九大地熱・火山研究報告第 11 号 (2002) 90-96 頁

重力変動観測による地熱貯留層モニタリング−鹿児島県山川地熱地域−
川頭＊

圭 ・西島潤＊＊・江原幸雄＊＊

Geothermal reservoir monitoring by observation of gravity changes− Yamagawa geothermal field，Kagoshima Prefecture −Kei KAWAGASHIRA*，Jun NISHIJIMA** and Sachio EHARA**

ABSTRACT
Yamagawa geothermal power station which is located in the southeast end of Kagoshima prefecture, Japan has been
operating since March 1995. We monitored the geothermal reservoir by the observation of gravity changes during five years
since 1996. Gravity changes occurred in the narrow area of the production and the reinjection zones during recent three years(1998 to 2001) and these changes are considered to be related to production and reinjection of geothermal fluids.
１．はじめに

深では温度が急激に 100℃程度まで下がる逆転層が見

地熱開発において地下流体の質量収支を捉えることられる。さらに深部では再び急激な温度上昇をしておは重要であり、重力変動観測はその一手段として広くり、2,000m 深で約 300℃まで上昇する。しかし、陥没用いられている。その代表的な適用例として Allis and構造の外では逆転層はなく、伝導卓越型の一定した温Hunt（1986）のワイラケイ地熱地域がある。

度上昇を示している。深部の温度分布をみると 300℃

本研究の対象地域である鹿児島県山川地熱地域では程度の高温異常部が 2 つあり、1 つは発電所付近を中1996 年より重力変動観測が行なわれている。米重ほ

心とする狭い範囲で、もう 1 つはその南部方向にあり、か（1999）は、1996 年 6 月〜 1999 年 6 月までの観測海に開く形で存在している。

において得られた重力変動の主な原因は、本地域での発電所の東部に位置する H 断層の高温異常部に向降雨量変化により水理状況が変動したことにより引きかい生産井が 1500 〜 2500m 深に、西部の I・F 断層起こされたものとしており、特に地熱流体の生産･還に向かい還元井が 800 〜 1700m 深に伸びており、本元による影響はないと結論していた。その後本地域で論文では H 断層付近を生産ゾーン、I・F 断層付近を新たな測定点を生産井の周辺に追加し、観測を継続し還元ゾーンと呼ぶことにする。

た結果、生産･還元と関係すると思われる変動を捉えることができたので、本論文で報告する。
２．観測地域概要
山川地熱地域は、鹿児島県薩摩半島の東南端の一画に位置している。本地区および周辺域には、多数の噴気や温泉等の地熱徴候が見られる。
吉村ほか（1985）によれば、山川地熱地域における高温分布域は、C ･ D ･ E 断層によって形成された陥没構造内に限られている（図 1）。この陥没構造内の坑井内温度プロファイルは、1,000m 深以浅で急激に150℃以上となる温度上昇があり、
一方 1,000 〜 1,500m

図1

観測地域位置（発電所及び断層位置）* 九州大学大学院工学府地球資源システム工学専攻地球熱システム学研究室〒 812-8581 福岡県福岡市東区箱崎 6-10-1
Laboratory of Geothermics, Department of Earth Resources Engineering, Graduate School of Engineering, Kyushu
University, 6-10-1 Hakozaki, Higashi-ku, Fukuoka 812-8581** 九州大学大学院工学研究院地球資源システム工学部門地球熱システム学研究室〒 812-8581 福岡県福岡市東区箱崎 6-10-1
Laboratory of Geothermics, Department of Earth Resources Engineering, Faculty of Engineering, Kyushu University, 6-10-1
Hakozaki, Higashi-ku, Fukuoka 812-8581
90重力変動観測による地熱貯留層モニタリング−鹿児島県山川地熱地域−

３．重力変動観測がないと考えている。しかし、海水面が最大の変化を

3 − 1．観測方法した場合の影響量のみを考えており、時間による変化

本研究で用いた重力計は、カナダシントレックス社を検討していなかった。そこで海洋潮汐による時間変製の CG-3M 型自動重力計である。1996 年 6 月 27 日

化を検討するため GOTIC2（Matsumoto et al．
，2001）から 2001 年 8 月 25 日までに計 13 回の重力変動観測を用いてその影響を計算した結果、観測点位置によるを行っている。図 2 に観測点の分布および後に示す重影響よりも観測中に変化した海洋潮汐の差が観測値に力変動空間分布図の範囲を点線で示す。観測点は南北与える影響が大きいことがわかった。例として観測中

約 2km､ 東西約 5km の範囲に 2000 年までは全 25 点に最も大きな海洋潮汐の変化があった 2000 年 8 月 24設置している。また 2001 年からは 4 点追加し、全 29日（測定は 13:30 〜 19:00）のデータについて図 3 に点となっている。

示す。重力値への影響量としては観測時間を考えると観測は往復測定を行い重力値は次式で決定してい最大で 10 µ gal 程である。

る。

次に標高変動補正について述べる。本地域では 1 年ごとに水準測量を行なっており、その１年間に変動した標高変化量は最大で 0.02m、最小で 0.002m、観測を開始してから 5 年間に最大− 0.05m 程度の変動をしている。地上付近での重力値の鉛直勾配を 308.6 µ gal/mとすれば、1 年間に最小で約 0.6 µ gal、最大で 6 µ galの変動をしており、観測開始から約 15 µ gal の変動が

図2μgalあることになる。

重力観測点位置

重力値＝（往きと帰りの平均値）±（往復差）／２6420-2-4-6-80:10

6:50 13:30 20:10

観測した全ての重力値の誤差ρｉ（ 往復差／ 2）よ時間

り、観測値の分散 S2 を以下の式で求めた。

図3n：観測回数

S2 =

BM2 での海洋潮汐経時変化（00 年 8 月 24 日）

3 − 3．重力基準点の移動

1 n 2∑ ρin i =1米重ほか（1999）では生産・還元ゾーンから最も離れた BS1 を基準点として浅層地下水位の季節変動に

そして t 分布区間推定を 95％信頼区間で行い、最小有よる重力の影響を除去している。しかし地下水調査井

意差を求めた。最小有意差は 9.6 µ gal であり、本地（WO1）の水位変化を見た場合に、浅層地下水位の季域での観測の精度としては± 10 µ gal となる。

節的変動と重力変動のパターンが一致していない。すなわち BS1 は標高がやや高く、多くの観測点がある

3 − 2．観測結果への補正

標高の低い位置とは異なる水理系にある可能性が考え観測結果には器械高補正、地球潮汐補正、ドリフトられた。そこで標高が低く、生産ゾーンから離れた場補正を行っている。また本地域は海に近いため、海水所を新たな基準点として探したところ、WO1 に近い面の水位が変化することにより重力値に影響を与える位置にある BM2 の重力変動パターンと浅層地下水位可能性がある。後で述べるように本地域の重力経時変の季節的変動とがほとんど同じ挙動を示すことから、化量が最大で± 30 µ gal 程度と小さいため、変動量にBM2 を新たな基準点とした。

ついて十分な議論をするために以下の海洋潮汐、標高４．観測結果変動補正を行っている。
まず海洋潮汐に関する補正について述べる。米重4 − 1．重力変動経時変化

ほか（1999）では、海水面の水位変動による重力への本地域での重力変動経時変化図を図 4 に示す。縦軸影響量の推定をタルワニの方法（Talwani and Ewing，に重力変動量（µ gal）、横軸に時間を取っている。ま1960）を用いて行なった。その結果海岸に近づくほどたエラーバーは行きと帰りの往復差を示しており、平影響量は大きくなり、観測点の位置ではほとんど影響均値を●で示している。
91

BS13010-10-30-50
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

重力変動(μ gal）

年
50

BS33010-10-30-50
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

重力変動(μ gal）

年
50

BM33010-10-30-50
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

重力変動(μ gal）

年
50

BM53010-10-30-50
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

重力変動(μ gal）

年
50

BM73010-10-30-50
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

年
50

潤・江原幸雄重力変動(μ gal）

50

圭・西島

重力変動(μ gal）

重力変動(μ gal）

重力変動(μ gal）

重力変動(μ gal）

重力変動(μ gal）

重力変動(μ gal）

重力変動(μ gal）

川頭

SP13010-10-30-50
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

50

BS230

10-10-30-50
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

年
50 BM13010-10-30-50
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

年
50

BM43010-10-30-50
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

年
50

BM63010-10-30-50
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

年
50 BM83010-10-30-50
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

年
50

SP23010-10-30-50
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

年

年

図4

重力変動経時変化

92重力変動(μ gal）

50

SP33010-10-30-50
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

重力変動(μ gal）

年
50

SP53010-10-30-50
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

重力変動(μ gal）

年
50

SP730
10-10-30-50
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

重力変動(μ gal）

年
50

SP930

10-10-30-50
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

重力変動(μ gal）

年
50

SP113010-10-30-50
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

年
50

重力変動(μ gal）

重力変動(μ gal）

重力変動(μ gal）

重力変動(μ gal）

重力変動(μ gal）

重力変動(μ gal）

重力変動(μ gal）

重力変動観測による地熱貯留層モニタリング

WO23010-10-30-50
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

−鹿児島県山川地熱地域−

50SP43010-10-30-50
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

年
50SP63010-10-30-50
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

年
50 SP83010-10-30-50
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

年
50SP103010-10-30-50
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

年
50 WO13010-10-30-50
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

年
50WO33010-10-30-50
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

年

年
図4

重力変動経時変化（つづき）

93

川頭圭・西島潤・江原幸雄

重力変動観測の経時変化図は観測開始から季節的なµgal変動を見せている。また C・D・E 断層によって囲まれた陥没構造において、F 断層を境にして変動量に差m50があり、重力変動量が殆ど± 10 µ gal 以内に収まる南WO2SP92000
BM1部及び変動量が大きく、最大で± 30 µ gal の北部の 21500

BS1WO3500

F 断層北部の代表的な点として BM4・BM5 ･ SP4 ･BM4SP5100SP8SP7BM2WO1BM5SP4SP10SP6SP1BS2SP6 ･ SP7 があげられる。
030201000

F 断層南部の代表的な点として BM3 ･ SP1 ･ SP2 ･BM6BM8SP11つの地域に分類できる。

40BM7SP2BM3-10SP3-20BS30-30500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

40004500-40SP9 ･ SP10 ･ SP11 があげられる。これらの点での重-50力変動は、すでに述べたように季節的な変化をしてい図 7 重力変動空間分布（98 〜 99）るが、生産ゾーン及びその周辺に位置する点（BM4、SP4、SP10、SP11）では季節的な変動とは異なるパターンも見られることがわかる。

µgalm

4 − 2．重力変動空間分布50

前述したように重力変動には季節的変動が見られる

WO2SP92000

40BM7BM11500

ため、同じ季節のデータを使用することによって季節BM6BS120SP11変動を回避することを試みた。毎年 9 月前後には必ず1000観測が行なわれているので、この時期のデータを使い、1 年ごとの重力変動量の空間分布図を作成した（図 5WO3〜図 9）。

BM4SP5100SP8SP7BM2WO1BM5SP4SP10SP6SP1BS2500030BM8BM3SP2-10SP3-20BS30-30500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

40004500-40-50

図8重力変動空間分布（99 〜 00）µgalm

WO2SP92000

BM6BM8BS1501000

WO3BM5SP4BM1SP8SP7BM2WO1BM3SP2BS30WO3-10SP3-201000

1500

2000

2500

30003500

40004500-400BM5SP4SP70SP8BM3SP2-10SP3-20

BS3030

10SP10SP6SP1BM2WO1-30500

BM4SP5BS2500

BM620SP1101000

SP540BM7BM81500 BS110SP10SP6SP1BS2500

BM4WO2SP92000

3020SP110m

40BM7BM11500µgal

50-30500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

40004500-50-40-50

図5重力変動空間分布（96 〜 97）

図996 年から 97 年の変動は± 10 µ gal 程度と極めて小µgalmWO2SP9BM1が大きくなっているが、生産ゾーンでも 20 µ gal の変BM6WO3BM4SP7BM2WO1BM5SP4少傾向を示しているが、特に生産ゾーンを中心として減少傾向が見える。また 99 年から 00 年は全体的に増10SP10SP6SP1SP5BS20SP8BM3SP2加傾向で、生産ゾーンだけでなく還元ゾーンでも大き-10SP3な増加傾向を示している。00 年から 01 年は還元ゾー-20BS303020SP111000500動がある。98 年から 99 年は変動が大きく全体的に減40BM7BM81500 BS10さい。97 年から 98 年は西部の陥没構造外の点で変動

502000-30500

1000

150020002500

3000

350040004500

重力変動空間分布（00 〜 01）

ンを中心として減少傾向が見られる。

-40

またこれらの空間分布を見ると特定の方向に重力変-50動のトレンドが見られる。すなわち 96 年から 97 年及図6び 99 年から 00 年では南西から北東に重力が増加する。

重力変動空間分布（97 〜 98）

一方、97 年から 98 年、98 年から 99 年及び 00 年から01 年は北東から南西に向かって重力が増加する。こ94

重力変動観測による地熱貯留層モニタリング−鹿児島県山川地熱地域−のようなトレンドの存在は浅層地下水位の影響が完全µgalは除去されていないことが考えられたので、以下に述べるような 1 次傾向面解析を行なうことにした。

m30WO2SP92000

BM1５．1 次傾向面解析

1500

25BM7BM6BM8BS1201510SP11

1 次傾向面解析を行なうに当たって、生産ゾーンか1000ら離れた BM6 は、他の点と異なった特異な変動を示

WO3除去した残差重力図を以下に示す（図 10 〜図 14）。

50SP8SP7BM2WO1すため除去した。1 次傾向面解析を行い、トレンドを0SP5BM5SP4SP10SP6SP1BS2500

BM4BM3-5SP2SP3-10-15BS30500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

40004500-20-25

96 年から 97 年の変動は± 10 µ gal 以下でごく小さ-30い。また 97 年から 98 年、98 年から 99 年、99 年から

図 13

1 次傾向面解析後の残差重力図（99 〜 00）

00 年及び 00 年から 01 年の時期においては生産・還µgalµgal
m30
WO2SP92000

BM6BM8BS1BM1
1500

201000WO30SP1SP8BM31000

SP30-15500

1000

1500

2000

2500

BS2500-10BS30WO353000

3500

40004500

BM42015SP5BM5SP45SP10SP6SP1SP7BM2WO1-5SP2BM610SP110SP7BM2WO1BM5SP4SP10SP6SP5BS2500

BM425BM7BM8BS11510SP1130WO2SP925BM7BM11500m

20000SP8BM3-5SP2SP3-10-15BS30500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500-20-25-20-30-25

図 10図 14

1 次傾向面解析後の残差重力図（96 〜 97）

元ゾーン付近に変動が集中している。したがって 1 次µgalm

傾向面解析の結果、地熱流体の生産・還元に伴い引き起こされたと考えられる重力変動を検出することがで

30WO2SP92000

25BM7BM1きたのではないかと考えられる。

20BM6BM81500 BS1

1 次傾向面解析後の残差重力図（00 〜 01）

1510SP111000WO30SP5BM3

山川地熱発電所では 97 年 8 月頃から 99 年の後半に-5SP2SP3-10かけて発電量の減少、それ以降ゆっくりと発電量が回-15BS30６．山川地熱発電所の発電量変化と重力変動の相関

50SP8SP7BM2WO1BM5SP4SP10SP6SP1BS2500BM4500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

40004500

復し、00 年に入ってからほぼ安定していることが知-20-25られている。

-30残差重力図の変動を見ると、発電量が減少している時期には生産ゾーンに近い場所で重力が減少、逆に発図 11

1 次傾向面解析後の残差重力図（97 〜 98）

発電量が回復している時期には重力が増加していることがわかる。また発電量の変動が少ない時期には重力変動量も小さくなっている。これらのことを考えるとµgalm

WO2SP92000

BM11500

山川地熱発電所の発電量変化と重力変動には相関がある。

3025BM7BM6BM8BS120７．結論

1510SP111000

WO3BS25000BM4SP7BM2WO15SP10SP6SP1SP5BM5SP40SP8BM3500

たり重力変動観測を行い、重力変動の空間分布を-5SP2SP3明らかにした。

-10-15BS30（1）山川地熱発電所において 1996 年から 2001 年にわ

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

-20-25（2）重力変動空間分布の 1 次傾向面解析を行い、浅層地下水位変化に起因すると思われるトレンドを

図 12 1 次傾向面解析後の残差重力図（98 〜 99）除去した結果、生産・還元に伴い引き起こされた95

川頭圭・西島と考えられる重力変動を検出することができた。

潤・江原幸雄Matsumoto,K. Sato,T. Takanezawa,T. and Ooe,M. (2001)：GOTIC2：A Program for Computation of Oceanic Tidal

今後、重力変動と地熱流体の挙動との相関関係につLoading Effect， 測 地 学 会 誌， 第 47 巻， 第 1 号，いて詳細に検討したいと考えている。

243-248．

謝辞

Talwani,M. and Ewing,M.（1960）：Rapid Computation

本地域における重力変動観測の実施においては、石of Gravitational Attraction of Three-Dimensional Bodies of

油資源開発株式会社及び九州地熱株式会社の関係者各

Arbitary Shape，Geophysics，Vol.25, NO.1，203-225．

位には多大なご協力を頂きました。ここに記し、深く感謝申し上げます。

米重和馬・西島潤・江原幸雄（1999）：鹿児島県山川
地熱地域における重力変動観測，九大地熱研究報告，

参考文献

第 8 号，87‐94．

A l l i s , R . G . a n d H u n t , T. M . （ 1 9 8 6 ）： A n a l y s i s o f
Exploitation Induced Gravity Changes at Wairakei

吉 村 雄 三 郎・柳 本 裕・中 込 理（1985）：鹿 児 島 県伏Geothermal

目 地 区 の 地 熱 構 造 に つ い て， 地 熱，Vol.22，No.3，

Field，Geophysics，Vol.51，No.8，

1647-1660.

167-194．

96