資源戦略学講座

Resources Strategies

地圏環境計測・分析学分野 Geo-environmental Measurement and Analysis

Measurement, observation and equipment development forunderstanding of various geosphere information

先進社会環境学専攻

地圏環境の正確な観察・計測・分析と記録、またそのための装置・技術・方法の開発

助教 平野 伸夫
Assistant Professor

Nobuo Hirano- 岩石相互作用、地球内部の水熱条件下での岩石状態の把握、石英や長石など鉱物の自然および人工熱発光（NTL、ATL）計測､ 酸性温泉排水と金属アルミニウムを用いた水素の発生技術等である。主に地熱および温泉資源の開発と有効活用を目的としたものであり、これらの研究成果をる現象である。これは一度加熱された鉱物は発光しなくなるということを意味しているため、同時代に結晶化した鉱物は、地熱環境にあっ最終的には社会に還元したいと考えている。

た鉱物は地熱環境になかった鉱物よりも観察される発光量が少なくThe objective of the laboratory studies is to focus on measurement and observation for understanding different geosphere information, for which we aredeveloping apparatuses. Our main targets are water–rock interaction, the destruction of rocks under hydrothermal conditions at Earth’s interior, naturaland artificial thermoluminescence (NTL, ATL) of minerals such as quartz and feldspar, and hydrogen production from the reaction of strong acid hot springdrainage and aluminum metals.
Our main focus is the development and utilization of geothermal resources, and we will use these research results for social purposes.

られた岩石試料から、地熱資源有望地のスクリーニングがある程度可なる。これを利用すれば、大規模な物理探査前の地表踏査などで得能である。これらのデータを得るための専用測定装置の開発を東栄科
学産業（株）とともに継続していたが、今年度は市販を目的とした装置の開発が完了した（Fig.3、Fig.4）。この装置は昨年度から環境科学研究科とエルサルバドル大学との間でおこなっている SATREPS 国際科学技術協力プログラムで使用する機器として、エルサルバドル大

流体相変化に伴う岩石鉱物の破壊現象

Fracturing of rocks by fluid phase change

これまでの研究で、岩石類を 400℃から 500℃超の超臨界状態水中に設置し、急減圧をおこなうと内部流体の沸騰と断熱膨張に伴う温度低下によって、岩石に顕著なき裂を生じさせることが可能であることを報告してきている。この現象は地殻深部や火山近傍における岩石き裂発生原因の解明や鉱物脈生成の原因を考える上で重要となる。これまでの室内実験および数値シミュレーション結果から、き裂発生のためには岩石内部にある程度の石英を含有する必要がある事が示唆された。これを確認するため、石英をほとんど含まないはんれい岩を使用し実験をおこなったところ、はんれい岩は石英を含む花こう岩と比較してき裂の発生量が低下する事を確認した。また、加熱・減圧を繰り返した場合にはき裂の発生量が増加していくことも判明した。
（Fig.1、Fig.2）

鉱物の熱発光を用いた地熱兆候探査
岩石を構成する鉱物、特に石英および長石では鉱物熱発光（Thermoluminescence, TL）と呼ばれる現象が観察される。これは鉱物内に蓄えられた自然放射線を起源とするエネルギーが、鉱物が加熱されることにより解放され、エネルギー蓄積量が発光強度として観察されFig.1 Changes of porosity of gabbro by Number ofdecompression cycles at 500 and 600 ˚C.

4Coexistence Activity Report 2019

Previous studies found that when rocks are placed in supercritical water
above 400 ˚C to 500 ˚C and rapidly decompressed, the boiling of the internal
fluid and the temperature decrease associated with adiabatic expansion cancause significant cracks in the rock. This phenomenon is predicted toexplain rock cracking in the deep crust and to be applied to new excavation
methods for geothermal development. The results of previous laboratory
experiments and numerical simulations suggest that the rocks must include
some quartz for crack initiation. In order to confirm these results, anexperiment was performed using gabbro containing almost no quartz. The
occurrence of cracks in the gabbro was lower than that in granite containing
quartz. Additionally, the amount of cracks increased when heating andrapidly decompression were repeated (Figs.1, 2).

Preliminary geothermal exploration
using thermoluminescence
A phenomenon called thermoluminescence (TL) is observed minerals
constituting rock, especially quartz and feldspar, in which energy
originating from natural radiation stored in minerals is released when theminerals are heated and in which energy accumulation is observed as
emission light intensity. This means that the mineral does not emit lightafter being heated. Therefore, minerals have less luminescence in
geothermal areas than those in non-geothermal areas crystallized during

Fig.2 X-ray CT images of decompressed gabbro
sample at 500˚C. Upper image is before decompression.
Lower image is after decompression.

Fig.3 Developed TL measuring equipment
for commercial use.

学に納入される予定である。また、次年度も引き続き測定データの処理方法や長石 TL の適用性などについての研究を継続していく予定である。

玉川温泉酸性排水を用いた水素発生
これまでの実験から、金属アルミニウムを 50 - 60℃程度の pH1-2の強酸性溶液や pH13-14 の強アルカリ溶液をと反応させた場合、水素を発生させる事が可能であることが判明している。これは、従来の水熱反応による水素生成の方法よりも非常に低い温度であり工業的な利用が期待できる。今年度は秋田県仙北市の玉川温泉において発生している強酸性温泉排水とアルミニウム製品製作過程において排出される廃アルミニウム屑を利用した水素生成実験を本格的におこなった。
その結果、廃アルミ屑 150g に対し、60℃・pH1.2 の温泉水を毎分

the same era. This phenomenon makes it possible to screen for promisinggeothermal areas from rock samples obtained by surface exploration before
large-scale geophysical exploration. This laboratory and Toei ScientificIndustrial Co., Ltd. has continued to develop dedicated measuring equipment
for obtaining these data, which was completed for commercial use this year(Figs.3, 4). This equipment will be delivered to the University of El Salvador
for use in the SATREPS International Science and Technology Cooperation
Program. We will continue to study the processing of TL measurement data
and the applicability of feldspar TL.

Hydrogen generation from aluminum withacid hot spring water at low temperature
Hydrogen is generated when a strongly acidic solution at pH 1–2 or a strongly
alkaline solution at pH 13–14 and metallic aluminum react at about 50–60 ˚C. This is a much lower temperature than the conventional hydrogenproduction method by hydrothermal reaction, and industrial applicationscan be expected. This year, we conducted a full-scale hydrogen production
experiment using the highly acidic hot spring water at Tamagawa Hot Springin Senboku City, Akita Prefecture, and aluminum scrap waste discharged
from the manufacturing process for aluminum products. As a result, when
150 g of aluminum scrap was reacted with hot spring water at 60 °C and pH
1.2, it was possible to produce about 7.5 L of mixed hydrogen gas per hour(Fig.5). In addition, when this mixed gas was directly injected to a hydrogenfuel cell, it was possible to operate the hydrogen fuel cell and generate power(Fig.6). However, the produced gas contains hydride gas due to the effect ofelements in Tamagawa Hot Spring water, making it necessary to study how
to efficiently remove hydride gas.

Department of Environmental Studies for Advanced Society

本研究室では、地圏の様々な情報の理解に焦点を当てており、そのために必要な手法や装置の開発をおこなっている。主なターゲットは、熱水

15 Lで反応させたところ、1 時間あたり 7.5 Ｌ程度の水素混合ガスを発生させることが可能であった（Fig.5）。また、この発生した混合ガスをそのまま水素燃料電池に導入したところ、水素燃料電池を作動させることが可能であり、電力を得る事ができた（Fig.6）。ただし、混合ガスには玉川温泉水に含まれる元素の影響によって水素化物ガスも含有していることも判明しており、これを効率よく除去する方法の検討が課題である。

Fig.4 Control and data logging application
for TL measuring.

Fig.5 Hydrogen mixed gas production
experiment using acidic hot spring water andaluminum scrap waste.

Fig.6 Driving experiment of hydrogen fuel cellusing generated hydrogen mixed gas.

Coexistence Activity Report 20195