資源戦略学講座

Resources Strategies

地球物質・エネルギー学分野

Geomaterial and Energy

Fluid-driven dynamics of the geosphere:
resource formation and decarbonization processes

教授 岡本 敦准教授 宇野 正起

Professor

Associate Professor

Atsushi Okamoto

ズムや、二酸化炭素鉱物固定化に関する研究を進めている。本年度は、マントルや大陸地殻の岩石から、短期間の流体流動の証拠を見出し、沈み込み帯や地殻の地震活動との関係を示唆した。また、二酸化炭素が岩石に固定化される際に岩石を破壊する現象を実験室で再現し、二酸化炭素の循環が沈み込み帯の摩擦挙動に大きく影響することを示唆した。超臨界地熱貯留層の岩石と室内実験から、岩石の熱水変質によって形成する空隙の役割を示した。さらに、海底熱水系の硫化物チムニーが半導体特性を持ち、海底での発電現象を引き起こす可能性を示した。
We specialize in investigating fluid-rock reactions and the transport of energy and materials within the geosphere. Our research encompasses thecorrelation between earthquakes and fluid dynamics, the mechanisms behind geothermal resource and seafloor hydrothermal deposit formation, andthe mineralization of carbon dioxide. In the current year, our findings include the identification of evidence showcasing short-term fluid flow fromrocks in both the mantle and continental crust, implying a connection between fluid activities and seismic events. Through successful laboratory
experiments, we observed reaction-induced fracturing during the carbonation of natural rocks. Moreover, our research indicates that the circulation ofcarbon dioxide significantly influences the frictional behavior in subduction zones. We also demonstrated the crucial role of transient porosity resulting
from the hydrothermal alteration of minerals in the development of geothermal reservoirs. Additionally, we highlighted the semiconductor properties
of sulfide chimneys in seafloor hydrothermal systems, suggesting the potential for power generation phenomena on the seafloor.

特任助教

アスティン ヌルディアナ

ダンダル オトゴンバヤル

Assistant Professor

Assistant Professor

Astin Nurdiana

Dandar Otgonbayar

流体反応による岩石破壊と空隙生成：
地熱貯留層と二酸化炭素鉱物固定に対する役割
次世代型の再生可能エネルギーとして期待されている超臨界地熱資源を評価するために、葛根田地熱地帯の熱源である花崗岩のミクロな空隙の存在形態を X 線 CT で詳細に調べ、長石の熱水変質による空隙と、花崗岩結晶化時に形成されたファセット型の空隙が多量に存在していることを明らかにした。さらに、長石の変質による「うごく」空隙を実験室で観察することに成功し（Fig. 2）、その形状を位相幾何学のアプローチでキャラクタリゼーションしている。
二酸化炭素を地中に鉱物固定するためには、固体体積が増加する反応でいかに流路を保持するかが最大の問題である。これまでアナログ物質でしか報告がなかった反応誘起破壊について、本年度は、変質マントル岩石（蛇紋岩）を用いた反応実験を行い、不均質地殻流体活動の時間スケールと地震現象
地殻や沈み込み帯には、「みず」が存在し、流体圧の上昇は地震を引き起こす引き金になると考えられてきたが、物的証拠はこれまでほとんどなかった。オマーン国に露出したマントル岩石に存在する鉱物脈（亀裂の化石）周りの反応帯を詳細に解析することで、沈み込み帯上盤のマントルにおいて数ヶ月という短期間で高速の流体流動が起こったことを示し、沈み込み帯で観測されるスロー地震との関係を示唆した (Fig. 1; プレスリリース 2023 年 4 月 6 日 )。また、南極での大陸地殻岩石においても、短期間の流体流動の岩石学的証拠を見出し、地殻内地震のマグニチュードと地殻に供給される流体量との関係を議論した。
沈み込むプレートともに莫大な炭素が地球内部に持ち込まれている。沈み込み帯の地殻－マントル境界を再現する高温高圧反応実
験と熱力学的な計算を行い、プレート境界を弱くする滑石の生成にCO 2 が重要な役割を持つことを示し、表層環境と地球内部のダイナミクスをつなぐ物質循環について検討を行っている。
（科研費基盤研究（S））。

Fig. 1 Timescale and velocity for fluid-flow in mantle wedge
and its relation to slow earthquakes.

12 Coexistence Activity Report 2023

Timescale of fluid activity within crustand its relation to seismicityに炭酸塩化が進むことにより、天然岩石の破壊が起こることを実証した。モンゴル、アメリカ西海岸、四国などでの蛇紋岩体の調査も進めている。また、体積変化、応力、浸透率をその場計測する新Although it has been believed that fluids exist in the crust and subduction
zones and that increased fluid pressure triggers earthquakes, there has
been little geological evidence to date. We analyzed the reaction zones
around mineral veins (fracture fossils) in mantle rocks exposed in theSultanate of Oman and showed that fast fluid flow occurred in the mantle
wedge within the subduction zone in a short period of several months,suggesting a relationship with slow earthquakes observed in thesubduction zones (Fig. 1; Press release April 6, 2023). We also foundpetrographic evidence of short-term fluid flow in continental crustal
rocks in Antarctica and discussed the relationship between the magnitudeof intra-crustal earthquakes and the amount of fluid supplied to the crust.

たな反応装置を開発し、流体を吸収する体積膨張反応の進行が破Enormous amounts of carbon are brought into the Earth’s interior withplate subduction. Based on high-temperature and high-pressure reaction
experiments and thermodynamic calculations that reproduce the crustmantle boundary in subduction zones, we show that CO2 plays an importantrole in the formation of talc that weakens the plate boundary, and wediscuss the global carbon cycle that links the surface environment and thedynamics of the Earth’s interior. (Grant-in-Aid for Scientific Research [S])ちに、内部の温度が上昇することで置換反応が進むことで、熱電性Fig. 2 X-ray CT images showing porosities produced during thefeldspar alteration (left) and their topological analyses (right).

Group Photo

壊と流体流動に与えるフィードバックの検討を進めた。(JST 創発的研究支援事業，科研費基盤研究 (S))。

海底熱水系における熱起電力と水素生成
日本近海に数多く存在する海底熱水系は、レアメタルなどの重要な金属鉱床を作るとともに、特異な生態系を支えるエネルギー源としても注目されている。熱水噴出孔から採取したチムニーの構造と電気特性を調べ、硫化物の微粒子の多孔質な集合体が形成したの能が発現することを見出した。
また、海水がマントルに浸透して形成した蛇紋岩の Fe の化学状態について X 線分析による２次元イメージングに成功し、複数段階の反応によって鉄の酸化に伴う水素エネルギー発生が行っているこFracturing and Pore Formation in rocks inducedby Fluid Reaction: Roles on Geothermal
Reservoirs and Carbon Mineralization
To evaluate supercritical geothermal resources, we analyzed themorphology of microporosities in the granite of the Kakkonda geothermal
field by X-ray CT and revealed a large amount of voids due to thehydrothermal alteration of feldspar and faceted voids formed during
granite crystallization. Furthermore, we have succeeded in observing
transient porosities caused by feldspar alteration in laboratory experiments(Fig. 2) and characterize their shapes using a topological approach.
The biggest problem for the mineral fixation of carbon dioxide in theground is how to maintain flow paths in reactions that increase solid
volume. Reaction-induced fracture was demonstrated this year in reactionexperiments using altered mantle rocks (serpentinite), showing that theheterogeneous progress of carbonation leads to fracturing. We conducted
the field survey of serpentinite bodies in Mongolia, the western UnitedStates, and Shikoku. We developed a new reaction apparatus for the in-situ
measurement of volume change, stress, and permeability to study thefeedback of the progression of the fluid-absorbing volume expansion
reaction on fracture and fluid flow. (JST FOREST, Grant-in-Aid for
Scientific Research [S])Department of Environmental Studies for Advanced Society

地圏環境における岩石―流体の反応やエネルギー ・物質移動に着目し、地震と流体の関係、地熱資源、海底熱水性鉱床の形成メカニ

Masaoki Uno

助教

先進社会環境学専攻

流体が駆動する地圏環境のダイナミクス,
資源形成と脱炭素化プロセス

Thermoelectromotive force and hydrogenproduction in submarine hydrothermal systems
Numerous submarine hydrothermal systems in the seas around Japan haveattracted attention as a source of energy that supports unique ecosystems
as well as creating important metal deposits such as rare metals. We
investigated the structure and electrical properties of chimneys collectedfrom hydrothermal vents and found that after a porous aggregate of sulfide
particles is formed, a substitution reaction proceeds as the internal
temperature rises, resulting in thermoelectric performance.
In addition, we succeeded in the two-dimensional imaging of the chemical
state of Fe in serpentinite formed by seawater seepage into the mantle by
X-ray analysis and revealed that hydrogen energy generation associatedwith the oxidation of Fe occurs through a multistep reaction.とを明らかにした。

Fig. 3 Field work of Bayonhonbor ophiolite in Mongolia (July 2023).

Fig. 4 Poster presentation at the annual meeting of American Geophysical Union,San Francisco, USA (Dec 2023).
Coexistence Activity Report 2023

13