(57)【要約】      （修正有）【課題】土壌または岩石層から放散されるガスフラックス及び周辺表層大気中のガス濃度を、長期間測定する測定法とガスモニター装置及び地下貯留層からのガス漏洩の警報システムを提供する。【解決手段】検出対象の土壌に対して開放された底面部と、排気のための排気口２ｂと、入気のための入気口２ｃと、排気口２ｂ及び入気口２ｃのごく近傍に配設されるそれぞれの開閉弁５、６ａ、６ｂと、換気を行う換気制御手段と、外部に隔離されて放散ガスを排気する排気チャンバと、外部に隔離されて表層大気を入気する入気チャンバとを有し、開放された底面部を介して土壌または岩石層から放散される検出対象ガスを収集し、排気口及２ｂび入気口２ｃのそれぞれに具備された排気開閉弁６ａ、６ｂ及び入気開閉弁５を同時に閉じて換気制御手段の作動によって誘起された空気流によって放散ガスを撹拌・混合させる内部循環モードを有する。【選択図】図１
2015200525.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
土壌または岩石層からの放散ガスに含まれる検出対象ガスの単位面積、単位時間当たりのガスフラックス及び表層大気中の当該ガス濃度を測定するガスモニター装置において、
前記検出対象の土壌または岩石層に接して開放された底面部と、排気のための排気口と、入気のための入気口と、当該排気口及び当該入気口のごく近傍位置に具備されるそれぞれの開閉弁と、内部循環と換気を行う換気制御手段と、外部に隔離されて前記放散ガスを排気する排気チャンバと、外部に隔離されて前記表層大気（外気）を入気する入気チャンバとを有し、
前記測定チャンバ下部の開放された底面部を介して、土壌から前記放散ガスを収集し、前記排気口及び前記入気口に具備されたそれぞれの前記開閉弁を閉じて前記換気制御手段の気流によって前記放散ガスを撹拌・混合させる内部循環モードを実現し、前記排気口及び前記排気チャンバを介して外気と連通し、同時に外気から前記入気チャンバ及び前記入気口を介して連通し、前記入気口を介して外気を導入すると共に、収集した前記放散ガスを含む空気を外部へ排出する換気モードの２種類の作動モードを実現する測定チャンバと、
前記測定用チャンバの内部に配設され、前記２種類の作動モードにおいて検出対象のガス濃度を測定するガス濃度検出手段とを備え、
前記ガス濃度検出手段が、前記測定チャンバ内の前記内部循環モードの初期ガス濃度時間勾配の算定値からガスフラックスを測定し、前記換気モードにおける大気中のガス濃度を交互に測定する
ことを特徴とするガスモニター装置。
【請求項２】
請求項１に記載のガスモニター装置において、
前記測定チャンバを前記開閉弁によって閉鎖し、下部から放散される前記放散ガスを前記測定チャンバ内に留めて撹拌・混合する内部循環モード、並びに前記測定チャンバ内の放散ガスを含む空気を前記開閉弁、前記排気口及び前記排気チャンバを介して外部に排出すると共に前記入気チャンバ、前記入気口及び前記開閉弁を介して前記測定チャンバに表層大気を導入し、前記測定チャンバの内部空気の入れ替えを行い、地下からの放散される前記放散ガスや水蒸気を排除する前記開閉弁による換気モードを実現する換気制御手段を備える
ことを特徴とするガスモニター装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のガスモニター装置において、
前記換気制御手段が、前記測定チャンバ内部における入気口と前記ガス濃度検出手段との間に配設され、
前記測定チャンバの排気口が、前記換気制御手段の空気流の下流方向側に配設され、
前記入気口が気流のわずかな負圧で開放状態となる開閉弁で形成されると共に、前記排気口が気流の風圧で開放状態となる開閉弁で形成する機構を有する前記測定チャンバを具備する
ことを特徴とするガスモニター装置。
【請求項４】
請求項３に記載のガスモニター装置において、
前記測定チャンバが、円形状の下方開口部分からなる半円球体で形成され、当該半円球体の頂部に前記入気口を配設されると共に、当該半円球体の外周辺近傍に排気口が配設される
ことを特徴とするガスモニター装置。
【請求項５】
請求項１から４に記載のガスモニター装置において、
前記ガス濃度検出手段が、土壌または岩石層から放散される前記ガスフラックスと表層大気中のガス濃度における自然条件でのバックグランド測定データの変動値を統計処理し、危険率を設定して土壌または岩石層からのガスフラックスの異常を判断し警報を出力する
ことを特徴とするガスモニター装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、土壌または岩石層の表面から単位面積、単位時間に流出あるいは放散されるガスフラックス及びその周辺の表層大気中の当該ガス濃度を交互に測定する装置に関し、特に測定チャンバなどの装置内での結露や凍結による影響を換気によって少なくし、設置位置で長期間低電力で安定した信頼性の高い測定を実施するための測定手法とガスモニター装置及び警報システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、土壌または岩石層表面から地表に流出あるいは放散される二酸化炭素やメタンガスなどの単位面積、単位時間あたりの放散量であるガスフラックス及びその周辺の表層大気中における当該ガス濃度を長期モニターし、その位置での土壌または岩石層から放散される二酸化炭素やメタンガスなどのガスフラックス及び大気中における当該ガス濃度の自然条件でのバックグランドデータを収集するとともに、二酸化炭素や石油・天然ガスなどが貯留されている地下の貯留層から大気中へ漏洩するガス放散を検出するモニター装置の構造と測定法並びにバックグランドデータの統計データに基づいた当該ガス放散の異常に関わる警報システムに関する。
【０００３】
地球温暖化ガスである二酸化炭素は、石炭・石油・天然ガスなどの化石燃料を利用する火力発電所、製鉄所ならびに製油所などから多く大気中に排出されている。また、温暖化係数が二酸化炭素よりも格段に大きいメタンガスは、石炭や石油・天然ガス採掘地域及びそれらの輸送地域並びに農業地帯などから大気中に放出されている。地球温暖化を抑制するためには、これらの事業所や地域から大気中に排出される二酸化炭素やメタンガスなどの温暖化ガス量を削減する必要がある。近年、二酸化炭素を分離して地下に貯留する技術として二酸化炭素回収・貯留技術（略称ＣＣＳ）が有効な二酸化炭素の排出量削減方法として日本のみならず世界で実施されつつある。商業規模の二酸化炭素の地下貯留は、前述した産業活動などにおいて排出されるガス中から分離した二酸化炭素を体積比率で１５〜３０％の流体で満たされている石油・天然ガス層や帯水層などの地下貯留層に１０から１００万トン／年程度の割合で圧入して貯留する。このとき、地下貯留を実施する層として、上部層が流体浸透率の低いシール層を有する貯留層が選定されるが、地層探査で見つからない微細な岩石中の亀裂などを通して、圧入・貯留された二酸化炭素の一部が地表にガスとして漏出する確率はゼロではない。
【０００４】
また、シェールガス開発が進められている米国では、不適切な水圧破砕が原因と考えられるシール層の亀裂が生じ、採掘地域の表層へのメタンガス漏洩が問題となっている。
【０００５】
そのため、周辺地域に居住している住民あるいは農業・林業・漁業などが営なまれている場合、周辺環境の安全性を確保できなくなるなど、多大な損害と地域社会の混乱が生じる。ただし、世界の耕地などの土壌または岩石から大気中に放散されている二酸化炭素量は、人類の活動によって排出されている二酸化炭素量の７〜８倍に及ぶというデータもある。さらに、土壌または岩石表層から大気へ放散される二酸化炭素などのガスフラックスは、その地域の温度や降水量などの気候の変動の影響を強く受ける。したがって、二酸化炭素やメタンガスが漏出しているかどうかを判定するためには、自然界のガス放散状況に照らして明確に区別できるガスフラックスの測定法及びモニター装置が不可欠であるほか、土壌または岩石などからのガスフラックスに関わる長期の測定データが不可欠であり、漏洩量に対する警報レベルの設定においても重要な基礎データであると判断される。
【０００６】
現在、二酸化炭素の漏洩検出法としては、ａ）土壌または岩石あるいは岩石中の二酸化炭素の同位体の測定、ｂ）表層大気中の二酸化炭素濃度の測定、ｃ）表層土壌または岩石中の二酸化炭素濃度の測定、ｄ）土壌または岩石あるいは岩石から大気への二酸化炭素ガスフラックスの測定、などがある。ａ）の二酸化炭素の同位体を測定する方法では、化石燃料の燃焼排ガスから回収される二酸化炭素と土壌中などの自然界のバクテリアによって生じたものの同位体比率に明確な相違がなく、決定的な漏洩検知方法とはならない。ｂ）の表層大気の二酸化炭素濃度の測定は簡易な構造で長期モニタリングに問題は少ないが、地表面の風、排気ガスや動物の呼気などの影響が大きく漏洩判定時の信頼度が低い。ｃ）の土壌または岩石中などの二酸化炭素濃度の測定では漏洩ガスの有無の検出確度は高くなるが、ガス濃度と漏洩量との一意の関係がなく、さらに土壌または岩石などに含まれる水蒸気の結露あるいは水分の冬季凍結対策など長期の精度保持には課題がある。ｄ）のガスフラックスを測定する方法では漏洩した二酸化炭素などの単位時間当たりのガス放散量データを直接測定することができるため、漏洩の判定基準としての信頼性が高く、米国ＬＩ―ＣＯＲ社などが製品化していることからも最も実フィールド測定に適した方法と判断される。
【０００７】
最も適した方法と判断された土壌または岩石層などからのガスフラックスの測定法は、大きく２種類に分類される。1つ目の方法は濃度勾配測定法と呼ばれる方法で、土壌または岩石中などにおける異なった深さの二酸化炭素濃度（ｐｐｍ）を測り、その濃度差（ｐｐｍ）と距離（ｍ）から濃度勾配（ｐｐｍ／ｍ）を算定し、土壌または岩石あるいは岩石中の有効ガス拡散係数（ｍ２／ｓ）を掛けて土壌または岩石ガスフラックス（ｍＬ／ｍ2／ｓ）求めるものである。この方法は適切な深さの選定と有効ガス拡散係数の推定誤差及び土壌または岩石中の水分の影響などによる不具合発生の課題をもつ。
【０００８】
前述の２つ目のガスフラックスの測定方法は、別名チャンバ法とも呼ばれる方法で、土壌または岩石層と大気との接触面から放散される二酸化炭素などのガスを受けとめる容器であるチャンバを用いる方法で、定常チャンバ法と、非定常チャンバ法に分類される。定常チャンバ法は、大気からチャンバ内に一定の空気量を流通させ大気へ放出するときの前後２つの二酸化炭素などのガス濃度差（ｐｐｍ）と空気流量（ｍ３／ｓ）の２つを掛けてチャンバ下部の開口面積Ｓ（ｍ２）で割って求めることから、最低でも３つのデータを正確に測定する必要があり、高精度な複数のセンサーを含む製作費が高額でかつ必要電力量も大きい。一方、非定常チャンバ法はチャンバ内の二酸化炭素濃度の時間勾配（ｐｐｍ／ｓ）を測定し、チャンバ内容積Ｖ（ｍ３）を掛け、開口面積Ｓ（ｍ２）で割ってガスフラックス（ｍＬ／ｍ2／ｓ）の値を測定する。非定常チャンバ法による測定は簡便であるが、１回の測定が終了した後にチャンバを機械的に開放してチャンバ内の空気を大気に晒しリセットすることが必要であるため、その機械的機構の構築と設置位置での長期測定実施を実現するための電力供給に課題をもつ。しかしながら、非定常チャンバ法はチャンバ内の空気の入れ替えがなされることで、土壌または岩石層から移流あるいは蒸散される水分の結露や凍結の不具合に関する問題を解決することができる。
【０００９】
以上に記述したように、二酸化炭素などの土壌または岩石層表面からのガスフラックスを安価に一定のインターバルで長期に測定を継続する信頼性の高い手法が確立しているとは云えず、地球温暖化を抑制する有効な技術として期待されているＣＣＳやシェールガスなどの非在来型天然ガスの生産を推進するうえで不可欠な社会の受容性を高めるための測定法の工夫と、それを実現したガスモニター装置及び警報システムの開発が必要とされている。
【００１０】
そのため、例えば、特開２０１１−２９６２１５（特許文献１）では、測定チャンバ内部の空気をアルカリ溶液のガス洗浄瓶に導き、二酸化炭素を吸収させて、測定チャンバ内部の空気を自然大気に近い状態に戻す方法が提示されている。しかしながら、測定チャンバ内部の濃度を異なった空気の流通回路を設けて精度よく制御するために複雑化し、電力も多く必要とするため高コストとなる。さらに、アルカリ溶液を入れたガス洗浄瓶を用いるため長期のモニタリングや低温環境への対応が難しく、洗浄瓶での水分の添加による測定チャンバ内部の結露などによって生じる問題への対応も難しい。
【００１１】
特開２００８−２０３１２４（特許文献２）では、生物代謝により生成される二酸化炭素ガスと地下に圧入された二酸化炭素が地上へ漏洩した二酸化炭素ガスとを識別するため、測定チャンバ内の酸素濃度を正確に測定することで生物代謝による酸素消費量及び二酸化炭素排出量を計算し、二酸化炭素ガス量の収支の差異を算定することで、地下貯留層から地表に漏洩する二酸化炭ガス量を評価することを提案している。
【００１２】
しかしながら、発明者らは、九州大学伊都キャンパスにおける二酸化炭素ガスフラックス量を長期測定した結果、土壌表面から大気へ1平方メートル、1日当たり約０．５〜６リットル程度の二酸化炭素が放散されていることを明らかにしている。それらの二酸化炭素は、主に微生物活動によって土壌中の炭化水素成分が分解されて生成されたもので、土壌温度の季節変動及び土壌中に含まれる水分によっても変化することを確認している。このことから、微生物活動によって土壌中から大気に放散される二酸化炭素と地中貯留層から漏洩した二酸化炭素が混合している場合、それらを区別することは実質的に困難である。さらに、大気中には二酸化炭素が約４００ｐｐｍの濃度で含まれ、地中貯留層から漏洩した二酸化炭素が土壌または岩石雰囲気ガスと混合した後に数パーセント以下の低濃度で地表に放散される場合には二酸化炭素の排出源を明確に定めることは難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０１１−２９６２１５号公報
【特許文献２】特開２００８−２０３１２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
二酸化炭素やメタンガスなどの地下貯留が実施される地域や石油・天然ガスとくにシェールガスの開発地域などにおいては、地表に放散されるガスフラックス並びに表層大気中の当該ガス濃度を低電力で継続的に長期間測定し、自然界のバックグランドデータとしての年間変動パターンを定め、それからのズレとして二酸化炭素やメタンガスなどの地表への漏出の有無をモニタリングする装置が住民の安全・安心を図るために必要である。ただし、電力供給などの社会インフラが十分整わない地域においても長期に無人測定を実施できる装置でなければならない。
【００１５】
しかしながら、従来の土壌または岩石からのガスフラックス測定は、非定常チャンバ法によってバッチ式で測定するか、高価なモニター装置で高精度のガス濃度や流通空気量などのセンサー出力を乗じて測定することから、固定した位置で長期信頼性を保ちながら安価にモニタリングを実施するのに適していない。また、長期の使用において、土壌または岩石層から蒸散した水分が測定装置内部やガスセンサーあるいは外部にあるガス濃度センサーへの空気供給手段での結露あるいは凍結によって測定機能が劣化し長期の使用が困難である。
【００１６】
また、非定常チャンバ法を利用する装置では、測定チャンバ内の空気を大気にリセットするために駆動動力の大きい機械的な測定チャンバの開放機構を具備する必要があるため、多様な環境に対する信頼性の高い機械的な駆動装置と防御カバー並びにそれを実現する電力も必要とするため、社会インフラが整わない地域においても低電力で作動する簡潔な長期モニター装置としては適していない。
【００１７】
さらに、土壌または岩石層から放散されるガスフラックスと表層大気中の当該ガス濃度を１個のガス濃度センサーで交互に測定できるガスモニター装置はなかった。
【００１８】
本発明は前記課題を解消するためになされたものであり、土壌または岩石層から放散されるガスフラックスを、１回の設置により、設置後は人手を介することなく簡易に、低コストで長期間測定することを可能とする、土壌または岩石層表面から放散されるガスフラックスと周辺の表層大気中の当該ガス濃度を測定するための測定方法と構造を実現したガスモニター装置及びガス放散の異常に関わる警報システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本願請求項１に開示するガスモニター装置は、土壌または岩石層表面から放散される検出対象ガスのフラックスを測定する機能を有し、前記検出対象の土壌または岩石層に対して開放された底面部を持つ測定チャンバと、排気のための排気口と、入気のための入気口と、当該排気口及び当該入気口の近傍に具備されるそれぞれの開閉弁と、換気を行う換気制御手段と、外部に隔離されて前記放散ガスを排気する排気チャンバと、前記放散ガスから隔離して表層大気（外気）を入気する入気チャンバとを有し、当該測定チャンバ下部の開放底面を介して土壌または岩石層から入り込む前記放散ガスを収集し、前記排気口及び前記入気口に具備されたそれぞれの前記開閉弁を閉じて前記換気制御手段の気流によって前記放散ガスを撹拌・混合させる内部循環モードを実現し、前記排気口及び前記排気チャンバを介して外気と連通し、同時に外気から前記入気チャンバ及び前記入気口を介して連通し、前記入気口を介して外気を導入すると共に、収集した前記放散ガスを含む空気を外部へ排出する換気モードの２種類の作動モードを実現する測定チャンバと、前記測定用チャンバ内部に配設され、前記２種類の作動モードにおいて検出対象のガス濃度を測定するガス濃度検出手段とを備え、前記ガス濃度検出手段が、前記測定チャンバ内の前記内部循環モードの初期ガス濃度時間勾配の算定値からガスフラックスを測定し、前記換気モードにおける周辺表層大気中の当該ガス濃度を交互に測定するものである。
なお、前記土壌または岩石層表面に対しては、降雨対策としてトレンチが施されていてもよい。また、前記ガス濃度検出手段は、前記測定用チャンバ内部でガス濃度を直接測定する手段（例えば、ガス濃度センサー）であってもよいし、前記測定用チャンバ内部の空気を、前記測定用チャンバ外部に設置されたガス濃度センサーに対してサンプルとして供給するために、前記測定用チャンバ外部へ送る手段であってもよい。
【００２０】
すなわち、前記検出対象の土壌または岩石層に接触させて被せ、大気との連通経路を閉じた測定チャンバにおいて、土壌または岩石層に接して開放された前記測定チャンバ下部底面を介して土壌から前記放散ガスを前記測定チャンバ内に収集し、ガス濃度検出手段で前記検出対象ガス濃度を一定時間測定し、その初期のガス濃度時間勾配の算定値からガスフラックスを測定する。その後に、当該の放散ガスを含む測定チャンバ内の空気を排気口と排気チャンバを経て大気へ排出すると同時に、大気と連通する入気チャンバ及び入気口（及び、必要に応じて入気筒）を経て表層大気を吸引することで前記測定チャンバ内を換気し、表層大気と同一となった前記測定チャンバ中の空気を当該ガス濃度を前記ガス濃度検出手段で測定する。
【００２１】
以上の一連の操作によって、土壌または岩石層から流出あるいは放散されるガスフラックスと表層大気中のガス濃度を前記ガス濃度検出手段で交互に測定することを特徴とするものである。
【００２２】
このように、本願に開示するガスモニター装置によれば、前記ガス濃度検出手段で前記測定チャンバ内の前記検出対象ガスを検出した後に、前記入気チャンバから測定チャンバに大気中の新鮮な外気が導入されると共に、前記排気チャンバから前記測定チャンバ内の前記放散ガス及び水蒸気を含む空気が外部に排出される。
【００２３】
以上のことから、前記測定チャンバ内のガスが混合した空気が排出され、同時に大気からの新鮮な空気による換気がなされることとなり、放散ガスのフラックスを測定後に、換気のための機械的開放作業を不要とし、土壌または岩石層表面から放散される検出対象ガスのフラックスを、低コストかつ低電力で、長期間安定して測定することができる。
【００２４】
また、本願に開示するガスモニター装置は、前記換気制御手段を備えることから、当該換気制御手段によって前記測定チャンバ内に生じる気流により、放散ガス濃度の均一化が促進されることとなり、より高速かつ正確に、検出対象であるガスフラックスを測定することができる。
【００２５】
本願請求項２に開示するガスモニター装置は、前記測定チャンバを前記開閉弁によって閉鎖し、下部から放散される前記放散ガスを前記測定チャンバ内に留めて撹拌・混合する内部循環モード、並びに前記測定チャンバ内の放散ガスを含む空気を前記開閉弁、前記排気口及び前記排気チャンバを介して外部に排出すると共に前記入気チャンバ、前記入気口及び前記開閉弁を介して前記測定チャンバに表層大気を導入し、前記測定チャンバの内部空気の入れ替えを行い、地下からの放散される前記放散ガスや水蒸気を排除する前記開閉弁による換気モードを実現する換気制御手段を備えるものである。
【００２６】
本願請求項３に開示するガスモニター装置は、前記換気制御手段が、前記測定チャンバ内部における入気口と前記ガス濃度検出手段との間に配設され、前記測定チャンバの排気口が、前記換気制御手段の空気流の下流側に配設され、前記入気口が気流のわずかな負圧で開放状態となる開閉弁で形成されると共に、前記排気口が気流の風圧で開放状態となる開閉弁で形成する機構を有する前記測定チャンバを具備するものである。
【００２７】
すなわち、本願に開示するガスモニター装置は、必要に応じて、前記換気制御手段が前記測定チャンバの入気口と前記ガス濃度検出手段との間に配設し、前記入気口がわずかな負圧（例えば、１mm水柱程度）で開放状態となる開閉弁で形成されると共に、前記測定チャンバ内の空気流の下流側に配設された排出口が前記換気制御手段によるわずかな風圧（例えば、１mm水柱程度）で開放状態となる開閉弁で形成させることができる。このように、本願に開示するガスモニター装置によれば、前記換気制御手段が前記測定チャンバと前記排気チャンバとの接続部分、並びに、前記測定チャンバと前記入気筒との接続部分に配設され、入気流は概ね下方向に、排気流は概ね水平方向(半径方向)となるように前記測定チャンバの換気がなされる。すなわち、前記入気口と排出口が、前記測定チャンバの空気流の力学的作用で自動で開閉し、外的な制御によらず前記測定チャンバ内部の放散ガスと水蒸気を含む空気と外気との換気をより低電力で、簡便な構造で実現でき、短時間にガスフラックスと表層大気中のガス濃度を測定することができる。
【００２８】
本願請求項４に開示するガスモニター装置は、前記測定チャンバが、円形状の下方開口部分からなる半円球体で形成され、当該半円球体の頂部に前記入気口を配設されると共に、当該半円球体の外周辺近傍に排気口が配設されるものである。このように、前記測定チャンバが、円形状の下方開口部分からなる半円球体で形成され、当該半円球体の頂部に前記入気口を配設されると共に、当該半円球体の外周辺近傍に排気口が配設されることから、前記測定チャンバ内の気流が均一化され易くなることとなり、より短時間で、ガスフラックスと周辺の表層大気中の当該ガス濃度を測定することができる。
【００２９】
すなわち、本願に開示するガスモニター装置は、必要に応じて、前記測定チャンバが、円形状の下方開口部分からなる半円球体で形成され、当該半円球体の頂部に前記入気口を配設されると共に、当該半円球体の外周辺近傍に排出口を配設されるものである。このように、本願に開示するガスモニター装置によれば、前記測定チャンバが例えば円形状の下方開口部分からなる半円球体で形成され、当該半円球体の頂部に前記入気口を配設されると共に、当該半円球体の外周辺近傍に排出口を配設されることから、前記測定チャンバ内の土壌などからの放散ガスを含む気流が、偏りなく、より速く均一化されることとなり、より高い効率性で、放散ガスのフラックスを短時間に測定することができる。
【００３０】
本願請求項５に開示するガスモニター装置は、前記ガス濃度検出手段によって測定する土壌または岩石層から放散される前記ガスフラックスと周辺の表層大気中の当該ガス濃度における自然条件下での測定データの変動値を統計処理して求めたバックグランドの確率密度分布に対し、危険率を設定して土壌または岩石層からのガス放散量の異常を判断し警報を出力するものである。このように、前記ガス濃度検出手段による測定データに基づいて、自然条件下での変動データの統計値である確率密度分布に対して危険率を設定して土壌または岩石層からのガスフラックスまたは表層大気中の当該ガス濃度の異常を判断し警報を出力することから、異常が発生した場合に迅速に警報がされることとなり、放散ガスによる危険を回避することができる。
【００３１】
本発明の土壌または岩石層表面のガスフラックス及び周辺の表層大気中の当該ガス濃度を測定するガスモニター装置は、表層土壌または岩石に接触させて置かれた測定チャンバに周辺の表層大気（外気）を入気させる入気口と入気開閉弁及び測定チャンバ内部空気を排気するための適切な位置に複数の排気口に電磁力で作動する機械式開閉弁あるいは内部の空気流の状況によって開閉するフィルム開閉弁を具備し、開閉弁を全て閉じることで土壌または岩石表層面から放散されるガスを測定チャンバ内部に留めると同時に換気制御手段によって均一な放散ガス濃度に撹拌・混合する内部循環モードと、開閉弁を全て開けることで周辺の表層大気から新鮮外気を測定チャンバ内に導入すると共に放散ガスを含む測定チャンバ内の空気を外部に排出する換気モードを適切な時間サイクルで切り替えて、それぞれのモードにおいてチャンバ内に具備した１個のガス濃度検出手段による測定チャンバ内の空気中の当該ガス濃度の測定データに基づき土壌または岩石層から放散されるガスフラックス及び表層大気中のガス濃度を交互に測定する方法とガスモニター装置及び放散ガスの異常を判定する警報システムを特徴とする。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の換気モードと内部循環モードを切り替えることができる機能を有した測定チャンバを具備するガスモニター装置と測定方法により、土壌または岩石層表面から放散されるガスフラックス並びに周辺の表層大気中の当該ガス濃度を約３０秒以上の時間サイクルで交互に連続的に長期測定することができる。
【００３３】
とくに、測定チャンバ内に、土壌または岩石層表面から放散されるガスを収集し均一ガス濃度に撹拌する内部循環モードと周辺表層大気中の新鮮外気を導入して当該放散ガスを含む空気及び水蒸気を排出する換気モードの２種類のモードを約３０秒以上に設定した時間サイクルで切り替えることにより、換気モードにおいて測定チャンバ内に下部の土壌または岩石層から蒸散する水蒸気を定期的に排出し、ガスモニター装置およびその内部温度を周辺の表層大気温度と同一にするように熱伝達がなされることから、モニター装置を構成する内壁面やガス濃度センサーのセンシング部分への結露や凍結を防止でき、ガス濃度センサーなどのガス濃度検出手段の健全性と寿命を延ばすことができる。
【００３４】
また、本発明によって、土壌または岩石表層からのガスフラックスを測定すると同時に表層大気中のガス濃度を約３０秒以上に設定したサイクルで交互に測定することで、高い信頼性をもつガス漏出の有無を判定するバックグランドデータを長期に継続して測定でき、かつ測定された大気中のガス濃度データに基づいてガス濃度センサーの校正あるいは健全性の判定データとしても用いることができる。例えば、大気中の二酸化炭素ガス濃度が通常３４０ｐｐｍ〜４００ｐｐｍであることを利用し、出力から濃度に変換するための係数あるいはゼロ濃度の出力値の調整が可能である。ただし、本発明の測定法では当該ガスの絶対濃度ではなく、濃度データの時間勾配に基づいてガスフラックスを求める方式であることから、ガス濃度センサー出力のズレによる精度低下が極めて小さい特徴をもつ。
【００３５】
さらに、検出対象とする当該のガス濃度センサーを最低一種類、一個具備すればよいが、例えば二酸化炭素及びメタンなどの複数のガス濃度検出手段を具備することで複数の放散ガスのフラックスと大気中濃度を同時に測定できる。地中貯留のために分離・回収された二酸化炭素に水素ガスなどが含まれる場合にも水素センサーとすることもできる。測定チャンバ内に同一ガス濃度センサーを複数設置することで、センサーの故障に対するバックアップシステムを構築することも可能である。また、ガス濃度検出手段は測定チャンバ内部のガス濃度を内部に設置してガス濃度センサーで直接測定する構成でもよいが、測定チャンバ内の空気をその外部に誘引して測定する構成でもよい。
【００３６】
以上、本発明によれば、二酸化炭素やメタンなどの地球温暖化ガスの地下の土壌層あるいは岩石の表面層から大気中へ放出されるガスフラックスの測定に関し、測定チャンバに簡潔な機構を具備することによって換気モードと内部循環モードを実現し、結露などの不具合を防ぎつつ当該ガスのガスフラックスと大気中ガス濃度を、低コストかつ低電力で長期間測定する測定方法とガスモニター装置及び漏出検出システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】チャンバにおける内部循環モードでの土壌からのガスフラックスの測定状況
【図２】チャンバにおける換気モードでの土壌からのガスフラックスの測定状況を示す図である。
【図３】機械式あるいは電磁気を利用した入気・排気口の弁機能によって換気モードと内部循環モードを制御し、警報を出力するシステムの全体を示す図である。図中の実線の矢印は開閉弁の制御と電力供給ライン並びに警報回路との情報ラインを表し、破線の矢印はガス濃度センサーへの電力供給と測定信号ラインを表す。
【図４】ファン及びフィルムを用いた入気・排気口の弁機能によって換気モードを実現した実施例を示す図である。
【図５】ファン及びフィルムを用いた入気・排気口の弁機能によって換気モードが実現した実施例を示す図である。
【図６】実際のフィールドでのチュンバー内部の二酸化炭素濃度の時間変化曲線の測定例を示す図である。
【図７】九州大学伊都キャンパスの試験フィールドで測定した土壌水分量及び土壌温度と二酸化炭素ガスフラックスの関係についての測定結果を示した図である。データの一部として、カナダ・エドモントン市での測定結果も含めて示している。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
（第１の実施形態）
以下、本発明を実施するための形態を図１及び図２に示す。まず、図１及び図２を参照して、本実施形態に係るガスフラックス及び表層大気中のガス濃度を測定するガス濃度モニター装置の全体構成について説明する。
【００３９】
本実施形態に係るガスモニター装置は、図１に示すように、降雨対策としてトレンチＢが施された土壌または岩石層Ａから放散されるガスに含まれる検出対象ガスのフラックスを測定するガス濃度検出装置であって、検出対象の前記土壌または岩石層Ａに対して開放された底面部を有し、当該開放された底面開口部２ａを介して前記土壌または岩石層Ａから前記放散ガスを収集し、測定チャンバ１を閉鎖した状態で内部循環及び換気制御手段４（ファン）で下部からの放散ガスを撹拌・混合し、ガス濃度検出手段３によって測定したガス濃度の初期時間勾配の算定値からガスフラックスを測定する。前記測定チャンバ１には当該放散ガスが含まれる測定チャンバ内の空気を外部に排出する排気口２ｂ及び外気を導入する入気口２ｃを備え、前記測定チャンバ１と前記排気口２ｂ及び前記入気口２ｃを介して連通し、外気に対して開放された外気開口部１５ａ、１５ｂ、８ａ、及び８ｂを有する。ここで、外気開口部１５ａ及び外気開口部１５ｂを纏めて入気筒７を構成し、外気開口部８ａ及び外気開口部８ｂを纏めて大気への排出口８を構成し、前記入気筒７と排出口８は電気信号によって作動する機械式の入気開閉弁５及び排気口２ｂと排気開閉弁６によって連動して空気の流れを制御する。これにより、当該外気開口部１３ａ及び１４ａ、入気チャンバ２１と入気筒７、入気口２ｃを介して外気を前記測定チャンバ１に導入すると共に、前記測定チャンバ１内の放散ガスを含む空気を排気チャンバ２０を介して外部に排出し、前記測定チャンバ１の内部に配設されたガス濃度検出手段３によって測定チャンバ１に導入された周辺表層大気中のガス濃度を測定する。図１および図２における入気口２ｃと入気開閉弁５は一個所のみとしているが、環境条件によっては複数個所あってもよく、図２に示す前記測定チャンバー１の入気方向と排気方向を逆転させる機構とすることでもよい。
【００４０】
電気的信号で開閉を制御する機械式開閉弁を使用しない実施例として、測定チャンバ１の内部に正逆回転制御可能ファン４１を備え、前記ファン４１が前記測定チャンバ１の内部における入気口２ｃと前記ガス濃度検出手段３との間に配設され、前記測定チャンバ１の排気口２ｂが、前記正逆回転制御可能ファン４１の換気送風方向の下流側に配設され、負圧で前記入気口２ｃの入気フィルム開閉弁２００が開くと共に、正の風圧で前記排気口２ｂの排気フィルム開閉弁２１０も開くことで換気モードとなり、正逆回転制御可能ファン４１を反対方向の気流となるように作動させるときには、入気フィルム開閉弁２００及び排気フィルム開閉弁２１０が共に閉じ、測定チャンバ１の内部が空気流が循環する内部循環モードに転換する。
【００４１】
なお、本実施形態は、例えば、ＣＣＳ事業において、地中貯留された二酸化炭素の地上への漏出モニター装置として使用することができるが、これに限定されるものではなく、各種のガスフラックスを検出することが可能である。例えば、石油増進回収法による石油・天然ガスの開発生産地域やシェールガス開発地域などにおける、水、二酸化炭素、炭化水素ガスなどを圧入する場合などにおいても、対象の貯留層から地表面への漏洩を検出するガスモニター装置として同様に適用できる。
【００４２】
地下の地層に接続する土壌または岩石層Ａ上に固定された測定チャンバ１の上部に設けた入気口２ｃと入気開閉弁５及び測定チャンバ１の側面下方に２から４か所程度の複数個所に排気口２ｂと排気開閉弁６を設け、測定チャンバ１の内側に内部循環及び換気制御手段４及びガス濃度検出手段３を配置して測定系を構成する。測定チャンバ１の形状は、下部の土壌または岩石層との接触する底部開口面積Ｓ（ｍ２）とその内部容積Ｖ（ｍ３）が規定できる円筒，四角形、半球などの種々の形状を有してもよい。
【００４３】
図１は測定チャンバ１がその下部の土壌または岩石層Ａとの接触面を除いて遮断された閉鎖系での内部循環モードを表す。同図中の矢印はチャンバ内の空気の循環流れを示す。測定チャンバ１の上部に設けた入気開閉弁５及び測定チャンバ１の側面下方に２から４か所程度の複数個所に設けた排気開閉弁６ａ、６ｂが全て閉じられた状況で測定チャンバ１の底面開口部２ａから内部に放散されるガスと内部空気が一様な濃度になるように内部の換気制御手段４を稼働させて撹拌・混合する内部循環モードで、その開始時刻から測定チャンバ１の内部空気中の当該ガス濃度をガス濃度検出手段３で適当な時間測定し、初期ガス濃度時間勾配を導出することで、当該のガスフラックスを以下の数式１から算定する。
【００４４】
【数１】
2015200525.tif 000003
Gflux: 土壌または岩石層から放散されるガスフラックス(mL/s/m2)
Cchamber: 測定チャンバ内の空気中の放散ガス濃度 (ppm)
t : 内部循環モードに設定開始した時刻からの経過時間 (s)
V : 測定チャンバの内部容積 (m3)
S : 測定チャンバ下部の土壌または岩石層と接触する底部開口面積 (m2)
【００４５】
図２は測定チャンバ１の内部における空気を大気中の空気に入れ替える換気モードが実現された状況を示す。同図中の矢印はモニター装置全体と測定チャンバ１の内部における空気の流れ方向を示す。測定チャンバ１の上部に設けた入気口２ｃ及び入気開閉弁５は入気筒７に接続し、スクリーン（フィルター）９ａ〜９ｅ、入気筒カバー１０、入気筒防護カバー１２、上部防御筒１３により、雨や雪あるいはゴミを取り除いて表層大気を導入し、測定チャンバ１下方に設けた排気口２ｂと排気開閉弁６ａ及び６ｂから下部防御筒１４の側面に開けた大気への排出口８ａ及び８ｂ、入気筒カバー１０の構成によって、雨などの天候に左右されずに測定チャンバ１の内部空気を周辺大気へ排出する換気モードとなる。測定チャンバ１の換気が終了する時刻において、その内部に設置されたガス濃度検出手段３によって周辺表層大気中の当該ガス濃度が測定される。図２に示すガスモニター装置に複数のスクリーン（フィルター）９a〜９ｅを具備した構成を示しているが、モニター装置が設置される地域の環境条件に応じて、気流の経路に９ａ〜９ｅなどの前記スクリーン（フィルター）を適宜挿入し、清浄な表層大気（外気）を測定チャンバ１に測定精度に影響を与えない十分に小さな圧力損失で導くように配置する。
【００４６】
（第２の実施形態）
図３は、電磁力を利用して開閉する機械式の入気開閉弁５０及び排気開閉弁６０の作動を制御することで換気モードと内部循環モードを実現するシステム例を示したものである。本実施形態に係るガスモニター装置は、上記第１の実施形態で述べた構成に加え、さらに、前記測定チャンバ１が、例えば円形状の下方開口部分からなる半円球体で形成され、当該半円球体の頂部に前記入気口２ｃとしての入気開閉弁５０を配設されると共に、当該半円球体の外周辺近傍に排気口２ｂとしての排気開閉弁６０を配設されるものである。測定チャンバ１の形状は半円球体状のもののほか、下部の面積Ｓと内部容積Ｖが判明している円筒や四角柱の形状をもつものでもよい。
【００４７】
モニター装置全体の計測データ処理及びモード切替制御装置１００によって、排気弁及び入気弁の制御・電源回路１２０を制御することで電磁力によって開閉を制御した入気開閉弁５０及び排気開閉弁６０を操作することで、換気モードと内部循環モードをある時間サイクルで交互に実現する。このとき、また換気制御手段４による空気流は、測定チャンバ１の上部から下部に向かう流れであり、十分な換気流と内部循環流を実現できる性能をもつように設計される。ガス濃度検出手段３の電源と信号をガス濃度検出手段の計測アンプ及びデータ伝送に関わる回路１１０でガス濃度を信号としてモニター全体の計測データ処理及びモード切替制御装置１００に伝送し、ガスフラックス及び大気中のガス濃度データが分析され、本体に記録するか、外部の回路へデータ転送を行う。機械式あるいは電磁気式の入気開閉弁５０と排気開閉弁６０の例として、電気信号によって開閉を駆動できる機械式シャッター弁あるいはバタフライ弁などが該当する。前記ガス濃度検出手段の計測アンプ及びデータ伝送に関わる回路１１０はガスフラックスの異常判定をする警報回路１４０に測定したガスフラックスと表層大気中のガス濃度データを伝送し、過去のバックグランドデータの変動特性の確率密度分布に照らして、適切な危険率を設定することで土壌または岩石層Ａからのガスフラックスの異常に関わる警報信号を発するシステムを具備する。
【００４８】
機械式のの入気開閉弁５０と排気開閉弁６０を利用する場合は、測定チャンバ１の内部に設置する換気制御手段４の回転を変更することはとくに必要としない。また、測定チャンバ１内部に設置するガス濃度センサーは注目するガスの濃度センサーを用いればよく、それらを複数設置することでマルチガスモニター装置とすることも可能である。ただし、利用できる電力量に限りがある場合では、次節で示す図４及び図５に示す空気流の流体圧によってフィルムを変形させて弁の開閉機能を実現する装置構成をとってもよい。
【００４９】
図４及び図５は、電磁気力で作動する弁を使わずに換気モードと内部循環モードの切り替えを行うことが可能な測定チャンバ１の実施例を示したものである。前記測定チャンバ１の上部に配置した入気口２ｃの内側の両端にそれぞれ片止めされた薄く適度な弾力を持つ二枚のフィルムを用いた入気フィルム開閉弁２００を、測定チャンバ１の下部側面の排気口６１の外側から片止めした薄いフィルムを用いた排気フィルム開閉弁２１０を具備することにより入気と排気を制御する。これらのフィルムは片端のみをチャンバに固定し、もう一方の端は自由端とすることにより、チャンバ内の換気制御手段４の空気流の方向によって負荷される微小な空気圧の変化により容易に開閉がなされる構造となる。
【００５０】
図４に示すように、正逆回転制御可能ファン４１で空気流を上部方向に誘起するときには前記入気フィルム開閉弁２００が入気口２ｃを閉じ、前記排気フィルム開閉弁２１０が排気口６１を閉じることで、測定チャンバ１の空気は内部循環する（内部循環モード）。この内部循環モードにおいては、土壌または岩石層Ａから測定チャンバ１に放散されるガスは内部の循環気流によって撹拌・混合され、速やかに一様なガス濃度になる。内部循環モードが開始された時刻から約３０〜１００秒程度のガス濃度上昇データをモニター装置全体の計測データ処理及びモード切替制御装置１００のメモリに記録し、線形近似式に基づく数値データ処理によってガス濃度勾配を求め、数式１からガスフラックスを計算する。
【００５１】
このとき、正逆回転制御可能ファン４１で空気流を下部方向に誘起するとき、入気フィルム開閉弁２００に具備された二枚のフィルムが下方に曲がって変形し、入気口２ｃから表層大気の空気が測定チャンバ１に誘引され、同時に複数の排気フィルム開閉弁２１０のフィルムも外側に変形することで排気口２ｂから測定チャンバ１の内部の空気が大気へ排出される換気モードとなる。このとき、チャンバ内に設置されたガス濃度検出手段３の周辺空気は表層大気と同一となるので、ガス濃度検出手段３によって表層大気中の当該ガス濃度を測定することができる。
【実施例】
【００５２】
本発明のガスフラックスの測定方法を具体化したプロトタイプのガスモニター装置を用いて、九州大学伊都キャンパスの実際の試験フィールドにおいて、同試験フィールドにおける土壌から放散される自然状態での二酸化炭素ガスフラックスのバックグランドデータを半球の直径１８．５ｃｍ、高さ９．５ｃｍ、内部容積２．０リットルのチャンバを用いて約１年間測定した。
【００５３】
図６は、同じく九州大学伊都キャンパスの実際の試験フィールドにおいて、年間を通じた測定結果を土壌水分量並びに土壌温度に対する二酸化炭素ガスフラックスの変化をプロットしたものである。土壌温度が２０℃での二酸化炭素ガスフラックスは平均２μｍｏｌ/ｓ/ｍ２ の値を示し，温度上昇に伴いそのガスフラックス値が上昇する傾向が明らかである。これは，土壌中における微生物活動が温度の上昇にともなって活発化することで土壌中の二酸化炭素濃度を上昇させ，結果的に二酸化炭素ガスの分子拡散による大気への放散量が増加したためである。土壌温度のほか，土壌水分，地表の風速などの影響も認められた。また、一年を通じて、１０μｍｏｌ/ｓ/ｍ２以上の測定値が観測されなかったことから、究極的な危険率の設定として、これの値以上の測定値が観測される場合には土壌中の自然状態での二酸化炭素ガス放散に何らかの他の排出源からの二酸化炭素が混入し異常が生じていると判断する警報システムを想定できる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
二酸化炭素地下貯留の実施領域に近い陸域での二酸化炭素漏洩監視モニタリング及び二酸化炭素や炭化水素ガスなどを用いて石油・天然ガスの増産を図る採油増進回収（ＥＯＲ）を実施する地域やシェールガス開発地域での二酸化炭素、メタンガスなどの炭化水素ガスの地上への漏洩監視モニタリング、並びに農業地帯の耕作地土壌の二酸化炭素ガスフラックスのモニタリングなど広範な利用に供することができる。
【符号の説明】
【００５５】
Ａ   土壌または岩石層
Ｂ   降雨対策のためのトレンチ
１   測定チャンバ
２ａ  底面開口部
２ｂ  排気口
２ｃ  入気口
３   ガス濃度検出手段（ガス濃度センサーあるいは外部にあるガス濃度センサーへの空気供給手段）
４   換気制御手段（ファン）
５   入気開閉弁
６ａ、６ｂ  排気開閉弁
７   入気筒
８ａ、８ｂ  ８   大気への排出口
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ  スクリーン（フィルター）
１０ 入気筒カバー
１１ 測定チャンバ用防護カバー
１２ 入気筒防護カバー
１３ 上部防御筒
１３ａ、１３ｂ  外気開口部
１４ 下部防御筒
１４ａ、１４ｂ  外気開口部
１５ａ、１５ｂ  外気開口部
２０  排気チャンバ  （８ａ、８ｂ、９ｄ、９ｅ、１１、１４、１４ａ、１４ｂを纏めたもの）
２１  入気チャンバ  （９ａ、９ｂ、９ｃ、１０、１２、１３、１３ａ、１３ｂ、１５ａ、１５ｂを纏めたもの）
４１    正逆回転制御可能ファン
５０    電磁力を利用して開閉する入気開閉弁
６０    電磁力を利用して開閉する排気開閉弁
１００  モニター装置全体の計測データ処理及びモード切替制御装置
１１０  ガス濃度検出手段の計測アンプ及びデータ伝送に関わる回路
１２０  排気弁及び入気弁の制御・電源回路
１３０  チャンバ内部のファン制御・電源回路
１４０  ガスフラックスの異常判定をする警報回路
２００  片止めされた薄い弾力性のある二枚のフィルムを用いた入気フィルム開閉弁（入気フィルム開閉弁）
２１０  片止めした薄い弾力性のあるフィルムを用いた排気フィルム開閉弁（排気フィルム開閉弁）
【図１】
2015200525.tif 000004
【図２】
2015200525.tif 000005
【図３】
2015200525.tif 000006
【図４】
2015200525.tif 000007
【図５】
2015200525.tif 000008
【図６】
2015200525.tif 000009
【図７】
2015200525.tif 000010