資源戦略学講座

Resources Strategies

地球開発環境学分野

地殻環境・エネルギー技術の新展開
Toward Advanced Environmental Geomechanics and Energy Technology

先進社会環境学専攻

Earth Exploitation Environmental Studies(Takahashi & Sakaguchi Lab.)准教授 坂口 清敏
Associate Professor

Kiyotoshi Sakaguchi（6）ストレインセルが接着されている回収コアによる二軸感度試験

1）軟岩体の水没鉛直井に適用可能な高精度地圧計測法の開発の有用性・有効性が確認できた。

2 ）鉱物の粒内と粒界の破壊靭性の実測に基づくき裂進展シミュレーション
3 ）超臨界 CO2 による地熱貯留層岩石き裂のすべり挙動

鉱物の粒内と粒界の破壊靭性の実測に基づく
き裂進展シミュレーション

4）花崗岩のマクロ破壊靭性とマイクロ破壊靭性
5）岩石の直交異方弾性と非線形弾性を考慮できる地殻応力評価法に関する研究

岩石の破壊メカニズムの解明を目的として、岩石の構成鉱物（石In 2022, our research activities were as follow:
1) Development of a high-precision rock stress measurement method applicable to submerged vertical borehole in soft rock mass2) Simulation of crack propagation based on actual measurement of intragranular and intergranular fracture toughness of minerals
3) Slip behavior of a crack in geothermal reservoir rock by supercritical CO24) Macro- and micro-fracture toughness of granite5) Study on a rock stress evaluation method considering orthotropic and nonlinear elasticity of rock

英、カリ長石、斜長石、黒雲母）の個々の破壊靭性試験および２つの鉱物の粒界の破壊靭性試験（Fig.3）を行い、得られたマイクロパラメータ（引張強度、粘着力、ヤング率）を用いてき裂進展の数値シミュレーションを実現した。破壊靭性試験はカンチレバー型の供試体を用いて、3 種類の寸法の供試体（10μm × 10μm × 50μm，20μm × 20μm × 50μm，20μm × 20μm × 100μm）で行った。
数値シミュレーションには個別要素法（DEM）
コード PFC2D を用い、軟岩体の水没鉛直井に適用可能な高精度地圧計測法の開発軟岩体に対して、地表から削孔された水没している鉛直井で地圧測定が可能な新たな高精度地圧測定法として円錐孔壁ひずみ法を開発した。今年度は主に、実用化を目指した室内実験および原位置試験を行い、以下の成果を得た。
（1）開発した掘削ビットによって所定の形状のボアホールを掘削・加工できることを確認した。

（2）開発したボアホールカメラで十分な解像度で円錐孔壁の観察ができることを確認した。

（3）どぶ漬け接着法の実用性を確認した（Fig.3）。

（4）ストレインセルを含む測定部と貼り付け装置を分離する機構（ 新たに開発 ）が想定通りの機能を果たすことを確認した（Fig.4）。
（5）開発した掘削ビット、センタリングガイド等で想定通りのオーバーコアリングができることを確認した。

Development of a high-precision rockstress measurement method applicable tosoft rock submerged vertical borehole
The conical borehole wall strain method has been developed as a new
high-precision rock stress measurement method for soft rock mass thatis submerged in vertical borehole drilled from the ground surface. In thisfiscal year, we mainly conducted laboratory experiments and in situ
tests aimed at practical application, and we obtained the following
results. (1) We confirmed that the developed drilling bit can drill andprocess a borehole with a predetermined shape. (2) We confirmed thatthe developed borehole camera can observe the conical borehole wallwith sufficient resolution. (3) The practicality of the dipping adhesion
method for the strain-cell adhesion was confirmed (Fig.3). (4) We
confirmed that the mechanism (newly developed) that separates themeasurement unit, including the strain cell, from the attachment device
functions as expected (Fig.4). (5) We confirmed that the developeddrilling bit, centering guide, etc. could perform overcoring as expected.
(6) We confirmed the usefulness and effectiveness of the biaxial
sensitivity test using the recovery core to which the strain cell is adhered.

SCB 試験を対象としたシミュレーションモデルを、鉱物および鉱物粒界を模擬した GBM（Grain Based Model ）で作成した。SCB試験のき裂発生、進展には、粒界や黒雲母といった弱い構成要素が影響を与えている可能性を明らかにした（Fig.4）。

超臨界 CO 2 による地熱貯留層岩石き裂のすべり挙動
超臨界 CO2 地熱発電の実現のために、超臨界 CO2 による岩石の間隙水圧誘起すべり実験を行い、すべり挙動の特徴の検討、圧入媒体による挙動の比較を行った（Fig.5, 6）。き裂面の性状や圧入媒体の違い（水と CO2）による、すべり挙動（せん断膨張→初期すべり→定常すべり）には違いが見られないことが示唆された。初期すべりと定常すべりの速度比を超臨界水と超臨界 CO2 で比較した結果、後者の方が小さいことが明らかになった。したがって、超臨界 CO2 地

Simulation of crack propagation based on
actual measurement of intragranular andintergranular fracture toughness of minerals
Individual fracture toughness tests on the minerals (quartz, K-feldspar,plagioclase, and biotite) that compose rock and the grain boundary
fracture toughness tests of two minerals (Fig.3) were conducted toelucidate the fracture mechanism of rocks. A numerical simulation of
crack propagation was realized using the obtained microparameters(tensile strength, cohesion, and Young’s modulus). The fracture
toughness tests were conducted with specimens of three types ofcantilever shape (10 μm × 10μm × 50μm, 20μm × 20μm × 50μm, and20μm × 20μm × 100μm). The discrete element method (DEM) code
PFC2D was used for numerical simulation. A simulation model for theSCB test was created using a grain-based model that simulates minerals
and mineral grain boundaries. We clarified the possibility that weak
constituents such as grain boundaries and biotite affect crack initiationand propagation in SCB tests (Fig.4).

Department of Environmental Studies for Advanced Society

2022 年に当研究室で行った主な研究は以下のとおりである。

Slip behavior of a crack in geothermal
reservoir rock by supercritical CO2
Pore-pressure-induced slip experiments of rock by supercritical CO2
were conducted to investigate the characteristics of slip behavior and tocompare the behavior with injected media for the purpose of realizationof supercritical CO2 geothermal power generation (Fig.5, 6). It wassuggested that no difference exists in the slip behavior (shear expansion→ initial slip → steady slip) due to the difference in the properties of thecrack surface and the injection medium (water and CO2). As a result ofcomparing the velocity ratio between the initial slip and the steady slip
for supercritical water and supercritical CO2 , it was found that the latteris smaller. Therefore, supercritical CO2 geothermal power generation
has the potential to suppress induced earthquakes.

熱発電は、誘発地震が抑制できる可能性を有している。

Fig.5 Specimen and imageof pore pressure induced
slip experimentFig.6 X-ray CT image of
specimen of before andafter experimentFig.1 In-situ test for (3)16 Coexistence Activity Report 2022

Fig.2 In-situ test for (4)Fig.3 Specimen for grain boundary fracture toughness test

Fig.4 An example of numerical simulation results
Coexistence Activity Report 2022

17