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最終的には社会に還元したいと考えている。また、オートクレーブ等を用いる実験や測定方法などについて、可能性の検討やアイデアなどの提供もおこなうことが可能である。
The objective of the laboratory studies is to focus on measurements and observations to understand 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, natural andartificial 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.
In addition, we will demonstrate the possibilities of and provide ideas for high-temperature/pressure experiments and measurement methods using autoclaves.

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。昨年度も秋田県仙北市の玉川温泉において実施してきた発強酸性温水と廃アルミニウム屑を利用した水素生成実験を今年度も引き続きおこなった。今年度は、昨年度までの実験で得られた知見を基に、実用装置の原型となる大型の反応装置を製作し実験をおこなった（Fig.3）。この装置は、昨年度までは実現できていなかった反応容器内への連続的なアルミニウム投入、反応容器内部の溶液圧力制御、発生した水素の貯留容器への移送が手動ではあるが可能で流体相変化に伴う岩石鉱物の破壊現象
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、外部からの熱応力による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ほぼ確実であることを確認した。また、現在ではこれまでに使用してきた実験装置を使用して、高温熱水環境下での弾性波速度のその場測定方法についての研究をおこなっている（Fig.1）

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る現象である。したがって、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昨年度おこなったが、今年度は現場で使用可能な可搬型の小型測定装置の開発をおこなった（Fig.2）。また，
これまでは石英 TL を中心に研究をおこなってきたが、石英よりも多くの地熱地域で TL 測定に応用できる長石 TLについてもデータが集積しつつある。

Fracturing of rocks by fluid phase changeある。さらに、これらの動作に問題のないことを確認したため、装置

Previous studies have found that when rocks are placed in supercriticalwater above 400°C to 500°C and then rapidly decompressed, the boiling of
the internal fluid and the temperature decrease associated with adiabatic
expansion can cause significant cracks in the rock.
This phenomenon is predicted to explain rock cracking in the deep crust andto be applied to new excavation methods for geothermal development. The
results of laboratory experiments and numerical simulations confirmed that
it is almost certain that a minimum amount of quartz must be contained
inside the rock to generate cracks due to external thermal stress.
In addition, we are currently conducting research on in situ measurementmethods of elastic wave (P-wave) velocities in high-temperature/pressurehydrothermal environments using the experimental equipment (Fig.1).となっていた有毒ガスであるアルシンの発生についても、触媒を用い制御の自動化についても目処が立った。また、前年までの実験で問題る事で除去できることが確認できた。

Coexistence Activity Report 2020

Hydrogen is generated when a strongly acidic solution at pH 1–2 or astrongly alkaline solution at pH 13–14 and metallic aluminum react at
about 50–60°C. This is a much lower temperature than is used in theconventional hydrogen production method by hydrothermal reaction, andindustrial applications can be expected. Last year’s hydrogen-generation
experiment using strongly acidic hot spring water and waste aluminumchips that Tamagawa Onsen in Senboku City, Akita Prefecture, carried out
was continued this year. This year, based on the knowledge obtained in theexperiments up to last year, we manufactured a large-scale hydrogen
reactor that will be the prototype of the practical equipment and conducted
the experiment (Fig.3). Although it requires manual operation, thisequipment can feed aluminum chips into the reaction vessel, control thesolution pressure inside the reaction vessel, and transfer the generatedhydrogen to the storage vessel. These basic operations were not possible
with last year’s equipment. Furthermore, since it was confirmed that there
was no problem with these basic manual operations, the prospect ofautomating the control was also clear. It was also confirmed that thegeneration of toxic arsine gas, which had been a problem in the experiments
up to the last year, could be removed by using a catalyst.

Preliminary geothermal exploration
using thermoluminescence
A phenomenon called thermoluminescence (TL) has been observed inminerals constituting rock, especially quartz and feldspar, whereby
energy originating from natural radiation stored in minerals is released
when the minerals are heated and then energy accumulation is observed
as emission light intensity.
This means the minerals do not emit light after being heated.
Therefore, minerals have less luminescence in geothermal areas than dothose in non-geothermal areas crystallized during the same era. Thisphenomenon makes it possible to screen for promising geothermal areasusing rock samples obtained by surface exploration before large-scale
geophysical exploration. Last year, our laboratory and Toei ScientificIndustrial Co., Ltd. developed dedicated measuring equipment to obtain
TL data. This year, we developed portable measuring equipment that canbe used in fieldwork (Fig.2). In addition, our laboratory has focused onquartz TL, but data on feldspar TL, which can be applied to TL
measurement in more geothermal fields, are being accumulated.

Fig.1 Changes of P-wave velocity of water at various pressure.

Fig.2 Developed small type TL measuring equipment.

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Hydrogen generation from aluminum withacid hot spring water at low temperature

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

Fig.3 Large type demonstration test equipment for hydrogen generation.

Coexistence Activity Report 20205