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地殻開発工学

人類が持続的に発展していくためには、環境に調和した新たな資源エネルギー開発技術、地下空間の有効利用とその維持管理技術の開発が必要不可欠です。本研究室では、岩盤工学の知見と地震学的手法を統合することにより、エネルギー資源や鉱物資源の生産技術を高度化するとともに、より困難な条件、多様な資源、地球環境保全にも対応できる資源開発技術の確立を目指して研究をおこなっています。具体的には,CO2の地中処分や放射廃棄物など地球環境の保全を目的とした地下利用技術やシェールガス開発,地下深部の鉱物資源の安全な採掘に関する研究をおこなっています。

教員

石田 毅 ( Tsuyoshi ISHIDA )

石田 毅教授(工学研究科)

研究テーマ

地下深部の地圧測定や、岩盤の破壊機構の研究を行っています。これらの研究を通じて、地球温暖化の原因である二酸化炭素の地中隔離や放射性廃棄物の地層処分など、人類にとって重要なエネルギーの後処理(エネルギー・バックエンド)問題の解決に貢献したいと思っています。

連絡先

桂キャンパス C1棟 3階355号室
TEL: 075-383-3209
E-mail: ishida@kumst.kyoto-u.ac.jp
http://geo.kumst.kyoto-u.ac.jp/lab/member/Ishida_t/index.htm

奈良 禎太 ( Yoshitaka NARA )

奈良 禎太准教授(工学研究科)

研究テーマ

多くの岩盤構造物には、長期安定性が必要となります。そのため、岩石の力学的性質や破壊に関して詳しく知る必要があります。そこで、岩盤構造物の長期安定性の確保に貢献することを目的として、周辺環境(温度・湿度・水質など)が岩石の力学特性や破壊に及ぼす影響について研究しています。

連絡先

桂キャンパス C1棟 3階356号室
TEL: 075-383-3210
E-mail: nara.yoshitaka.2n@kyoto-u.ac.jp

直井 誠 ( Makoto NAOI )

直井 誠助教(工学研究科)

研究テーマ

南アフリカの大深度金鉱山をフィールドとして微小破壊観測を行い,被害をもたらす大きな破壊(地震)の情報が小さな破壊からどう引き出せるかを調べる研究を行っています.地震の発生過程の理解と鉱山の地震被害低減に貢献したいと思っています.

連絡先

桂キャンパス C1棟 3階354号室
TEL: 075-383-3211
E-mail: naoi.makoto.4z@kyoto-u.ac.jp

研究テーマ・開発紹介

CO2フラクチャリングによるシェールガス開発のための室内実験

水平ボーリング技術の発達と,図1に示すようにボーリング孔のいくつもの区間を密閉して水圧で岩盤を破砕する技術の開発により,従来採掘が困難であったシェール(shale,頁岩)層から天然ガスを採取できるようになってきました.この開発は世界のエネルギー需給に大きな影響を与え,シェールガス革命とも呼ばれる大きな経済的,政治的変化が国際社会に生じています.

私どもの研究室では,墓石としてよく見かける花崗岩を供試体に用いて粘度の小さいさらさらしたCO2(二酸化炭素),水,水の約300倍の粘度を有する自動車用トランスミッション・オイルを圧入する室内実験を行い,破砕流体の粘度の違いが岩盤内に造成される亀裂にどのような影響を与えるかを検討してきました.具体的には図2に示すように,1辺17cmの立方体の花崗岩の中央に直径2cmのボーリング孔を穿孔して流体を加圧し,破砕にともなう極めて小さい地震であるAE(Acoustic Emission:岩石の微小破壊に伴う音)の測定を行いました.これらの実験の結果,流体の粘性が小さくなるにつれて造成される亀裂は幅の大きな1枚ものの平面的な亀裂から,幅の小さい分岐の多い3次元的な亀裂になる傾向がみられました.この結果は粘度の小さいCO2で水圧破砕した場合,現在使用されている水よりも,シェールガスの生産に有利な亀裂を造成できることを示しています.さらにシェールはCO2に対してCH4(メタンガス)よりも10倍程度強い親和性を有するため,CO2を圧入することによりシェールに吸着されていたCH4がCO2に置き替えられて放出され,シェールガスの回収が増進されます.一方圧入したCO2の多くは,シェール中にとどまるため,地球温暖化の防止も同時に実現できます.すでに世界各国から問い合わせが来ていますが,今後このCO2フラクチャリングを我が国発の環境にやさしいエネルギー開発技術として広く産油,産ガス国などに提案し,我が国のエネルギー資源の確保に貢献していきたいと思っています.

Fig_CO2_1.png
図-1 水圧破砕によるシェール・ガス開発の概念図

Fig_CO2_2.png
図-2 室内実験用岩石供試体の写真と,実験時の載荷条件.右図の白黒の丸印はAEセンサーの貼付位置を示す

南アフリカ大深度金鉱山における微小破壊観測

当研究室では,より大きなフィールドスケールでおこる微小破壊の観測研究もおこなっています.観測フィールドとして用いているのは,地表下4キロメートルに及ぶ深さで鉱脈の採掘が行われることもある,南アフリカ共和国の大深度金鉱山(以下,南ア金鉱山)です.これまでに2つの金鉱山の地表下3.3 km,1 kmの深さに,小さいものでM(マグニチュード)にして−5程度(典型的な破壊サイズ数cm)の破壊まで検知可能な観測網を展開し,微小破壊のモニタリングを行ってきました.

このような深いところでは大きな地圧がかかっているので,岩盤を掘り抜いてしまうとその岩盤が支えていた応力が再配分されて周囲に応力が集中します.これが駆動力となって M 3程度まで(典型的な破壊サイズ数百m)の人工誘発地震が多発し,ときには死者を出す大きな被害をもたらしています.鉱山会社はなるべく被害がでないように採掘計画をたてるのですが,地震という破壊現象を完全に制御することはできず,被害低減に役立つ知見が必要とされています.我々は,このような鉱山誘発地震の発生予測を目的とし,地震観測・歪観測などをはじめとした観測研究を行っています.

また,鉱山では地震発生のための駆動力が人工的な採掘であるため,いつどこで応力レベルが上昇するかがわかっています.したがって,例えば地質断層周辺に観測計器をおいておき,採掘域が近づいてその断層で大きな地震が誘発されるのを待ち構えることが可能です.この「地震の発生前から震源の至近距離で観測を行える」という決定的なアドバンテージを活かし,地震の準備過程における微細なシグナルを震源極近傍で捉えることも,このような観測を行う目的のひとつです.

南ア金鉱山内では地震被害の監視のため,観測網を展開してルーチン的に地震活動をモニタリングすることが義務付けられています.しかし,これらの観測網は,小さいものでM −1程度(破壊サイズ数m)の地震しか検知できず,被害を起こすようなM 2~3の地震(破壊サイズ数百m)と,周囲の小さな破壊との関係を調べる上では心もとないものでした.そこではじめたのが,高感度AEセンサを用いた微小破壊観測です.ひらたく言ってしまえばとにかく小さい破壊を観察しているだけなのですが,それによって検知されるイベント量が著しく増加し,震源位置の決定精度も大きく向上したため,鉱山で行われていた従来の観測に比べて,微小破壊の活動解析における空間分解能が圧倒的に向上しました(図3).地震発生過程の理解と鉱山の地震被害低減を目指し,これらのデータの解析を進めています.

Fig_AE.png

図-3 南アフリカのある金鉱山の地下1kmに展開した観測網で検知された微小破壊の震源分布(平面図).左) 検知された全イベント.小さいものではM −5以下のイベントが検知できている.図左下の斜線部は鉱脈の採掘跡を表す.右)左図に示した震源のうち,M −1以上(鉱山に展開される典型的な地震観測網で検知できる規模のイベント)のみをプロットしたもの.左の図では,様々な場所に集中する微小破壊がはっきりと確認できるが,右の図ではほとんど何もわからない.

研究室ウェブサイト

http://geo.kumst.kyoto-u.ac.jp/lab/