校正を保証します) = 0.595)、イットリウム-アルミニウム-ガーネット (Ro = 0.905)、およびガドリニウム-ガリウム-ガーネット (Ro = 1.726)。

最大精度と回帰直線 (3 つの標準に基づく) の決定係数 (R2) を 0.99998 以上に維持するために、各サンプルの測定後に機器の校正を繰り返しました。良好な統計的代表性を得るために、各木炭サンプルに対して少なくとも 50 回の反射率測定が実行され、表面が変化していない断片のみが選択されました。

オンライン版には、利用可能な補足資料が含まれています。さらに詳しい情報が必要な場合は、担当著者 AP にお問い合わせください。

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著者らは、ヘルクラネウム考古学公園がこの場所へのアクセスと木材サンプルの収集を許可してくれたことに感謝します。また、木炭の反射率分析に機器を使用していただいたローマトレ大学流域分析学術研究所 (ALBA) にも感謝します。原稿の改善に貢献してくれた匿名の査読者にも感謝します。

この研究は、イタリア MIUR 優秀部門助成金 (ARTICOLO 1、COMMI 314–337 LEGGE 232/2016) によって資金提供されました。著者らは競合する利害関係を宣言していません。

科学部、地質学、University of Roma Tre、Largo S. Leonardo Murialdo 1、00146、ローマ、イタリア

アレッサンドラ・ペンサ、グイド・ジョルダーノ、スヴェヴァ・コラード

ISPRA-イタリア環境保護研究研究所、Via Vitaliano Brancati 48、00144、ローマ、イタリア

アレッサンドラ・シンク

ナポリのフェデリコ 2 世大学、先端生物医科学部、人間骨生物学および法医人類学研究室、Via Pansini 5、80131、ナポリ、イタリア

ピエル・パオロ・ペトローネ

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この原稿は AP および GG によって書かれ、PP、SC、AP および GGAP によって作成された図、表、および補足資料によって議論およびレビューされています。 PP と GG はヘルクラネウム遺跡で木炭サンプルを収集しました。 AP はローマ TRE 大学の ALBA 研究室で木炭の反射率分析を達成しました。 PP は数十年にわたり、ヘルクラネオウムの遺骨調査を調整してきました。

アレッサンドラ・ペンサへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Pensa、A.、Giordano、G.、Corrado、S. 他ベスビオ火山の新たな危険シナリオ: ヘルクラネウムで西暦 79 年に急増する分離火山灰による致命的な熱影響。 Sci Rep 13、5622 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-32623-3

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受信日: 2022 年 11 月 2 日

受理日: 2023 年 3 月 30 日

公開日: 2023 年 4 月 6 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32623-3

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