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2014 Fiscal Year Annual Research Report

地殻エネルギー・フロンティアの科学と技術

Research Project

Project/Area Number 25000009
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

土屋 範芳  東北大学, 大学院環境科学研究科, 教授 (40207410)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 浅沼 宏  独立行政法人産業技術総合研究所, 再生可能エネルギー研究センター, 地熱チーム長 (50250717)
岡本 敦  東北大学, 大学院環境科学研究科, 准教授 (40422092)
坂口 清敏  東北大学, 大学院環境科学研究科, 准教授 (50261590)
渡邉 則昭  東北大学, 大学院環境科学研究科, 准教授 (60466539)
平野 伸夫  東北大学, 大学院環境科学研究科, 助教 (80344688)
Project Period (FY) 2013-04-26 – 2018-03-31
Keywords地熱エネルギー / 再生可能エネルギー / 超臨界流体 / 脆性破壊 / 脆性延性遷移領域 / 地熱貯留層 / 岩石-水相互作用 / 貯留層シミュレーター
Outline of Annual Research Achievements

1 高温島弧の地熱熱構造と地熱流体解析
花崗岩-斑岩とその上部に発達するき裂系と鉱化帯を野外観察し, さまざまな鉱物充填脈の形成条件を検討して, 脆性領域よりも高い温度環境でき裂が発生し, 鉱物充填脈が生じることを明らかにした. 野外観察と岩石学的解析に基づくナチュラルアナログ研究の結果. 温度圧力の高い岩石圧領域でも, 脆性破壊が生じ, また地殻自体も加水作用が生じている. 東北地方では, 花崗岩-斑岩システムは深度2-4km付近で定置し, その深度まで熱源が上がってくることが岩石学的検討から明らかとなった. さらに, 中部から上部地殻の環境下で, 脆性破壊が生じ, 地殻に流体が付加され, この流体が上部流体と連結することにより, 地殻自体の水理構造が形成されることを系統的に示した. シリカの溶解度も大きく変動し, 地熱地域のような地温勾配が非常に大きい地帯では, 350℃から430℃の領域では, シリカの溶解度は極大と極小をもつことを明らかにして, 地殻は, 地球化学的に不透水ゾーンと透水ゾーンに区分されることを示した.
2 延性領域掘削の基礎技術の開発
鉱物ならびに流体の急激な相変化を伴う岩石破壊を実験的に再現し, その条件を明確化するために, 水熱実験により, 岩石(石英)の破壊実験を行った. この実験により, 岩石は, 流体の相変化だけで破壊に至ることを示すことに成功し, さらに応力シミュレータを使った計算機解析でもその現象を定量的に示すことができた. また, X線CTを用いて, 熱応力で形成したき裂の分布を計測することが可能となった.
3 き裂型貯留層の多相流動シミュレータの開発
岩石き裂内の二相流シミュレータを開発した. これを用いて, き裂型貯留層の流体流動の相対浸透率曲線の新玉モデルを提案することに成功した.
このほかWater Dynamics国際ワークショップを開催し, 地熱エネルギーのフロンティアに関する情報発信を続けている.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究項目1~3まではほぼ予定通りに進行し, あわせて, 4 ICDP-JBBPサポート(国際プロジェクトのサポート)は, 第12回国際ワークショップWATER DYNAMICSを開催し, JBBP(Japan Beyond Brittle Project)に関する情報発信を続けている. また, 5 既存地熱のEGSの新展開についても学会発表等を通じて研究成果の公表が行われている. 新装置(UNIT-I : フラクチャー・クラウド創成基礎実験装置)も製作が完了した. この装置は, 「2 延性領域掘削の基礎技術の開発」を実験的に解明する装置で, 岩石試料内に模擬ボアホールを作り, ここに熱水を注入し, さらにこの熱水の急減圧により相変化(沸騰)を生じさせて, き裂の形成と進展現象を解明する装置であり, き裂の形成と進展は, 弾性波により計測するものとした. 弾性波伝播速度の計測も可能となり, 相変化にともなう岩石の破壊現象を実験的に起こして, そのプロセスを弾性波計測によりモニターすることが可能となった. UNIT-II試験器の設計のための予備実験も終了し, 高温樹脂でシールした全く新しいタイプの高温高圧下流動実験装置の設計が終了し, 製作段階にいたることができた. この予備実験装置を使って, 地殻の透水性の変化を実験的にとらえることに初めて成功した. この結果により, Beyond Brittleの具体的イメージを描くことが可能となり, 岩石の透水性の変化の温度圧力条件を明示的に示すことができるようになった.

Strategy for Future Research Activity

1 高温島弧の地熱熱構造と地熱流体解析
地殻中部から表層部までの, 地殻横断面について流体の存在形態と温度・圧力環境を解析し, 超臨界から亜臨界にかけての環境下での, 鉱物充填脈の形成, 鉱物組織の解析と流体環境の推定ならびに, 流体流動様式についての解析を実験とフィールド調査により研究を進める. フィールド調査は, 地殻下部から中部域のモデルとして, 東南極セール・ロンダーネ山地, モンゴル西部のツェール地域ならびにアルタイ ハンタイシル オフィオライト(現地調査), 島弧地殻の中部から上部域のモデルフィールドとして, 東北日本の花崗岩類分布域(田沢湖北西部)ならびに北アルプス滝谷花崗閃緑岩体分布域を選定する. 田沢湖北西部域は, 斑岩銅鉱床のナチュラルアナログ地域としても有望であり, H27年度の引き続き地質調査を実施する. 花崗岩マグマの形成, 黒色ガラス質鉱物脈, 石英脈ならびに熱水角レキ脈などの多様な流体と岩石の相互作用に関しての観察が可能であり, 急激な相変化を伴う岩石破壊(Flash Vaporization, 熱水角レキ脈)によって, 静水圧(Hydrostatic環境)へ移行する超臨界地熱貯留層から亜臨界領域への遷移を観察することができるであろう.
2 延性領域掘削の基礎技術の開発
急激な相変化を伴う岩石破壊(Flash Vaporization, 熱水角レキ脈)を実験的に再現し, その条件を明確化するために, 水熱実験により, 岩石(石英)の破壊実験を行い, この現象における熱応力破壊の数値シミュレーションコードを開発して, 流体存在下においては, 流体の相変化による岩石(地殻)の破壊が生じ, このことを利用して延性領域の掘削技術や地殻の透水性の改善に応用できる可能性を実験と数値計算を含む多面的な検討を行う. き裂の進展と岩石の破壊現象については, X線CTを用いて, 熱応力で形成したき裂の分布様式を高精度でマッピングして, 数値計算との比較検討を試みる. また, 新装置(UNIT-I&UNIT-II : フラクチャー・クラウド創成基礎実験装置, 封圧下流体流動装置)の設計と製作を進めて, 流体の減圧に伴う相変化と岩石の破壊とき裂進展の実験的検証を行い, 実際の掘削プロセスでの技術導入の方向性を明らかにする. 新装置(UNIT-III : 軸圧を制御した流体流動解析の基礎実験装置)開発し, 高温かつ封圧下での流体流動を実験的に解明して, 貯留層シミュレーター開発の基礎パラメーターを取得することとする.
3 き裂型貯留層の多相流動シミュレータの開発
岩石き裂内の流体流動はチャネリングフローであり, 3次元のチャネリングフロー・シミュレータを開発する, き裂型地熱貯留層シミュレータの機能としては, 3Dき裂分布, き裂内流動, 不均質流(気液2相流)を具備する必要がある. き裂型地熱貯留層の3D貯留層シミュレータを開発し, 実験結果とのマッチングを検討し, 拡張性の高い貯留層シミュレータの開発を行う.
4 ICDP-JBBPサポート(国際プロジェクトのサポート)
延性領域の地熱資源の実態と利用を目指した新たな陸上掘削計画(JBBP : Japan Beyond Brittle Project)を提案し, この提案は, ICDPのプロジェクトのひとつとしてワークショップ開催が認められた. この掘削を成功させるためには, 地下の延性領域の実態を十分に理解をしておく必要がある. ICDP-JBBPの室内実験サポートを行い, ICDP本申請に向けた科学的サポートを推進する. 第13回International Workshop on Water Dynamicsを主催する(平成28年3月開催予定). また, 島弧日本の新エネルギー開発に寄与する実験データを提供する.
5 既存地熱のEGSの新展開
既存地熱貯留層の可採量を増大させるために熱応力き裂により, 流体流動特性の性能向上を図り, 貯留層の透水性やき裂のコネクティビティの向上技術へ展開する.

  • Research Products

    (29 results)

All 2014

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 5 results) Presentation (23 results)

  • [Journal Article] 偏光光学方式のEDXRFによる火成岩全岩化学組成分析Major and trace element analyses of igneous rocks by polarizing energy dispersive X-ray fluorescence spectrometry2014

    • Author(s)
      宮崎敏雄, 山崎慎一, 土屋範芳, 奥村聡, 山田亮一, 中村美千彦, 長橋良隆, 吉田武義
    • Journal Title

      岩石鉱物科学

      Volume: 43 Pages: 47-53

    • DOI

      10.2465/gkk.131224

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] The significance of silica precipitation on the formation of the permeable-impermeable boundary within Earth's crust2014

    • Author(s)
      Hanae Saishu, Atsushi Okamoto and Noriyoshi Tsuchiya
    • Journal Title

      Terra Nova

      Volume: 26 Pages: 253-259

    • DOI

      10.1111/ter.12093

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Magmatic-Hydrothermal Activity in the Shuteen Area, South Mongolia2014

    • Author(s)
      Bayaraa Batkhishig, Tsuchiya Noriyoshi, and Greg Bignall
    • Journal Title

      Economic Geology

      Volume: 109 Pages: 1929-1942

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Millimeter- to decimeter-scale compositional mapping using a scanning X-ray analytical microscope and its application to a reaction zone in high-grade metamorphic roc2014

    • Author(s)
      Masaoki Uno, Atsushi Okamoto and Noriyoshi Tsuchiya
    • Journal Title

      Journal of Mineralogical and Petrological Sciences

      Volume: 109 Pages: 271-278

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Beyond-laboratory-scale prediction for channeling flows through subsurface rock fractures with heterogeneous aperture distributions revealed by laboratory evaluation2014

    • Author(s)
      Takuya Ishibashi, Noriaki Watanabe, Nobuo Hirano, Atsushi Okamoto and Noriyoshi Tsuchiya
    • Journal Title

      J. Geophysical Research : Solid Earth

      Volume: 120 Pages: 106-124

    • DOI

      10.1002/2014JB011555

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 大深度地熱貯留層2014

    • Author(s)
      土屋範芳
    • Journal Title

      配管技術

      Volume: 57 Pages: 11-15

  • [Presentation] 超臨界地熱貯留層のナチュラルアナログとしての花崗岩-斑岩システム2014

    • Author(s)
      土屋範芳、山田亮一、宇野正起
    • Organizer
      日本地熱学会
    • Place of Presentation
      弘前大学創立50周年記念会館(青森県弘前市)
    • Year and Date
      2014-10-29
  • [Presentation] 熱水実験による多形シリカ鉱物析出反応速度の導出2014

    • Author(s)
      最首英恵、岡本敦、土屋範芳
    • Organizer
      日本地熱学会
    • Place of Presentation
      弘前大学創立50周年記念会館(青森県弘前市)
    • Year and Date
      2014-10-29
  • [Presentation] 実験及び数値モデリングによる地下き裂内の水蒸気-水二相流動特性の解明2014

    • Author(s)
      菊池拓馬、渡邉則昭、土屋範芳、石橋琢也
    • Organizer
      日本地熱学会
    • Place of Presentation
      弘前大学創立50周年記念会館(青森県弘前市)
    • Year and Date
      2014-10-29
  • [Presentation] 400℃までの高圧熱水環境からの急減圧に伴う鉱物き裂生成の検討2014

    • Author(s)
      笠原尚也、平野伸夫、渡邉則昭、土屋範芳
    • Organizer
      日本地熱学会
    • Place of Presentation
      弘前大学創立50周年記念会館(青森県弘前市)
    • Year and Date
      2014-10-29
  • [Presentation] 高温高圧熱水環境下での減圧沸騰による岩石破壊現象の実験的検討2014

    • Author(s)
      平野伸夫、青島聡、笠原尚也、岡本敦、土屋範芳
    • Organizer
      日本地熱学会
    • Place of Presentation
      弘前大学創立50周年記念会館(青森県弘前市)
    • Year and Date
      2014-10-29
  • [Presentation] 温泉水を用いたアルミニウム廃棄物からの水素製造の可能性2014

    • Author(s)
      小坂拓也、最首花恵、渡邉則昭、浅沼宏、土屋範芳
    • Organizer
      日本地熱学会
    • Place of Presentation
      弘前大学創立50周年記念会館(青森県弘前市)
    • Year and Date
      2014-10-29
  • [Presentation] 鉱物及び流体の相変化に伴う岩石破壊に関する実験的研究2014

    • Author(s)
      青島聡、平野伸夫、渡邉則昭、土屋範芳
    • Organizer
      日本地熱学会
    • Place of Presentation
      弘前大学創立50周年記念会館(青森県弘前市)
    • Year and Date
      2014-10-29
  • [Presentation] Relative permeability curves for gas-liquid two-phase flows through rock fractures2014

    • Author(s)
      Takuma Kikuchi, Noriaki Watanabe, Keisuke Sakurai, Takuya Ishibashi, Noriyoshi Tsuchiya
    • Organizer
      The 20th Formation Evaluation Symposium of Japan
    • Place of Presentation
      Technology & Research Center(千葉千葉市)
    • Year and Date
      2014-10-01
  • [Presentation] 東南極, 地殻―メルト吸水反応帯から制約される 島弧地殻への流体供給プロセス2014

    • Author(s)
      宇野正起, 岡本敦, 土屋範芳
    • Organizer
      日本鉱物科学会
    • Place of Presentation
      熊本大学黒髪北キャンパス(熊本熊本市)
    • Year and Date
      2014-09-17
  • [Presentation] 地殻流体からのシリカ析出によるき裂閉塞 : 水熱実験とモデリングからの考察2014

    • Author(s)
      山田稜、岡本敦、最首花恵、中村美千彦、奥村聡、佐々木理、土屋範芳
    • Organizer
      日本鉱物科学会
    • Place of Presentation
      熊本大学黒髪北キャンパス(熊本熊本市)
    • Year and Date
      2014-09-17
  • [Presentation] 石英表面で構造化した水の赤外分光計測と分子動力学的評価2014

    • Author(s)
      石川慧、佐久間博、土屋範芳
    • Organizer
      日本鉱物科学会
    • Place of Presentation
      熊本大学黒髪北キャンパス(熊本熊本市)
    • Year and Date
      2014-09-17
  • [Presentation] 仙台平野の歴史津波堆積物の年代測定と地球化学的判別手法の開発2014

    • Author(s)
      細田憲弘、渡邊隆広、中村俊夫、土屋範芳
    • Organizer
      日本地質学会
    • Place of Presentation
      鹿児島大学郡元キャンパス(鹿児島県鹿児島市)
    • Year and Date
      2014-09-14
  • [Presentation] かんらん石-斜長石-水系における蛇紋岩化作用の進行と物質移動2014

    • Author(s)
      大柳良介、岡本敦、土屋範芳
    • Organizer
      日本地質学会
    • Place of Presentation
      鹿児島大学郡元キャンパス(鹿児島県鹿児島市)
    • Year and Date
      2014-09-14
  • [Presentation] POSSIBILITY OF HYDROGEN PRODUCTION FROM ALUMINUM WASTES USING LOW TEMPERATURE GEOTHERMAL RESOURCES2014

    • Author(s)
      小坂拓也、土屋範芳
    • Organizer
      再生可能エネルギー2014国際学会
    • Place of Presentation
      東京ビッグサイト(東京江東区)
    • Year and Date
      2014-07-27 – 2014-08-01
  • [Presentation] 地殻におけるシリカ析出の反応速度2014

    • Author(s)
      最首花恵, 岡本敦, 土屋範芳
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合大会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜会議センター(神奈川横浜市)
    • Year and Date
      2014-04-28 – 2014-05-02
  • [Presentation] 四万十帯・室戸地域におけるCO2流体の広域的分布・鉱物脈中の変化2014

    • Author(s)
      武者倫正, 土屋範芳, 岡本敦
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合大会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜会議センター(神奈川横浜市)
    • Year and Date
      2014-04-28 – 2014-05-02
  • [Presentation] かんらん石-石英境界における熱水変質の反応進行度と空隙率変化2014

    • Author(s)
      大柳良介, 岡本敦, 土屋範芳
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合大会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜会議センター(神奈川横浜市)
    • Year and Date
      2014-04-28 – 2014-05-02
  • [Presentation] 水熱実験からみるマントル-地殻境界における物質移動と蛇紋岩化作用のカッブリング2014

    • Author(s)
      岡本敦, 大柳良介, 土屋範芳
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合大会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜会議センター(神奈川横浜市)
    • Year and Date
      2014-04-28 – 2014-05-02
  • [Presentation] 石英脈形成に伴うき裂間隙構造の発達2014

    • Author(s)
      山田稜, 岡本敦, 最首花恵, 中村美千彦, 奥村聡, 佐々木理, 土屋範芳
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合大会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜会議センター(神奈川横浜市)
    • Year and Date
      2014-04-28 – 2014-05-02
  • [Presentation] 地殻エネルギーフロンティアの科学と技術2014

    • Author(s)
      土屋範芳
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合大会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜会議センター(神奈川横浜市)
    • Year and Date
      2014-04-28 – 2014-05-02
  • [Presentation] 水の減圧沸騰環境下における岩石の破壊現象2014

    • Author(s)
      平野伸夫, 青島聡, 笠原尚也, 岡本敦, 渡邉則昭, 土屋範芳
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合大会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜会議センター(神奈川横浜市)
    • Year and Date
      2014-04-28 – 2014-05-02
  • [Presentation] 脆性破壊による地殻の含水化 : 東南極セールロンダーネ山地の例2014

    • Author(s)
      宇野正起, 岡本敦, 土屋範芳
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合大会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜会議センター(神奈川横浜市)
    • Year and Date
      2014-04-28 – 2014-05-02
  • [Presentation] シリカ鉱物析出による地殻の透水-不透水境界の形成2014

    • Author(s)
      最首花恵, 岡本敦, 土屋範芳
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合大会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜会議センター(神奈川横浜市)
    • Year and Date
      2014-04-28 – 2014-05-02

URL: 

Published: 2016-06-01  

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