H29年度JOGMEC地熱部事業成果報告会

地熱貯留層探査技術開発（弾性波探査）の第2回実証試験の成果

平成30年6月6日
株式会社 地球科学総合研究所
青木 直史
国土地理院発行 地理院タイル「電子国土基本図（オルソ画像）」に弾性波探査測線を加筆

内容• 地熱貯留層探査技術開発の目標とこれまでの経緯• 第2回実証試験の成果• 地質概要• 弾性波探査データ取得• 弾性波データ処理・解析• 反射法処理• アトリビュート解析• 3次元屈折トモグラフィ解析• 物理探査データに基づく有望領域の絞込み• 温度構造と相関のある物性値• RGBブレンド法による有望領域の絞込み• 地熱系概念モデル更新• まとめ2

内容• 地熱貯留層探査技術開発の目標とこれまでの経緯• 第2回実証試験の成果• 地質概要• 弾性波探査データ取得• 弾性波データ処理・解析• 反射法処理• アトリビュート解析• 3次元屈折トモグラフィ解析• 物理探査データに基づく有望領域の絞込み• 温度構造と相関のある物性値• RGBブレンド法による有望領域の絞込み• 地熱系概念モデル更新• まとめ3

地熱貯留層探査技術開発（H25-29）• 技術開発の目標• 地熱地域における弾性波探査の課題の解決• 地質リスク低減と地質モデル（地熱システム）の高精度化• 実証試験の目的• 第1回： 3次元弾性波探査の有効性評価• 第2回： 山間部の地熱地域への適用性評価
平成27年度 鹿児島県山川地熱地域

平成29年度 宮城県・鬼首地域

Onikoube
Geothermal
Power Plant

Sources
Receivers

1,188
1,995

国土地理院発行 地理院タイル「電子国土基本図（オルソ画像）」に弾性波探査測線を加筆

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第1回実証試験の成果• 地下の亀裂と関連する面構造の3次元的可視化に成功• 地質モデル構築のための統合解析ワークフローを構築
抽出された面構造分布推定された温度構造（青木ほか、2017）

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内容• 地熱貯留層探査技術開発の目標とこれまでの経緯• 第2回実証試験の成果• 地質概要• 弾性波探査データ取得• 弾性波データ処理・解析• 反射法処理• アトリビュート解析• 3次元屈折トモグラフィ解析• 物理探査データに基づく有望領域の絞込み• 温度構造と相関のある物性値• RGBブレンド法による有望領域の絞込み• 地熱系概念モデル更新• まとめ6

第2回実証試験サイト(鬼首地域)の地質概要• 奥羽脊梁山脈東縁のカルデラ。地熱発電所はカルデラ内南東部に位置する• 基盤岩およびグリーンタフ（蟹沢層）がカルデラを取り囲む山系に分布• カルデラ内は溶岩ドームやカルデラ埋積堆積物から構成• 高日向山は後カルデラ期の溶岩ドーム、荒雄岳は再生ドームと考えられている• 現在でも片山地区では活発な噴気活動が見られる
鬼首地質図

鬼首地質断面図

鬼首地質層序と解釈ホライゾン
地質時代

地
熱発電所

現世

地層名
沖積層
段丘・緩斜面堆積物
片山湖成層
岩魚沢層
鬼首層

ホライゾン名高日向石英安山岩
第四紀

宮沢層
更新生
赤沢層

荒雄岳

吹上温泉

雄釜
雌釜

大深沢安山岩部層
山王沢層

Gr
○KR3

荒湯地獄

地熱発電所

山王沢層上面

北川凝灰岩

○KR-1

鮮新世

○GO10

荒雄岳

高日向山

高日向山

虎毛山層
第三紀

蟹沢層上面
中新世

Gr蟹沢層

先第三紀

※ 最新研究では、鬼首カルデラは20-30万年前に北川凝灰岩の噴出後に陥没し、形成されたと考えられる。

基盤岩類

基盤岩上面

NEDO,1985

7既往地熱系概念モデル• 熱源は高日向石英安山岩の火山活動と関連。
• 片山地獄周辺に上昇流型のディスチャージ域、• 周辺部に下降流型のリチャージ域を持つ対流系
標高+250mにおける地温分布

地熱系概念モデル

SW

片山
地獄

荒湯地獄

NE

荒雄岳
片山
地獄

荒湯地獄

高日向山

（電源開発株式会社提供）（NEDO,1989)
8

内容• 地熱貯留層探査技術開発の目標とこれまでの経緯• 第2回実証試験の成果• 地質概要• 弾性波探査データ取得• 弾性波データ処理・解析• 反射法処理• アトリビュート解析• 3次元屈折トモグラフィ解析• 物理探査データに基づく有望領域の絞込み• 温度構造と相関のある物性値• RGBブレンド法による有望領域の絞込み• 地熱系概念モデル更新• まとめ9

鬼首準3次元弾性波探査スケジュール

搬入路整備

作孔作業期間： 平成29年6月28日~平成29年 9月10日
観測作業期間： 平成29年9月 1日~平成29年10月 7日

10栗駒国定公園保全地域区分と弾性波探査測線配置
岩魚沢林道

調査対象エリア
八ツ森

片山
峠

地
熱発電所

測線配置（案）▲受振点●発振点

自然公園・自然環境保全地域区分

01

2 Km

11

実証試験の測線配置比較
平成27年度 第１回実証試験（鹿児島県・山川地熱地域）
3次元調査で一般的な直交配置

200

Fold

1100200

平成29年度 第２回実証試験（宮城県・鬼首地熱地域）
山岳地域で実施可能な
準3次元配置

重合数マップは反射法記録の粗密の状況を示す。第2回実証試験では多様なアクセス路（一般道、林道、登山道、里道）を利用して、3次元調査に準ずる測線配置を実現した。重合数に斑は生じたが、データの欠如は限定的であった。険しい山岳地区であってもサーベイデザイン次第で、3次元記録の取得は可能であることを示した。

12受振点内訳

チャネル数

有線テレメトリ式（Sercel 428XL）

1,132 ch

独立式

863 ch（２タイプ）【内訳】

有線テレメトリー式

33%

タイプ１（Sercel Unite）

199 chタイプ２（Geospace GSR/GSX）

664 ch

独立式・Type1

57%
10%

独立式・Type2

有線テレメトリ（428XL)
独立式タイプ１（Unite）

データの切り出し・結合機能を強化させたシステム

独立式タイプ１（GSR）

小型軽量に設計。バッテリーと併せた重量は約4kg
13地熱貯留層探査技術第2回実証試験（鬼首地域）
2.5 kg の火薬（ダイナマイト）

宮城県大崎市
鬼首地熱地域
荒雄岳

雄釜
雌釜

地熱発電所
高日向山
150 g ｘ2本 の火薬（含水爆薬）
大型Vib(18.9t)
振源周波数3-70Hz【作業期間】

中型Vib(7.9t)
振源周波数 4-70Hz 有線テレメトリ式観測点

準備作業： 平成29年6月27日～8月31日

観測作業： 平成29年9月1日-10月7日（37日間）

独立式観測点
バイブレータ発振点
発破点
浅孔発破点

1,132 ch863 ch
1032
9264

14

浅孔発破記録例

VP7584

発振点：
発振種：

VP7584浅孔発破
薬量150g x 2

表示範囲
C10測線 (Loc.1001~1449)
スケーリング：trace RMS
15

本調査における浅孔発破の寄与
L3断面での比較• 片山峠登山道および「雄釜雌釜」
東方の森林内里道にて実施

バイブレータ発振のみ• 片山地獄西方の反射記録の取得に寄与

雄釜
雌釜

浅孔発破のみ片山峠登山道

浅孔発破の重合数マップ
16

内容• 地熱貯留層探査技術開発の目標とこれまでの経緯• 第2回実証試験の成果• 地質概要• 弾性波探査データ取得• 弾性波データ処理・解析• 反射法処理• アトリビュート解析• 3次元屈折トモグラフィ解析• 物理探査データに基づく有望領域の絞込み• 温度構造と相関のある物性値• RGBブレンド法による有望領域の絞込み• 地熱系概念モデル更新• まとめ17

鬼首準3次元弾性波探査データ処理
スケジュール

処理フロー

山間部の準3次元データ処理において特に重要な箇所•
異種振源位相補償•
浮動基準面標高（受振点標高値から作成するマップ使用）•
Outside Mute（Angle Muteの設計）
18•
重合前深度マイグレーション

準3次元弾性波探査の反射法記録

等深度断面（MSL）• 標高0m以深で連続的な3次元記録• 受発振測線沿いに7本の2次元断面標高-800m

擬似2D断面19反射法断面解釈例（L-3）
荒湯地獄

片山地獄

EW
GO-10

GO-11

赤沢層
（大深沢安山岩部層）

蟹沢層

凝灰角礫岩
山王沢層
蟹沢層

蟹沢層（安山岩溶岩）花崗岩

蟹沢層（緑色凝灰岩）

花崗岩

L-3
標高[m]

20

各地質ユニットの震探相
片山地獄

荒湯地獄
①②③④⑤21

アトリビュート解析

反射面が表す地下構造を定量的に表現する、ジオメトリカルアトリビュート（Dip Azimuth / Curvature/ 面構造解析（TFL：Thinned Fault Likelihood））を適用。
22

MT探査等比抵抗モデルとの比較
KR-3

KR-1

※孔隙率ログ
比抵抗検層解析より推定。
※比抵抗モデル
比抵抗分布図を用いて3次元グリッディングを行い作成。

Most Positive Curvature
標高:-1,200m

低比抵抗部と高比抵抗部の境界付近（数10Ωm）や、高孔隙率が推定されるGO-13の深部延長においてCurvatureのアノマリーが顕著である。また、TFLには逸水・フィードが見られた高浸透率区間との対応が認められる。

23

地熱貯留層モデル（阿部,1985）との比較
AA’ DepthLikelihood
10m0.5

阿部1985のAA‘断面に描かれている断裂系モデルと調和的な断裂面が自動抽出された。

01000m 24

3次元速度構造• 3次元屈折走時トモグラフィ解析により、標高-1,200 m程度までのP波速度モデ
ルを推定

L-2
L-1
L-D

荒雄岳
雄釜・雌釜

L-2

荒湯地獄

L-3 片山峠 片山地獄

L-1

発電所

L-3

高日向山

L-A

Velocity [m/s]
擬似2D測線沿いの反射法・屈折法統合断面25等P波速度面標高
3,000 m/s

3,500 m/s
荒雄岳

雄釜雌釜

4,000 m/s
荒雄岳

荒雄岳

○

雄釜雌釜

KR-3

○○

雄釜雌釜

KR-3KR-1

○

○

GO-10

GO-10GO-10○

荒湯地獄

荒湯地獄

荒湯地獄

高日向山

高日向山

高日向山

片山地獄

片山地獄

片山地獄

5,000 m/s
荒雄岳

荒雄岳

雄釜雌釜

雄釜雌釜

KR-3

○

KR-3

○

KR-1

○

○

GO-10○

○

標高[m]
700

花崗岩
荒湯地獄
高日向山

高日向山
片山地獄

KR-1

GO-10

荒湯地獄

-1,500KR-1○○4,500 m/s

KR-3

○

KR-1

片山地獄

• 3,500m/s面において、現在噴気のある雄釜雌釜の南方および荒湯地獄付近に、高速度の曲隆部が認められる。一方、片山地獄GO-10の西側には低速度異常が顕著である。熱水による粘土化や溶脱の影響が考えられる。
• 片山地獄の北側に、4,000～4,500m/sの高速度部が厚く・広く発達する。
• KR-1では5,000m/s面付近に花崗岩の出現を確認している。そして4,500m/s面ではこの東西両翼に曲隆部が認められ、西側（現在の荒湯地獄の位置）の曲隆部
26は西に移動しながら地表付近にまで達する。

内容• 地熱貯留層探査技術開発の目標とこれまでの経緯• 第2回実証試験の成果• 地質概要• 弾性波探査データ取得• 弾性波データ処理・解析• 反射法処理• アトリビュート解析• 3次元屈折トモグラフィ解析• 物理探査データに基づく有望領域の絞込み• 温度構造と相関のある物性値• RGBブレンド法による有望領域の絞込み• 地熱系概念モデル更新• まとめ27

速度構造と地温構造の関連
高速度部（＞4,000m/s）の3次元可視化
雄釜雌釜

片山地獄

坑井温度プロファイルとP波速度

高日向山
荒湯地獄

標高200mの速度分布と地熱兆候

顕著な下降流型を示すKR-3でも、地温は3,500m/s層が現れる標高0m付近より急激に上昇する。KR-1では3,500m/s層の曲隆部が見られ、標高300m付近より温度勾配が上昇する。熱伝導率が比較的高いと解釈される。同深度にはモンモリロナイト帯が確認されており、熱水の影響を示唆する。
28

地温構造と関連の見られる物性値
密度比抵抗NEDO(1988)•標高-1,000 mの比抵抗と地温の分布が示されている。

•高温領域（＞300℃）は片山地獄にあり、その中心付近の比抵抗値は2~10 Ω-mである。

•10Ω-mのコンターは同深度において、北西方向（雄釜雌釜方面）への張り出しが矢印の箇所に見られる。

•

標高-500mの密度異常と地温の分布が示されている。片山地獄には、やや密度の高い（ 2.35g/cm3程度 ）半月状の高密度異常が認められ、これを貫くように吹上温泉から荒湯地獄まで2.3g/cm3程度の密度が帯状に分布する。

•250℃の等温線は片山地獄全体を、荒湯地獄方面へ向かう東方への伸びも示しながら、取り囲む。また、200℃の等温線は東西方向の伸びを示しながら、広く吹上温泉から東方の山系の手前までを取り囲む。
29

物理探査データを用いたRGBブレンド法
による有望領域の絞込み

RGB各色に与えた物性値モデル

地熱貯留層に関連する物性値3種と面構造を用いて、有望領域内を絞り込む。
(f) はP波速度（高速度ほど赤）、密度異常（高密度ほど緑）、比抵抗（低比抵抗が青）を用いたRGBブレンド記録。白色の領域は、片山地獄と似た物性値を有する領域を示す。この領域に存在する亀裂には地熱貯留層が成立する可能性が高いと考えられる。

30

2値化した物性値モデルによる有望領域の抽出【閾値の設定例】
閾値により2値化することで、有望領域の境界を明確化した。下図は下記閾値を用いて作成したものである。
速度モデル：
3,500 m/s以上
密度モデル：
2.3 g/cm3以上
比抵抗モデル： 10Ωm以下
面構造モデル： 明瞭な面構造（TFL>0.23）

雄釜
雌釜
片山地獄

地熱貯留層の候補地点
31更新された地熱系概念モデル
NW

SE 標高[km]高日
向山

片山
地獄

雄釜
雌釜

1

凡例
10 Ω・m2 Ω・m100 Ω・m3500m/s

0100℃

200℃

-1

天水の流動方向
熱水の流動方向
熱伝導
火山性発散物等温度線（℃）

300℃

400℃

-2

密度 < 2.1 g/cm3
密度 > 2.3 g/cm3
等比抵抗線
（MT法）
3,500 m/s 面
面構造 > 0.23

2 Ω・m

100 Ω・m10 Ω・m2 Ω・m

10 Ω・m有望領域内

100 Ω・m

荒尾岳

32更新された地熱系概念モデル
NW

SE 標高[km]

高日
向山

片山
地獄

雄釜
雌釜

1

凡例
10 Ω・m2 Ω・m100 Ω・m3500m/s

0100℃

200℃

-1

天水の流動方向
熱水の流動方向
熱伝導火山性発散物
等温度線（℃）

300℃

400℃

-2

密度 < 2.1 g/cm3
密度 > 2.3 g/cm3
等比抵抗線（MT法）
3,500 m/s 面面構造 > 0.23

2 Ω・m

100 Ω・m10 Ω・m2 Ω・m10 Ω・m有望領域内

100 Ω・m

荒尾岳

33

内容
• 地熱貯留層探査技術開発の目標とこれまでの経緯• 第2回実証試験の成果• 地質概要• 弾性波探査データ取得• 弾性波データ処理・解析• 反射法処理• アトリビュート解析• 3次元屈折トモグラフィ解析• 物理探査データに基づく有望領域の絞込み• 温度構造と相関のある物性値• RGBブレンド法による有望領域の絞込み• 地熱系概念モデル更新

• まとめ

34

まとめ
山岳部の地熱地域において準3次元弾性波探査を試験し、3次元的な反射法記録と、P波速度分布のモデルを取得した。
反射法断面の解釈からは、断裂や層序などの地質構造とともに、熱変質の有無など地熱と関連する岩石性状を把握可能であることを示した。

P波速度モデルには地層境界と斜交する高速度部が随所に見られ、地表付近まで達する箇所には顕著な地熱兆候が見られることや、高い熱伝導率を有することなど、温度構造との関連が示唆された。
特に片山地区の北側には高速度岩体が存在し、標高200m~-1,000mの深度に厚く・広く分布することが推定された。
面構造解析（Thinned Fault Likelihood）において、断裂面が存在する尤度が高い区間では、逸水・フィードが確認される可能性が高いことが坑井との対比により明らかになった。

地熱既開発エリアと類似の特徴を持つ有望領域を、P波速度、密度異常（空中重力偏差法）、比抵抗（MT法）の3次元モデルから特定し、そこに含まれる面構造を可視化した。
地熱貯留層の候補地点を詳細に示した熱系概念モデルを提示した。
35

謝辞
本調査の計画・実施に際しては、多数の方々から多大なご協力を頂いております。ここに記して感謝の意を表します。

宮城県大崎市
地元源泉所有者
電源開発株式会社

36

参考文献• Hale, D. (2013). Methods to compute fault images, extract fault surfaces, and estimate
fault throws from 3D seismic images. Geophysics, 78(2), O33–O43.
• NEDO (1985) 昭和60 年度地熱探査技術等検証調査「栗駒地域」 報告書.
• NEDO (1988) 昭和63 年度地熱探査技術等検証調査「栗駒地域」 報告書.
• Wu, X. and Hale, D. (2016). Automatically interpreting all faults, unconformities, andhorizons from 3D seismic images. Interpretation(May 2016), T227-T237.
• Yamada,Y (1988): Geologic Development of the Onikobe Caldera, Northeast Japan, withSpecial Reference to its Hydrothermal System, 地質調査所報告，268, 61-190。
• 阿部 信(1985)：鬼首地域の地熱モデル．日本地熱学会誌，7，3，283-309.
• 栗駒地熱地域地質図編集グループ（1986）: 10万分の1栗駒地熱地域地質図説明書，特殊地質図（21-3），地質調査所，26p.
• 水谷滋樹. (2009). 宮城県鬼首地熱地域における電気検層解析について. 日本地熱学会学術講演会講演要旨, (ページ: 20（45）).
• 中西繁隆(2010)：鬼首地熱発電所の地熱貯留層管理．地質ニュース，674，17-24.
• 山田營三 (1984)：鬼首カルデラの地質構造発達史特に熱水系との関連について, 東
北大学学位記，理学博士授与記録（インターネット公表資料）• 山田営三・松永栄勇・栗山 隆 (1985)：栗駒地域の地熱モデル．日本地熱学会誌，7，3，261-281.
• 山田営三・長谷紘和・小川克郎編 (1988)：栗駒地熱地域における研究．地質調査所
報告，268.
37