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非火山性地域の地熱資源
深層熱水
茂野博(地殻熱部)
楲午1.はじめに現在寿命が長くないと予想されている石油の代替となるエネルギｰ資源｡技術の研究･開発が精力的に進められている.しかし大量で安定した環境を悪化させない低価でさらに短い期問に開発可能なものという条件は簡単には充足されそうにない.このような状況の中では今後エネルギｰ･ロスを技術的にできる限り減少させる一方場合によっては不必要なエネルギｰの使用を停止する(最も難しい価値や倫理の問題を含む)とともに目的に応じて低品位のエネルギｰ資源をも最適の方法で利用して行かなければならないであろう.
エネルギｰ需要の中で比重の大きい無形態での需要には住宅冷暖房農漁業利用(温室畜産養魚など)工業利用(乾燥化学反応促進など)融雪など10ぴC以下の温度で充分に行えるものが分散的にしかし多量に存在する.このような需要に対して高品位エネルギｰ資源を何度も変換して遠距離よりエネルギｰを運搬して来ることは非常な無駄であると言わざるを得ない.
このような需要に答える低温熱エネルギｰ資源の1つとして深層熱水資源がある.
2.深層熱水資源
放射性元素の壊変などにより歴史的に地球内部へ蓄積した熱はより低温の地表へと移動して行くがそれにはさまざまな様式がある.プレｰト･テクトニクス説に従えばプレｰトの境界のような場ではマントルでマグマが発生しマグマの上昇に伴われて地球内部の熱が濃集した形で急速に地殻へと伝達される.このような地域は火山性地域と呼ばれている.一方地球内部の熱は非火山性地域を含めてマントノレから地殻へと伝導によってゆっくりと伝えられている.地殻へと移動して来た熱はさらに水などの流体の移動に伴なわれてあるいは伝導により地表へと伝達されている.このような地球内都から地表への熱の移動は地下増温率や地殻熱流量の形で観測することが可能で非火山性地域において前者の平均は1,000m深くなることに約30℃の上昇
後者は約1.5x1O‑6ca1/cm2/s程度といわれている.
地熱エネルギｰの開発は従来火山性地域の地下に存在する150｡σ呈度以上の蒸気｡熱水を用いた発電を中心に進められる傾向が強かった.しかし多くの都市が位置する非火山性地域においても一般に堆積盆地など
では地下深部に大規模な層状の熱水貯留層が存在しておりボｰリングにより多量の熱水が採取｡利用できる.
このような型の地熱資源は深層熱水と呼ばれている.
深層熱水資源の開発は経済的および地質学的条件に応じてさまざまな型のものが現在までにフランスパン
ガリｰソビエト連邦などで進められておりアメリカ
合衆国西ドイツイギリス中国それに日本などで開発の可能性の実証的な検討が進められている.次に各国の現状を簡単に紹介する.
(1〕ハンガリｰ
DinaricA1ps山脈Carpathians山脈などで囲まれるCarpathianBasinは第四紀の火山はほとんど存在していなレ)がマントルが深さ約25km程度まで上昇して来ておりヨｰロッパで最も地殻熱流量の高い地域の1つとなっている.この地域の深層熱水は広域的に新第三紀以降の砂岩･砂層およびそれ以前の炭酸塩岩の中に貯留されておりその水圧は静水圧よりやや高い程度で塩濃度は海水の半分以下の場合が多い.ハンガリｰの全域で1962年以降急速に進行した深度数100〜2,000m程度のボｰリング井約500本より35〜10ぴCの熱水が2.5×104×程度湧出している.熱水の利用は1.5x10箇m2以上に及ぶ温室などの農業利用を中心に地域暖房や医療などに広がっており総利用エネルギｰは4.O×1015ca1/yearに達している.なお地下3km以浅の熱水の熱資源量は1.2×1022ca1程度であると見積られている.
(2〕フランス
フランス本土には第四紀の火山はほとんど存在していなレ)が地殻熱流量が2.O×10‑6ca1/cm2/sより高い地域が多い.特にParisBasi口AquitaineBasin
A1saceなどでは主に中生代の砂層砂岩炭酸塩岩中に多数の熱水貯留層が広域的に存在しており深度約3,OOOmで10ぴC程度の温度になっている.熱水の水圧は一般に静水圧よりもやや高くその塩濃度は変化に富むが海水より低い場合が多いようである.1968年頃よりParis近郊のMe1un市で深度約1,800mの1本の一203一生産井より得られる約70℃90×の熱水を用いた閉鎖系の熱交換方式(熱交換後深層熱水は1本の還元井より同一地下水準に還元)により約2,500世帯の暖房および給湯をおこなっている(冬期の最大熱需要時には補助ボイラｰを併用)のを始め現在20地域以上で深度1,800m温度60〜70℃程度の深層熱水の地域暖房や農業への利用が開始あるいは計画されている.
(3〕アメリカ合衆国
Texas州やLωsiana州が位置するGu1fofMex‑
icoBasinでは堆積盆地の基底部に存在するジュラ紀の岩塩層から多数のドｰムが上昇して来ており岩塩の熱伝導率が高いために全般的に地下増温率が高くなってレ)ると考えられている.この地域では白亜紀以降海成の頁岩と砂岩とが10km以上に及ぶ厚さで堆積し砂岩の一部は堆積時より生成する海岸線に平行な多数の断層によってブロック化されて厚い頁岩中に存在している.
頁岩は堆積一続成作用が進行するにつれて孔隙率および透水率が急激に低下するが一方頁岩中の粘土鉱物からは多量の層間水などが放出される.このため温隻が10ぴC程度となる深度以深では異常高圧層と言われる水圧が静水圧を越えて岩圧に近づいた状態が形成される.
特にブロック状の砂岩層には放出された水が集積することとなり深部からの流体移動によって温度が急増すると/ともに堆積物中の有機物が分解することによって生成するメタンガスが移動集積している.熱水は一般に地下4,O00mで150℃程度で.より深部では250℃以上の温度も観測されておりその塩濃度は変化に富むが一般に海水程度となっている.このような深層熱水資源は岩灰水型(geop.essured‑geothema1resources)と呼ばれており2次媒体を用いる発電(バイナリｰ発電)とともに分離するメタンガスの利用が検討されている.
U.S.G.S.の評価によれば海域を含む北部Gu1fof
MexicoBasinにおける深度6.86kmまでの岩灰水型資源の総熱エネルギｰは2.4x1022ca1総溶存メタンガ
ス量は2.0×1015m3(標準状態)程度でそれぞれ約10%が砂岩中にありこのうち合計最大1×1021ca1程度のエネルギｰが採取可能であると考えられている.現在
DOEを中心に岩灰水型資源開発の経済性の実証的研究として主に熱水中の溶存メタンガス濃度および1本の井戸からのエネルギｰ可採量を明らかにするために数本のボｰリング井を用いた噴出試験がおこなわれている.
ω日本
日本においても国の新エネルギｰ研究開発の中で深層熱水の研究が進められている.昭和52〜53年度には基礎調査として既存の資料をもとに深層熱水の存在が期待できる30地域の堆積盆地について熱エネルギｰ需要貯留層構造地下温度構造熱水の化学的特性などの概要についてとりまとめ各地域の資源量評価がおこなわれた.選定された地域は厚く分布する新第三紀以降の堆積岩類中に貯留層が存在すると考えられる裏日本の秋田｡新潟平野東北地方の山間盆地石狩平野などのほか花開岩類が貯留層となっていると考えられる甲府盆地熊本平野などを含んでいる.日本の堆積平野･盆地は一般に地下増温率が30℃/1,000mより高い場合が多く30地域に存在する深層熱水の利用可能な熱エネルギｰは1.2×102.ca1程度であると予想された.
この結果を基礎に昭和54年度より開始され現在所エネルギｰ総合開発機構によって秋田空港が位置する雄和町周辺において進められている深層熱水供給システム
開発は昭和58年度を目標に地熱エネルギｰの多目的利用の確立を目ざして最適採取･還元システムの検討を行っている.昭和55年度に掘さくされた試験1号井(深さ1,300m)では貯留層となっている船川層中部の和田礫質砂岩層(層厚約350m)から水中ポンプ揚激こより口元温度約65℃約40×の熱水が採取可能である.な
お熱水の塩濃度は海水の半分程度で若干のメタンガスが付随している.今後還元井および観測井の堀さく後産出･還元試験採取還元試験施設製作トレｰサｰ試験などのほかシミュレｰション研究や地盤変動調査を加えた総合解析がおこなわれる予定である.
3.おわリに以上述べたように低温熱エネルギｰ資源である深層熱水の大規模な利用は世界的にも最近開始されたものである.このため開発｡利用技術環境への影響それに経済性など開発地域の条件に応じて具体的に研究されなければならない問題がまだ数多く残されている.
一方今後深層熱水の地球科学的状態｡成因の解明とともに資源量の把握もより精密におこなっていく必要がある.特に日本においては秋田･新潟平野などの深い堆積盆地の深部における岩灰水型深層熱水あるいは東北山間盆地などの火山フロントに近い堆積盆地の深部における第四紀火山の熱の影響を受けた深層熱水"などについて存在の可能性を検討するとともにその資源量を明らかにして行く必要があると思われる.
深層熱水資源は価値ある大規模な純粋の国産エネルギｰ資源である.しかし前述した平勾地殻熱流量から計算すれば深層熱水資源が化石的熱資源であることは間違いない.今後長期的な展望を持って深層熱水資源を研究･開発して行くことが重要である｡