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2017 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

Project Period (FY) 2013 – 2017
Keywords地殻エネルギー / 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

超臨界地熱資源の開発対象は大きく分けて2つある. 一つは鮮新世から更新世にかけての火山フロントとそこに形成されたカルデラ群であり, もう一つは, 現世の火山前線周辺の有望地域である. 現世の有望地域は, 火山前線とホットフィンガーの交差地点が最も確からしく, 北から, 八甲田地域, 八幡平地域, 栗駒地域, 蔵王地域, および磐梯山地域に分けられる. これらの地域の超臨界地熱資源の類型化を行い, 高温島弧の地熱資源および地熱有望地域を, 即効性(promising), 蓋然性(probability), 可能性(possibility), 発展性(potentiality)という4つの概念を用いて整理, 評価した. この結果, 高温島弧の地熱熱構造と地熱流体解析のデータの解析技術を開発し, 地熱資源と開発可能性の定量的評価方法を提案することができた.
また, 有望地域周辺域での超臨界地熱資源のナチュラルアナログ研究を実施し, 超臨界地熱貯留層の実態を明らかにした. 有望地域では, 本研究課題で開発した熱発光地熱探査方法と他の既存の探査方法のマッチングを行い, 有望地域での熱源の存在と流体の流路形成を具体的に明らかにすることに成功した. また, 地熱流体解析 : 高温高圧の地熱流体には多量の岩石成分(特にシリカ)が溶け込んでおり, 流体からのシリカの析出は, スケール問題を引き起こすとともに, 地下の亀裂や断層を閉塞させ, 抽熱の効率にも大きな影響を与える. 地熱地帯深部のシリカの析出が水理学的特性に与える影響を評価するために, 独自装置により超臨界条件(41O℃, 30 MPa)からのフラッシング(急減圧)による, シリカの析出プロセスについての実験的検討を行い, フラッシングによりシリカの析出が顕著に生じることを実験的に初めて明らかにした. この結果から, 超臨界地熱貯留層と, 不透水層との間でどのような地化学反応が生じているかを具体的に示すことが可能となった.
「フラクチャークラウド創成実験装置」を用いて, 超臨界水環境下におかれた岩石試料の急減圧にともなう岩石内き裂の発生について実験を行った. 500℃から610℃・28から43MPaの実験条件下において, 実験温度が上昇するに伴って空隙率が初期状態の0.5%程度から約3.2%まで増加し, 500℃以上では急減圧破壊により, より空隙率が大きくなる. さらにP波伝播速度も顕著な低下が観察された。特に, 600℃から急減圧を行うと, Vpが水中の伝播速度(1.5km/s)よりも低下した. このことは, 変形が生じて破壊しづらいと考えられていた延性領域でも, 流体との相互作用により岩石がもろく破壊する実験的事実をつかむことができた. また, 急減圧を繰り返す事によるき裂が進展する様子を捉えることに成功した. このことは, 超臨界(延性領域)でも岩石が脆性的振る舞いをし, この性質を利用して, 貯留層の透水率の向上や掘削技術への展開ができることを示している. これらは学術上の大きな発見であり, 超臨界地熱掘削技術への展開が期待できる. これらの実験結果を総合化し, 脆性一脆性延性遷移一延性という従来型の区分方法から, 弾性一塑性領域の区分を行うことを提唱し, その結果, 超臨界地熱環境下でも十分な透水性を維持できることを実験的に明らかにした. これらは学術上の大きな発見であり, 超臨界地熱掘削技術への展開が期待できる. 以上まとめると以下の点が本研究で得られた成果である.
・急減圧により岩石の脆弱化が生じ, 超臨界状態での岩石掘削の可能性が開かれた.
・弾性一塑性領域を具体的に示し, 超臨界状態でも十分な透水性が維持できることを示した.
・フラッシング(急減圧)により, シリカの析出が生じる事を明らかにし, 超臨界状態でのシリカ不透水層の形成プロセスを明らかにした.

  • Research Products

    (57 results)

All 2018 2017 Other

All Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 5 results) Presentation (50 results) (of which Int'l Joint Research: 20 results) Remarks (1 results) Funded Workshop (1 results)

  • [Journal Article] Factors Controlling the Fractionation and Seasonal Mobility Variations of Ga and In in Systems Impacted by Acidic Thermal Waters : Effects of Thermodynamics and Bacterial Activity2018

    • Author(s)
      Yasumasa Ogawa, Daizo Ishiyama, Naotatsu Shikazono, Koichi Suto, Chihiro Inoue, Noriyoshi Tsuchiya, Bernhardt Saini-Eidukat, Scott A Wood
    • Journal Title

      Aquatic Geochemistry

      Volume: 24 Pages: 5-25

    • DOI

      10.1007/s10498-018-9328-z

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] 仙台市西部白沢カルデラ堆積物中の石英の熱発光挙動と地熱探査2017

    • Author(s)
      齋藤 遼一, 平野 伸夫, 山田 亮一, 土屋 範芳
    • Journal Title

      日本地熱学会誌

      Volume: 39 Pages: 101-110

    • DOI

      10.11367/grsj.39.101

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Hydraulic fracturing and permeability enhancement in granite from subcritical/brittle to supercritical/ductile conditions2017

    • Author(s)
      Noriaki Watanabe, Motoki Egawa, Kiyotoshi Sakaguchi, Takuya Ishibashi, Noriyoshi Tsuchiya
    • Journal Title

      Geophysical Research Letters

      Volume: 44 Pages: 5468-5475

    • DOI

      10.1002/2017GL073898

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Excess water generation during reaction-inducing intrusion of granitic melts into ultramafic rocks at crustal P-T conditions in the Sor Rondane Mountains of East Antarctica2017

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

      Lithos

      Volume: 284-285 Pages: 625-641

    • DOI

      10.1016/j.lithos.2017.04.016

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Fluid Pocket Generation in Response to Heterogeneous Reactivity of a Rock Fracture Under Hydrothermal Conditions2017

    • Author(s)
      A Okamoto, H Tanaka, N Watanabe, H Saishu, N Tsuchiya
    • Journal Title

      Geophysical Research Letters

      Volume: 44 Pages: 10306-10315

    • DOI

      10.1002/2017GL075476

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Depth profile of “Okama” crater lake of Mt. Zao2018

    • Author(s)
      Hirano, N., Goto, A., Tsuchiya, N., Matsunaka, T., Kuri, M.
    • Organizer
      15th International Workshop on WATER DYNAMICS Deeper and Hotter in Frontier Earth
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Geochemistry of Mt. Zao, Maruyamazawa and Okama (crater lake)2018

    • Author(s)
      Kengo Sawayama, Masahiro Oba, Norihiro Hosoda, Takahiro Watanabe, Nobuhiro Hirano, Noriyoshi Tsuchiya
    • Organizer
      15th International Workshop on WATER DYNAMICS Deeper and Hotter in Frontier Earth
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Supercritical Geothermal Reservoir -Scientific and Engineered Perspective2018

    • Author(s)
      Noriyoshi Tsuchiya
    • Organizer
      15th International Workshop on WATER DYNAMICS Deeper and Hotter in Frontier Earth
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Some unsolved problems on supercritical water-rock interaction2018

    • Author(s)
      Atsushi Okamoto
    • Organizer
      15th International Workshop on WATER DYNAMICS Deeper and Hotter in Frontier Earth
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Budget of slab-derived water in arc crust : Constraints from meltcrust reaction zones and fossil caldera differentiation processes2018

    • Author(s)
      Masaoki Uno, Noriyoshi Tsuchiya
    • Organizer
      15th International Workshop on WATER DYNAMICS Deeper and Hotter in Frontier Earth
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Infiltration of high Cl fluids in the middle to lower crust2018

    • Author(s)
      Fumiko Higashino, Tetsuo Kawakami, Noriyoshi Tsuchiya, Masahiro Ishikawa, Satish-Kumar, M., Geoffrey H. Grantham
    • Organizer
      15th International Workshop on WATER DYNAMICS Deeper and Hotter in Frontier Earth
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Utilization of geothermal hot spring water for hydrogen production and its storage case study : Tamagawa and Zao hot spring water2018

    • Author(s)
      Vani Novita Alviani, Masaoki Uno, Masahiro Oba, Nobuo Hirano, Noriaki Watanabe, Noriyoshi Tsuchiya, and Hanae Saishu
    • Organizer
      15th International Workshop on WATER DYNAMICS Deeper and Hotter in Frontier Earth
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Mantle Wedge Metasomatism Deduced by Orthopyroxene Alteration from the Khantaishir Ophiolite, Western Mongolia2018

    • Author(s)
      Otgonbayar DANDAR, Atsushi OKAMOTO, Masaoki UNO, Noriyoshi TSUCHIYA
    • Organizer
      15th International Workshop on WATER DYNAMICS Deeper and Hotter in Frontier Earth
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Rate of silica transport and serpentinization in the 01-Qtz-H20 system.2018

    • Author(s)
      Ryosuke Oyanagi, Atsushi Okamoto, Noriyoshi Tsuchiya
    • Organizer
      15th International Workshop on WATER DYNAMICS Deeper and Hotter in Frontier Earth
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Deep Geothermal Reservoir Evaluation using Melt Inclusion analysis in Fukano Caldera, NE Japan2018

    • Author(s)
      Fajar Febiani Amanda, Ryoichi Yamada, Masaoki Uno, Noriyoshi Tsuchiya
    • Organizer
      15th International Workshop on WATER DYNAMICS Deeper and Hotter in Frontier Earth
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Time scales of Cl-bearing fluid infiltration and permeability estimated by reactive transport modeling for ranulite/amphibolite-hosted reaction zones, southern Sor Rondane Mountains, East Antarctica2018

    • Author(s)
      Diana Mindaleval, Masaoki Uno, Fumiko Higashino, Takayoshi Nagaya, Ryosuke Oyanagi, Atsushi Okamoto, Noriyoshi Tsuchiya
    • Organizer
      15th International Workshop on WATER DYNAMICS Deeper and Hotter in Frontier Earth
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Geothermal reservoir evaluation by using, governing equation of the system and thermoluminescence geoprocessing data as a coupled methodology2018

    • Author(s)
      Amaya A., Saito R., Hirano N., Tsuchiya N.
    • Organizer
      15th International Workshop on WATER DYNAMICS Deeper and Hotter in Frontier Earth
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Fluids transport and magma-driven metamorphism related to Granitic Pegmatite Complex in Kinka-san Island, NE Japan2018

    • Author(s)
      Astin Nurdiana, A. Okamoto, M. Uno, N. Tsuchiya
    • Organizer
      15th International Workshop on WATER DYNAMICS Deeper and Hotter in Frontier Earth
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Petrochemical of proterozoic to late paleozoic period magmatic rocks of the Mandah area in southeast Mongolia2018

    • Author(s)
      Undarmaa Batsaikhan
    • Organizer
      15th International Workshop on WATER DYNAMICS Deeper and Hotter in Frontier Earth
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Secondary Olivine Formation after Orthopyroxene in the Khantashir Ophiolite2018

    • Author(s)
      ダンダル オトゴンバヤル
    • Organizer
      変成岩などシンポジウム2018
  • [Presentation] 東南極セールロンダーネ山地, グラニュライト・角閃石相中の塩水反応帯における流体流入の時間スケールと透水係数2018

    • Author(s)
      ミンダリョワ ディアナ
    • Organizer
      変成岩などシンポジウム2018
  • [Presentation] 高温変成岩に見られるザクロ石の酸素同位体ゾーニング2018

    • Author(s)
      東野 文子
    • Organizer
      変成岩などシンポジウム2018
  • [Presentation] 貫入岩体からの超臨界水の発生と移動 : 東北日本鉱山のペグマタイト脈からの考察2018

    • Author(s)
      アスティン ヌルディアナ
    • Organizer
      変成岩などシンポジウム2018
  • [Presentation] 地質情報と物理探査情報の接点-仙台市西部白沢カルデラの地熱資源探査-2017

    • Author(s)
      土屋範芳, 宇野正起
    • Organizer
      資源・素材学会 平成29(2017)年度 春季大会
  • [Presentation] 地熱開発の社会受容性の分析のためのエージェントベースモデルの変数解析2017

    • Author(s)
      増田俊太郎, Bahr Kyle, 土屋範芳
    • Organizer
      資源・素材学会 平成29(2017)年度 春季大会
  • [Presentation] Fundamental study of flush fracturing of high temperature controlled by depressure rate2017

    • Author(s)
      高木 健太、平野 伸夫、土屋 範芳
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合 連合大会2017
  • [Presentation] 「島弧地殻エネルギー」-科研費新学術領域研究への申請に向けて-2017

    • Author(s)
      土屋 範芳、小川 康雄、浅沼 宏
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合 連合大会2017
  • [Presentation] Si-metasomatism during sea floor serpentinization and estimation of its kinetic parameters2017

    • Author(s)
      大柳 良介、岡本 敦、土屋 範芳
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合 連合大会2017
  • [Presentation] Molecular dynamics simulation to reveal slip and lubrication behaviors of interfacial water on quartz at high temperature conditions2017

    • Author(s)
      石川 慧、佐久間 博、土屋 範芳
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合 連合大会2017
  • [Presentation] Molecular simulation of density fluctuation of H20 and H20-NaCl solutions under supercritical conditions2017

    • Author(s)
      石川 慧、佐藤 一真、平野 伸夫、土屋 範芳
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合 連合大会2017
  • [Presentation] Formation of mineralized quartz veins induced by flash evaporation from liquid to vapor under sub and supercritical conditions2017

    • Author(s)
      天谷 宇志、岡本 敦、土屋 範芳、平野 伸夫
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合 連合大会2017
  • [Presentation] Slip characteristic of rock fracture in brittle-ductile zone2017

    • Author(s)
      武山 詳、渡邉 則昭、坂口 清敏、土屋 範芳
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合 連合大会2017
  • [Presentation] 岩石-水反応に伴う反応誘起応力・歪の支配要因とそのモデル化 : CaS04-H20系における実験的研究2017

    • Author(s)
      宇野 正起、岡本 敦、土屋 範芳
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合 連合大会2017
  • [Presentation] Unraveling the oceanic serpentinization reaction from aluminum-zoning in mesh textures2017

    • Author(s)
      大柳 良介、岡本 敦、針金 由美子、土屋 範芳
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合 連合大会2017
  • [Presentation] Localization of magnetite from Fe-rich brucite induced by pH changes during serpentinization2017

    • Author(s)
      本間 広大、岡本 敦、大柳 良介、宇野 正起、藤井 昌和、平野 伸夫、土屋 範芳
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合 連合大会2017
  • [Presentation] 超臨界地熱資源に関わる探査データの統合化2017

    • Author(s)
      土屋範芳, 山田亮一
    • Organizer
      資源・素材&EARTH 2017
  • [Presentation] Potential Candidates of Supercritical Geothermal Reservoir2017

    • Author(s)
      Noriyoshi Tsuchiya
    • Organizer
      41 GRC Annual Meeting &GEA GeoExpo+
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Agent-Based Model Coupled with Bayesian Estimation for Evaluation of Social Acceptance of Geothermal Development2017

    • Author(s)
      Kyle Bahr, Shuntaro Masuda, Hanae Saishu, Hiromi Kubota, Noriyoshi Tsuchiya
    • Organizer
      41 GRC Annual Meeting &GEA GeoExpo+
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Fundamental Study of Flash Fracturing in High Temperatures Controlled by Depressure Rate2017

    • Author(s)
      Kenta Takagi, Nobuo Hirano, Noriyoshi Tsuchiya
    • Organizer
      41 GRC Annual Meeting &GEA GeoExpo+
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Pressure Solution and Permeability Evolution in Fractured Granite at Elastic and Plastic Deformation Regimes2017

    • Author(s)
      Kohei Saito, Noriaki Watanabe, Atsushi Okamoto, Noriyoshi Tsuchiya, Takuya Ishibashi, Hanae Saishu
    • Organizer
      41 GRC Annual Meeting &GEA GeoExpo+
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 地熱利用のための新たな熱量センサとしての熱ルミネッセンスのカイネティックモデルの開発2017

    • Author(s)
      アマヤアルバロ・齋藤遼一・平野伸夫・土屋範芳
    • Organizer
      日本地熱学会 平成29年函館大会
  • [Presentation] 岩手県葛根田地熱地域の地表および地熱井における石英の熱発光2017

    • Author(s)
      齋藤遼一・アルバロアマヤ・平野伸夫・土屋範芳・宍倉美里・杉本健・赤塚貴史・梶原竜哉
    • Organizer
      日本地熱学会 平成29年函館大会
  • [Presentation] 温泉を用いた水素の生成と貯蔵の総合システム2017

    • Author(s)
      バニ ノビタ A.・宇野 正起・渡邉 則昭・平野 伸夫・土屋 範芳・最首 花恵
    • Organizer
      日本地熱学会 平成29年函館大会
  • [Presentation] 貫入岩体からの超臨界水の発生と移動 : 東北日本鉱山のペグマタイト脈からの考察2017

    • Author(s)
      アスティン ヌルディアナ・岡本 敦・宇野 正起・土屋 範芳
    • Organizer
      日本地熱学会 平成29年函館大会
  • [Presentation] メルト包有物を用いた仙台市西部における深部地熱貯留層とマグマプロセスの評価2017

    • Author(s)
      アマンダ F. F.・山田亮一・宇野正起・土屋範芳
    • Organizer
      日本地熱学会 平成29年函館大会
  • [Presentation] 超臨界地熱貯留層と超臨界珪化作用2017

    • Author(s)
      清水正太・土屋範芳・山田亮一
    • Organizer
      日本地熱学会 平成29年函館大会
  • [Presentation] エルサルバドルとの地熱共同研究2017

    • Author(s)
      土屋範芳
    • Organizer
      日本地熱学会 平成29年函館大会
  • [Presentation] 分子動力学による石英界面水の特異性の評価とき裂すべり2017

    • Author(s)
      石川 慧・土屋 範芳
    • Organizer
      日本地熱学会 平成29年函館大会
  • [Presentation] 水熱条件下の花崗岩亀裂の不均質な反応性に起因した流体だまりの形成2017

    • Author(s)
      岡本敦・田中寛人・渡邉則昭・最首花恵・土屋範芳
    • Organizer
      日本地熱学会 平成29年函館大会
  • [Presentation] 地熱開発の社会的受容性の評価のためのベイジアンネットワークを用いたエージェント ベースモデリング2017

    • Author(s)
      増田 俊太郎・カエル バール・土屋 範芳
    • Organizer
      日本地熱学会 平成29年函館大会
  • [Presentation] 分光計測による多成分流体の臨界点計測と超臨界流体の密度ゆらぎの分子動力学的評価2017

    • Author(s)
      大島 悠太・佐藤 一真・平野 伸夫・土屋 範芳
    • Organizer
      日本地熱学会 平成29年函館大会
  • [Presentation] 超臨界および亜臨界状態での減圧岩石破砕2017

    • Author(s)
      高木 健太・平野 伸夫・土屋 範芳
    • Organizer
      日本地熱学会 平成29年函館大会
  • [Presentation] 超臨界珪化作用2017

    • Author(s)
      土屋範芳、清水正太、山田亮一
    • Organizer
      資源地質学会第67回年会学術講演会
  • [Presentation] Geological Model of Supercritical Geothermal Reservoir on the Top of the Magma Chamber2017

    • Author(s)
      Noriyoshi Tsuchiya
    • Organizer
      AGU FALL MEETING
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Geological model of supercritical geothermal reservoir related to subduction system2017

    • Author(s)
      Noriyoshi Tsuchiya
    • Organizer
      EGU 2017
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] 土屋研究室ホームページ

    • URL

      http://geo.kankyo.tohoku.ac.jp/gmel/

  • [Funded Workshop] 15th International Workshop on WATER DYNAMICS Deeper and Hotter in Frontier Earth2018

URL: 

Published: 2019-03-20  

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