地圏メカニクス研究グループ
地圏メカニクス研究グループの概要
当グループでは、地熱開発やCO2地中貯留等、地下の開発や利用における安全性・有効性の評価や効率的な掘削技術の開発を目的として、マルチスケール（コアスケールからテクトニックススケール）・マルチ分野（資源・環境・地震）・マルチアプローチ（実験岩石力学・地球物理学・構造地質学・数値計算）を包括・融合した研究開発を推進しています。具体的には、① 流体圧入に伴う誘発地震の発生メカニズムの解明や岩石の水理－力学特性に及ぼす各種パラメータの影響評価、② 岩石掘削条件の最適化に向けた掘削ビットの性能評価および掘削条件最適化モデルの構築、③ 地圏における水理－物質輸送－力学連成解析技術の高度化に取り組んでいます。
メンバー一覧
| 研究グループ長（兼務） | 坂本靖英 | 地圏環境工学、エネルギー資源工学 |  |
|---|---|---|---|
| 上級主任研究員 | 竹田幹郎 | 地下水理学、地盤工学、岩盤工学 | |
| 上級主任研究員 | 宮崎晋行 | 岩石力学、土質力学 | |
| 主任研究員 | 竹原 孝 | 岩石力学 | |
| 主任研究員 | 北村真奈美 | 岩石力学、構造地質学 | |
| 研究員 | 阿部彩歌 | き裂力学，貯留層工学 | |
| 研究員 | 金木俊也 | 岩石力学，地球化学 | |
| 主任研究員（兼務） | 後藤宏樹 | 岩石力学、地下水理学 | |
進行中の主な研究テーマ
(1) 流体圧入に伴う誘発地震の発生メカニズムの解明や岩石の水理－力学特性に及ぼす各種パラメータの影響評価
① 注水に伴う誘発地震の発生メカニズムの解明に資する実験的研究
地圏環境を活用する世界規模の温暖化対策として、例えば、地熱資源開発や二酸化炭素地中貯留が有効とされています。これらの事業では、地下への水や二酸化炭素などの流体の圧入が必要不可欠です。しかし、地下への流体の圧入が既存断層の再活動や水圧破砕による誘発地震を引き起こす可能性が指摘されています。そこで当グループでは、AE（アコースティックエミッション）計測機器が付属する油圧式三軸圧縮装置を用いて、地下の圧力環境を再現した室内岩石実験を実施しています。最近では例えば、岩石の破壊・すべり中のAE特性や、流体の圧入に伴う断層のすべり特性を調べています。
- Lei, X., (2024), Fluid-driven fault nucleation, rupture processes, and permeability evolution in oshima granite — Preliminary results and acoustic emission datasets, Geohazard Mechanics, 2 (3), 164-180, https://doi.org/10.1016/j.ghm.2024.04.003.
- Sueyoshi, K., Kitamura, M., Lei, X., and Katayama, I., (2022), Identification of fracturing behavior in thermally cracked granite using the frequency spectral characteristics of acoustic emission, Journal of Mineralogical and Petrological Sciences, 118:007,doi:10.2465/jmps.221014.
- Lei, X., Ohuchi, T., Kitamura, M., Li, X., and Li, Q., (2022), An effective method for laboratory acoustic emission detection and location using template matching, Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 14 (5), 1642-1651, https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2022.03.010.
② 地下での流体・物質移行現象の評価・解明
地下空間利用、資源開発、環境保全に関連する事業では、地下流体とそれに溶存・共存する物質の移行を、把握・予測することが必要とされます。通常、地下流体・物質は流体圧を主な駆動力として流動しますが、地盤や岩盤が、透過性の非常に低い粘土や岩石からなる場合には、流体圧以外のポテンシャルエネルギーに起因する浸透流や物質拡散が、移行現象として卓越し得ることが知られています。当グループでは、地圏環境での各種事業を支援するために、地下での圧力流動、物質拡散、浸透流を評価するための室内実験システムを開発し、これまでに地下岩盤の封じ込め機能の評価や原油増進回収メカニズムの解明に適用してきています。
- Takeda, M., Manaka, M., and A. Goto. "Chemical Osmosis-Driven Thermodynamically Coupled Processes: Mechanistic Insights into Oil Recovery from Core-Scale Experiments." Paper presented at the SPE Improved Oil Recovery Conference, Tulsa, Oklahoma, USA, April 2024. https://doi.org/10.2118/218268-MS
- Takeda, M., Manaka, M., and D. Ito. “Experimental evidence of chemical osmosis-driven improved oil recovery in low-salinity water flooding: Generation of osmotic pressure via oil-saturated sandstone.” Journal of Petroleum Science and Engineering, 215, 2022, 110731.https://doi.org/10.1016/j.petrol.2022.110731
- Takeda, M., Manaka, M., and K. Ito. “Potential geologic osmotic pressure in the Wakkanai Formation: Preliminary estimation based on the dynamic equilibrium between chemical osmosis and advection.” Journal of Hydrology, 579, 2019, 124166.https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2019.124166.
(2) 岩石掘削条件の最適化に向けた掘削ビットの性能評価および掘削条件最適化モデルの構築
資源開発や地下利用などさまざまな事業において、岩盤の掘削に係るコストが大きいことが指摘されています。掘削コストを抑えるには、岩盤掘削用のビットの性能を向上させる必要があります。当グループでは、写真に示した室内掘削試験装置を用いて、ビットの耐久性や掘進速度などの性能評価を行っており、ビットの開発や改良を進めています。また、岩盤の性質に応じたビットタイプの選定や掘削条件の設定、摩耗したビットを交換するタイミングの判断など、現状では現場技術者の経験による意思決定の場面が多々あります。当グループでは、系統的な室内掘削試験データに基づき構築した掘進速度モデルを用い、それらの意思決定に対して、信頼性の高い指針を提示するための研究も行っています。
- Miyazaki, K., Takehara, T. & Tsuduki, M. Application of laboratory-based rate of penetration model for polycrystalline diamond compact bit to geothermal well drilling. Geomech. Geophys. Geo-energ. Geo-resour. 9 (2023), 103, https://doi.org/10.1007/s40948-023-00644-x
- Miyazaki, K., Ohno, T, Takehara, T. & Imaizumi, H. Wear and Degradation of Drilling Performance of Polycrystalline Diamond Compact Bit in Laboratory Test. Mater. Trans. 63 (2022), 294-303, https://doi.org/10.2320/matertrans.M-M2021825
(3) 地圏における水理－物質輸送－力学連成解析技術の高度化
① 沈み込み帯における水理学モデルの発展による誘発地震予測モデル構築への展開
岩石の脆性強度は有効垂直応力（静岩圧と間隙流体圧との差）に比例するため、地下への注水による間隙流体圧の時空間変化を適切に評価することは、誘発地震のリスク評価において重要です。Kaneki & Noda (2023)は、沈み込み帯に特徴的な機構を考慮した水理学モデルを構築し、沈み込みによる力学的効果および化学反応が間隙流体圧の定常値に及ぼす影響を明らかにしました（下図）。このモデルをさらに発展させ、地圏での注水事業に伴う間隙流体圧の時空間変化をモデリングすることで、安全かつ効率的な地圏産業の実施に資する情報（注水速度や注水量など）を提供し、産業の発展に貢献することを目指しています。
- Kaneki, S., Noda, H. (2023) "Steady-State Effective Normal Stress in Subduction Zones Based on Hydraulic Models and Implications for Shallow Slow Earthquakes" Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 128, e2022JB025995. doi:10.1029/2022JB025995
- 金木 俊也・野田 博之 "水理学的モデル計算に基づく沈み込み帯における有効垂直応力の深度分布" 日本地質学会第130年学術大会, T1-O-2, 京都, 2023年9月17日（招待講演・ハイライト講演）
② CO2注入に伴う物質移動－力学連成解析を通じたジオメカニクスモデリングの最適化
排出されたCO2を集めて地中に貯留するCCS（Carbon dioxide Capture and Storage）技術は、大気中のCO2を削減する方法として以前より研究が進められています。CO2が地中に注入されることで岩盤の局所的な応力状態が変化するため、CO2の地表への漏洩、地表面の変位、誘発地震等の影響がでないように、適切なモニタリングやサイト選定、注入レートの設定等が必要です。このような流体流動と岩盤の変位は複雑な水理的・力学的な相互作用によって引き起こされるため、地下水と注入されたCO2の流体流動とそれに伴う岩盤の応力変化・変位を物理モデルを用いた数値シミュレーションにて予測・解析を行うことで、最適な注入条件やモニタリング手法、貯留サイト選定に役立てるための研究を行っております。
- Lei, X. (2022): Was the 2018 Hokkaido Eastern Iburi Earthquake in Japan Related to Carbon Capture and Storage (CCS)-CO2 Injection? Insights From Geomechanical Analysis, Frontiers in Earth Science 10, 873645.
- Lei, X., et al. (2020): Growing seismicity in the Sichuan Basin and its association with industrial activities, Science China Earth Sciences 63, no. 11: 1633–60.
連絡先
〒305-8567 茨城県つくば市東1-1-1 中央事業所7群
国立研究開発法人 産業技術総合研究所
地圏資源環境研究部門 地圏メカニクス研究グループ