| 研究実績の概要 |
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具体的な温度圧力条件を解明した. 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, その環境で熱水勇気割れが生じている野外観察事実を把握した. 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, 世界の深部地熱地帯でのこの境界の存在可能性について検討した.
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(花崗岩類)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, および弾性波伝播速度シミュレーター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.
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しいモデルを提案することに成功し, 合わせてフィールドデータのマッチングを行った.
第13回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.
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
研究項目1～3まではほぼ予定通りに進行している. 27年度の3/15-18には第13回国際ワークショップWATER DYNAMICSを開催し, 情報発信を続けている. 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. この結果, 熱応力割れで岩石が弾性体として機能しなくなるまで破壊されることを明らかにした. 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製作が終了し, 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(弾性体と塑性変形の境界)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.
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| 今後の研究の推進方策 |
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, H28年度に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(花崗岩類と閃緑岩, 玄武岩類)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 JBBPサポート(国家および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14回International Workshop on Water Dynamicsを主催する(平成29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, 貯留層の透水性や抽熱技術へと展開する.
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