地熱開発のための物理探査技術の動向
内田利弘
産業技術総合研究所
uchida-toshihiro@aist.go.jp

ENAA 地熱発電・熱水活用研究会
2018年7月24日

内容
１． はじめに
２． 物理探査a. 重力探査b. 磁気探査c. 弾性波探査
３． 電磁探査a. 比抵抗構造
b. MT法概要
c. MT法3次元探査
４． まとめ2

物理探査の対象

１．はじめに不透水層（キャップロック）
貯留層（高透水性、熱水対流）

熱伝導変質帯
断裂・断層

天水の加熱・上昇 浸透
熱水

高温

熱熱源

メルト？

物理探査の対象• 地質構造• 断層、断裂• 熱流量、地温• 粘土変質• 熱水（流体）• 自然地震• 深部の高温領域

3１．はじめに地熱開発の流れ

ステージ

進級の判断

１． 予備調査（Preliminary survey)
文献調査、既存データ確認、環境影響確認、法規制確認
２． 探査（Exploration）
地質、地化学、物理探査、熱流量井掘削、概念モデル作成、予備FS
３． 予備掘削調査（Test Drilling）
生産井試掘、坑井テスト、概念モデル改良、貯留層評価、FS
４． 探査結果の総括と計画（Project Review and Planning）
坑井掘削計画、発電設備設計、経費予測、送電計画
５． 地熱フィールド開発（Field Development）
生産井・還元井掘削、噴気試験、貯留層評価
６． 発電所建設（Power Plant Construction）
７． 操業開始（Commissioning）
８． 運転（Operation）

Harvey et al. (2016)4

１．はじめに探査法ほぼ全てが適用される手法の選択が必要

地質地化学

物理探査

 写真判読 地質踏査 変質帯
 岩石の年代測定
 構造解析
 層序解析
 岩石学
 電子顕微鏡観察
 X線解析
 流体包有物 メチレンブルー

 温泉、噴気、地表水等のサンプリング 流体、ガスの分析
 同位体分析 地化学温度計
 土壌ガス調査
 地化学データの総合解析

 リモートセンシング
 熱流量
 磁気探査 重力探査 電気探査 電磁探査 自然電位 弾性波探査 微小地震地熱貯留層の概念モデル
Harvey et al. (2016)

２．物理探査

5

物理探査

探査法

対象とする物性・現象など••••

リモートセンシング、LIDAR
熱流量、地温
磁気探査
重力探査

地形、リニアメント、温度、変質
温度、熱
広域
磁化率、残留磁化
密度

••
•
•
•

電気探査
電磁探査（MT, CSAMT, TEM）
自然電位
弾性波探査（反射法）
微小地震

比抵抗
比抵抗
自然の電気分極、水の流れ
弾性波速度
詳細
自然地震
6

2a．重力探査

日本周辺の重力異常図

 陸上：30万測点以上
 海上：100万測点以上

高重力低重力 海底
 空中2a．重力探査

産総研 (2004)
重力データベース「Galileo」

仮定密度: 2.67 g/cm3

7

九州北部の重力異常

主要な既存地熱発電所は重力の急変部に位置する。
断層の存在が示唆される。

Fukuoka

仮定密度: 2.67

仮定密度: 2.3

産総研 (2004)

8

2a．重力探査

ニュージーランド・タウポ地熱地帯の重力異常

MT法3次元比抵抗モデル
深さ： -6.5 km

重力異常図

地熱開発サイトは環状の低重力異常（カルデラ状）の縁に位置する。

2a．重力探査

Bertrand et al. (2015)

9

H11年度NEDO促進調査「秋ノ宮」10

秋ノ宮・山葵沢地域
山葵沢

ブーゲ重力異常秋ノ宮

2a．重力探査

秋ノ宮・山葵沢地域

重力異常の解釈

NEDO促進調査「秋ノ宮」2a．重力探査11

秋ノ宮・山葵沢地域

地質断面

堆積岩、火山噴出物

花崗閃緑岩

NEDO促進調査「秋ノ宮」12

2a．重力探査

JOGMECによる空中重力調査（湯沢・栗駒）

鉛直重力偏差秋ノ宮・山葵沢

重力偏差計
JOGMEC (2016)

2a．重力探査13

空中重力データの3次元解析（弟子屈）・重力値・重力偏差データ

野上 (2018)

14

2a．重力探査

空中重力データの3次元解析（弟子屈）

インバージョンの信頼性：非一意性（初期モデル依存性）

野上 (2018)

2b．磁気探査15

磁気異常

日本の磁気異常図：全磁力（航空機からの計測）• 磁化率• 残留磁化• 新しい火山• 古い火山性岩石• 変成岩（蛇紋岩）• 海洋底の縞模様• 高温域の磁化消失• 地熱変質による磁化率の減少

産総研（2004)

16

2b．磁気探査

JOGMECによる詳細な磁気探査（霧島）

霧島地域の
磁気異常：
極磁気変換（ヘリコプターによる計測）• 大霧の北側は高磁気異常• 白水越は低磁気異常

水色：変質帯

2b．磁気探査JOGMEC (2015)17

磁気データの3次元解析（澄川・秋田焼山）

南北断面
B

C

D
東西断面

A

Okuma and Nakatsuka (2016)18

磁気データの3次元解析：東西断面

2b．磁気探査

東西断面

BC

DA

Okuma and Nakatsuka (2016)19

磁気データの3次元解析：南北断面2b．磁気探査

南北断面B

C

D

AOkuma and Nakatsuka (2016)20

2c．弾性波探査

反射法地震探査 陸域・海域
 2次元探査 3次元探査 堆積岩地域
 石油・天然ガス資源
 断層構造 火山岩地域、山岳地域への適用には難がある。

2c．弾性波探査

Source: USGS Website

21

青木 (2016)22

3次元探査の事例１（山川地域）

2c．弾性波探査

3次元探査の事例１（山川地域）

デイサイト貫入

2c．弾性波探査

陥没構造
青木 (2016)23

青木 (2016)24

3次元探査の事例１（山川地域）

断裂構造の抽出

2c．弾性波探査

2c．弾性波探査

3次元探査の事例２（鬼首地域）

青木 (2018)25

青木 (2018)26

3次元探査の事例２（鬼首地域）

地層境界、断裂構造の把握

3a．比抵抗構造

比抵抗（resistivity）と粘土鉱物

モンモリロナイト（スメクタイト）は他の粘土鉱物より顕著に比抵抗を下げる効果がある。

金属鉱業事業団による
浅熱水性硫化鉱床の探査のための研究

27

3a．比抵抗構造

比抵抗（resistivity）と粘土鉱物

KCl: 0.001 mol/l

KCl: 0.01 mol/l

モンモリロナイトによる比抵抗の低下は、間隙水の比抵抗に依存する。

KCl: 0.1 mol/l

Takakura (2000)

28

3a．比抵抗構造

比抵抗（resistivity）の温度依存

温度が室温（15℃）から200℃程度まで上がると、岩石の比抵抗は1桁以上低くなる。

横山ほか (1983)

3a．比抵抗構造29

地熱地域の比抵抗構造（澄川）

地質断面
Mo: モンモリロナ
イトの分布下限
Ch: 緑泥石の分
布上限

MT法2次元モデル

Uchida et al. (1994)30

地熱地域の比抵抗構造（澄川SN-7D）

3a．比抵抗構造

検層データ
地質

温度検層電気検層

Uchida et al. (1994)

3a．比抵抗構造31

温度指標としての熱水変質鉱物

変質鉱物の形成温度
中性酸性

他の変質鉱物

Franzson (1994)

Harvey et al. (2016)32

3a．比抵抗構造

地熱地域の比抵抗構造

比抵抗構造の特徴
キャップロック： 低温で安定な粘土鉱物に富む
 透水性が低い、熱伝導 顕著な低比抵抗

貯留層：
 高温
 高透水性、熱水対流 高温で安定な変質鉱物
 比較的に高比抵抗
Johnston et al. (1992)
Harvey et al. (2016)
33

3b．MT法概要

MT法（地磁気地電流法）
太陽風・磁気圏の活動(<1Hz)
雷放電 (>1Hz)

自然電磁波による地表の水平電場、磁場を計測すると、地下の比抵抗を求めることができる。

特徴
自然電磁波が地下に伝播し、減衰する現象を利用。
 地表で計測されるインピーダンス (Z=E/H)
は地下の電気伝導率（比抵抗）に依存する。
 広帯域（0.0001 Hz – 10,000 Hz）
 探査深度（スキンデプス）は周波数に依存する。
 ノイズ除去のため、リモートリファレンス処理が不可欠。
34

3b．MT法概要

MT法の測定配置

N
Hy

HxHz

W

E
S

35

3b．MT法概要

MT法探査の流れ

データ取得:


測点計画
リモートリファレンス点の設置
測点の準備
測定（磁場3成分、電場2成分、時系列データ）

データ処理:
スペクトル解析
リファレンス処理
MTインピーダンス算出（見掛比抵抗、位相、ティッパーなど）
データ品質チェック（見掛比抵抗曲線、擬似断面図など）

データ解析:


（スタティックシフト補正、ディストーション評価）
2次元解析
3次元解析

36

3b．MT法概要

データ品質

 信号の強度が不安定

 太陽の活動に依存（低周波数データ）
 人工構造物からのノイズ

 直流電車（広帯域のノイズ）
 直流の高圧送電線
 交流の高圧送電線
 交流の送電線
 電気を使う設備からの漏洩電流
 自然のノイズ源

風373b．MT法概要

データ品質チェック（柳津西山）
Uchida et al. (2015)

赤点：2000/2001年調査（39 測点のうち、26測点が図の範囲内）
緑点：2010年調査（30測点）

約25kmの距離に直流電車
383b．MT法概要

地磁気活動とデータ品質
日実績工程測 点

601

14151617181020A

B

CA

B

30(Hz 全サチ）

C

D

A

B

192021222324C

測定回数

K値
最終結 果に累積 使 用した デ ー タ

評価

331915AB C
AB

4.5
4318BCD

4314BCD

3.545345423
3915234727ABCD
ABCDE
AB C
ABCD
ABCDE
ABCD

43.5
44.5
4.5
4.5

314BCD3555334645555443364412 347393122222350414647473927353718562235

ABCDE
ABCDE
BCE
AB CAB CABCDEF( *)ABCD
EF( *)
ABCDE
ABCDE
ABCDE
C
ABCD
BCD
AB C
ACD EF
D
ABCD

4.5
4.54
3.5
4
3.5
4.5
4.5
44
4.5
4.5
444
3.5
2.5
44A
4027 日

610

5060
70
80
90100

A

B

Survey2010年10月
620

630

測定器台 数K 値の 最大K 値の 1 5 時間累 積

良K指数: 地磁気活動の強度

3b．MT法概要

不良B

CDAB
AAA

B

CAAA

B
B
B

CC
C

B

C

D

D

B

A
E

A
A

A

B

A

B

C

A

B

DB
C
B
A

C

D

E

C
B

DC

D

C

DA
B

B
CC
DB

C

DA

E

B

C

D

A
CA
B
DB
C

D
E

E

F
D
F
E
E

A

B

B
D
C

B

C

DE
C
E
D
DE

A

B
A(W)

C
B

DC

D

D

E

F

C

A
A

C

DA
(CF読めず)

110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
210
220
230
240
250
260
270
280
290
300

(Hy9割サチ）

C

A
B
C
D27
1 2 1 4 13 1 4 1 4 14 14 1 49022321222440859546491 6 12( *) 180と200は初回と再測定時でやや傾向が異なるため最終結果としてefを利用

評価基 準及び 測 定状況
5

全 周波数帯 において連続性 が良い。

4

1 0 0 秒ま での周波 数帯において 連続性が 良い。

3

1 0 秒までの 周波数帯 において連続性 が良い。

21 秒ま での周波 数帯において連 続性が良 い。

1

全 周波数帯 において連続性 が悪い。曲線 の傾向は なん とか把握で きる 。

0

曲 線の傾向 を把握 できな い周波数 帯が半数 を超え る 。

(×)

測 定失敗、及び バ ッテリー ダウン で翌 朝5 時 以前×

39

時系列データの例
Ex
Ey
測点630
(x=N32°E)

Hx

直流電車

HyHz

Ex
リモート点北200km(x=true north)

Ey
Hx
Hy

10 minutes
21:00 – 21:10
23 Oct 2010

HzAuto-scale40

3b．MT法概要

シングルサイト処理

測点630

One-day data: 23 Oct 2010

3b．MT法概要

測点630(no edit, x=north)41(no edit, x=north)42

リモートリファレンス処理
SSRRRRSS

One-day data: 23 Oct 2010

3b．MT法概要

最終的に得られたデータ

測点630
 4 days data Remote reference Edit43

3b．MT法概要

データ品質チェック（Ohaaki, NZ）
測定時間の影響赤測点:
Contact Energy 2010
(1晩の測定)白測点:
GNS DGT 2010‐12(2日間連続測定)

Bertrand et al. (2016)44

データ品質チェック（Ohaaki, NZ）

3b．MT法概要

測定時間の影響
1 night

2 nights

1 night

2 nights

(1)

(1’)

(3)(3’)

(2)

(2’)

(4)

(4’)

Bertrand et al. (2016)

3b．MT法概要

45

データ品質チェック（Ohaaki, NZ）

メッセージ:
1晩の測定に比べ、2日間の連続観測（40時間以上）によるメリット：
 S/N比の確実な向上
 信号の強い時間帯に遭遇する可能性が増える

Bertrand et al. (2016)46

3c．MT法3次元MT法の3次元解析（事例１）

大霧地域（鹿児島県）

白丸：MT法測点

大霧地熱発電所

3c．MT法3次元

Uchida (2005)

47

Uchida (2005)

48

大霧地域の3次元比抵抗モデル

Ogiri

南西から俯瞰

3c．MT法3次元

2次元解析と3次元解析の比較（１）(TM-mode)

測線Aの解析結果は2次元と3次元で類似。

Uchida (2005)

3c．MT法3次元49

2次元解析と3次元解析の比較（２）(TM-mode)• 測線Bの解析結果は2次元と3次元で大きく異なる。
• 2次元モデルは低比抵抗層が深部まで延びる構造。

Uchida (2005)

50

3c．MT法3次元

地熱モデルとの比較
MT3次元モデル
白水越
キャップロック

地熱モデル

4 wells (300 t/h steam)

大霧貯留層

after NEDO (2000)

Uchida (2005)
3c．MT法3次元

51

MT法の3次元解析（事例２）

柳津西山地域における事例
 1995年操業開始、設備容量65MWe。
 貯留層の圧力減少（二相ゾーン形成）による出力の減少。
 追加生産井掘削のための予備調査として、2010年にMT法3次元探査を実施。

52

3c．MT法3次元

MT法測点配置
Uchida et al. (2015)

赤点：2000/2001年調査（39 測点のうち、26測点が図の範囲内）
緑点：2010年調査（30測点）

約25kmの距離に直流電車
53

3c．MT法3次元

MT法データ例（１）Uchida et al. (2015)
54測点 601

3210-118013590450-45-90-135-180

3210-1-2-3-4周波数（log Hz）
54

3c．MT法3次元

MT法データ例（２）Uchida et al. (2015)
54測点 610

品質悪い3（生産基地の近傍）
2
10-1
18013590450-45-90-135-180

32

10-1-2-3-4周波数（log Hz）
55

3c．MT法3次元

インダクション・ベクトル
Uchida et al. (2015)
低比抵抗

低比抵抗

低比抵抗

 比抵抗が水平方向に変化するとき、インダクション・ベクトルは低比抵抗領域を向く。
 高周波数は浅部の状況、低周波数は深部までの状況を示す。

56

3c．MT法3次元

3次元解析１ （Area-1）
Uchida et al. (2015)

Rotation= 55 deg.
51測点
15周波数 (0.0134 - 229Hz)- Zxy / Zyx- Finite difference- Static shift- No topography(Uchida and Sasaki, 2006)- Forward cells: 59(x) x 57(y) x 40(z)- Cell size (surface): 100m(x) x 100m(y) x 25m(z)- Blocks: 17(x) x 16(y) x 18(z) = 4,896

3c．MT法3次元

57

3次元解析１ （Area-1）
Uchida et al. (2015)

Area-1:
3次元モデル
深度スライス

偽像?

58

3c．MT法3次元

3次元解析１ （Area-1）

断面図(x=1.4km, y=1.0km)

Uchida et al. (2015)

偽像?

東から俯瞰

3c．MT法3次元59

データのフィット
Uchida et al. (2015)60

3c．MT法3次元

3次元解析2 （Area-2）
Uchida et al. (2015)

Rotation= 90 deg.
59測点
14周波数 (0.0134 - 115Hz)- Zxy / Zyx- Finite difference- Static shift- No topography- Forward cells: 83(x) x 77(y) x 40(z)- Cell size (surface): 100m(x) x 100m(y) x 25m(z)- Blocks: 29(x) x 26(y) x 18(z) = 13,572

3c．MT法3次元61

3次元モデルの比較
Uchida et al. (2015)

Area-1Area-262

3c．MT法3次元3次元モデルの比較（深度：400m）
Uchida et al. (2015)

Area-1Area-2(Rot = 55 deg.)(Rot = 90 deg.)63

3c．MT法3次元3次元モデルの比較（深度：1200m）
Uchida et al. (2015)

Area-1Area-2(Rot = 55 deg.)(Rot = 90 deg.)64

3c．MT法3次元

坑井データとの比較
Uchida et al. (2015)

A’D
A
D’
65

3c．MT法3次元

坑井データとの比較（A-A’断面）
Uchida et al. (2015)

Rot = 55 deg.

Rot = 90 deg.

A’A

Average elevation 400m assumed

66

3c．MT法3次元

坑井データとの比較（D-D’断面）
Uchida et al. (2015)

Rot = 55 deg.

Rot = 90 deg.

DD’

調査対象エリアの外にも測点を追加することにより、対象エリアの深部の構造をより正確に求めることができる。
67

3c．MT法3次元

解析対象の範囲の影響

メッセージ： 調査対象域のみを稠密な測点でカバーする配置（Area-1）
による3次元解析では、調査対象域の端あるいは外に存在する比抵抗異常構造によって、解析エリアの縁辺部に偽の異常構造（偽像）が解析される危険性がある。
 調査対象域の外側にもいくつかの測点を追加することによって（Area-2）、そのような偽像の発生を抑え、さらに、調査対象域の中央部の深部の比抵抗モデルの信頼性を高めることができる。

68

3c．MT法3次元

測定範囲の影響の検討（Ohaaki, NZ）

Yellow:
GNS Ohaaki 2008
Red:
Contact Energy 2010
White:
DGT 2010-12

Bertrand et al. (2016)

3c．MT法3次元

69

測定範囲の影響の検討：2次元解析

A.
CE Only (red)B:
GNS + CE (black and red)C:
GNS Only (black and white)

Bertrand et al. (2016)

70

3c．MT法3次元

測定範囲の影響の検討：2次元解析

A.
CE Only (red)

偽像?

B:
GNS + CE (black and red)C:
GNS Only (black and white)

Bertrand et al. (2016)

3c．MT法3次元

71

測定範囲の影響の検討：2次元解析

A.
CE Only (red)B:
GNS + CE (black and red)C:
GNS Only (black and white)

信頼できる探査深度は、測定範囲の1/2程度以下。

Bertrand et al. (2016)72

3c．MT法3次元

測定範囲の影響の検討（Ohaaki, NZ）

メッセージ：• 深部まで（例えば、深さ5〜10km）の比抵抗構造を調べるには、ローカルなMT測定データの外側に広域的なMT測定データを追加することが効果的。

• 測点配置設定では、2次元探査と3次元探査のどちらの場合も、探査したい深度の最低2倍以上の範囲に測点を展開する必要がある。

Bertrand et al. (2016)3c．MT法3次元73MT法3次元探査の地熱探査への適用

MT法3次元探査は2000年代後半から急速に適用が増加 :
 米国
 日本
 ニュージーランド
 アイスランド
 インドネシア、東アフリカ、中央アメリカ、南アメリカ、・・・
3次元インバージョン解析法の開発（WGC2015論文） : Newman and Alumbaugh (2000)
 Sasaki (2001), Uchida and Sasaki (2003)
 Siripunvaraporn et al. (2005, 2009): WSINV3DMT Hautot et al. (2007)
 Egbert and Kelbert (2012): ModEM
74

3c．MT法3次元

ニュージーランドTVZにおける事例（１）：深部へ深部からの熱供給?

広範囲の測点配置により、深部を含めて正確な比抵抗構造を求めることができる。
Bertrand et al. (2015)

3c．MT法3次元75

ニュージーランドTVZにおける事例（２）

深部からの熱供給?

Heise et al. (2016)76MT法：まとめ4．まとめ

測定装置の改良 データ取得の簡便化
 3次元探査が可能に

3次元解析技術の向上と普及 3次元解析は不可欠



測点配置範囲は調査対象エリアよりも広くする
 対象エリアの深部の信頼性も向上

 今後の課題 インピーダンス全成分の使用
 地形の正確なモデリング スタティック効果、ガルバニック・ディストーションの考慮
77

物理探査：まとめ

４．まとめ

本講演のポイント物理探査の担当者は、適切な探査手法の選択
 ゆとりのある探査配置
 データ品質管理
 処理・解析では多くの試行により最良の結果を追求
 3次元解析は不可欠 地質、地化学、貯留層シミュレーションなどとの総合解釈とフィードバック

物理探査のユーザ（発注者）は、
 調査報告書を批判的にチェック ゆとりを持った探査の発注
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謝辞：
プレゼン資料の提供：• 青木直史氏（地球科学総合研究所）• 大熊茂雄氏（産業技術総合研究所）• Dr. Ted Bertrand (GNS Science)

ご静聴ありがとうございました。

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