情報地質 第26巻 第2号 080-081頁 2015年
Geoinformatics, vol.26, no.2, pp.080-081, 2015

地中ガスのラドン濃度に含まれる地殻物性・破壊情報
小池 克明 * ・柏谷 公希 *Geo-information on Crustal Properties and Failure
Included in Radon Concentration of Terrestrial Gas
Katsuaki Koike * and Koki Kashiwaya **京都大学大学院工学研究科都市社会工学専攻 Department of Urban Management,Graduate School of Engineering, Kyoto University, Katsura C1-2-215, Kyoto 615-8540, Japan.
E-mail: koike.katsuaki.5x@kyoto-u.ac.jp

キーワード：地熱貯留層，貯留層温度，活断層，地震，一軸圧縮強度
Key words: Geothermal reservoir, Reservoir temperature, Active fault, Earthquake,Uniaxial compressive strength

１．はじめにラドンはガス体の放射性核種であり，しかも化学的に安定な不活性ガスで，低い濃度でも検出しやすい．また，地震の発生，噴火，熱水の上昇，断層の存在などでラドン濃度が増加する現象が世界的に観測されている．このような利点，および地殻変動・流体への高い応答性から，ラドン，特に同位体の中で減期が3.823日と最も長い 222 Rn
は，地球科学分野で地震，断層，火山，地熱，温泉，鉱床，地下水などの様々な調査に応用されてきた．しかしながら，増加の大小を支配する因子や増加の物理化学的メカニズムに関して不明な点も多い．
そこで本研究では，地熱地域と活断層周辺での地中ガスを利用した測定，および岩石破壊実験により，222 Rn濃度増加の因子とメカニズムの解明を試みた．前者の測定では 222 Rnと 220 Rn（半減期54.5 s），それらの娘核種の壊変に伴って放出されるα粒子を連続的にカウントする．これから原子数算定理論 1) により，ガスの放射性平衡状態を考慮して， 222 Rnの濃度やガスの年齢を求めている．

２．地熱貯留層の温度・圧力と 222 Rn濃度との関連
地熱地域での 222 Rn濃度に関する研究報告は多いが，その時間－空間的変動の特徴を詳細に明らかにした例は少ない．そこで，阿蘇山火口西側の3箇所の噴気帯（湯の谷，吉岡，地獄）を対象に選び，長期にわたり火山ガス中の
222
Rn濃度を測定した 2) ．2 kmの範囲にある対象地区には貯留層が2つ存在することがMT探査により推定されている．αシンチレーションカウンター法により，1994年5月～2006年10月までの12.5年間，週一回の頻度で測定を継続した．より詳細に濃度変化を求めるために，地獄では2001年9月～2004年3月までの2.5年間にわたり，イオニゼーションチェンバー法により連続測定を行った．火山ガスは1.5 mの深度からポンプにより汲み上げたが，前処理装置により，硫黄を含む高温の水蒸気による検出器の劣化を防いだ．また，クロマトグラフィによるガス中のHe，CO 2 ，H 2 ，CH 4 濃度測定も週一回の頻度で実施した．
3つのサイトに共通して， 222 Rn濃度の変動は長周期の成分を含み，概して，ガス年齢は 222 Rn濃度の極大値付近で若くなるという傾向が見出された．222 Rn濃度とガス年齢の大幅な増減の支配因子として火山性地震の可能性が最も高い．この推測は，連続測定による 222 Rn濃度と地震規模との詳細な対応付けにより確かめられた．
次にCO 2 ，H 2 ，CH 4 濃度を組み合わせた地質温度計から貯留層温度を推定した．地獄サイトでは229～285°Cの範囲で大きく変動し，平均は265°Cであった．これよりも精度は劣るが，He／CO 2 濃度比からも貯留層の圧力を推定した．その結果，222 Rn濃度は概ね温度と圧力に調和的に変動することがわかった．これに基づきRn濃度と貯留層温度との関係式を求め，同一の貯留層上にあると考えられる湯の谷と吉岡サイトのデータに適用した．第1
図で比較するように，濃度が極大，極小となる時期や大局的な変動パターンで両者は類似しているといえる．よって 222 Rnは，地表で貯留層の温度・圧力を見積もり，それらの変化をモニタリングするのに有用である．

３．地殻破壊現象と 222 Rn濃度との関連
断層近傍で 222 Rn濃度に変化がみられない場合も多く，濃度を増加させる断層の特性は十分には理解されていな
い．この理解のため，西日本での7つの活断層（跡津川，阿寺，野島，別府―万年山，布田川，日奈久，出水）を対象とし，計230地点で測定を実施した 3) ．21%の測点で放射性非平衡のパターン，すなわち 222 Rn生成からの経過時間が短くガスが若い状態を示したことが特徴的であり，これは 222 Rnのキャリアガスの速い上昇速度に起因すると考えられた．親核種であるラジウムが表層に少なくても，ガス速度が大きいと 222 Rn濃度に異常が生じ得る．

81275

Yunotani270

破壊21018060180140120401207060200400001030Time (hour)265

Estimated temperature (°C)

20Stress010203060

Compression stress (MPa)

Rn counts per 5 min

Number of 222Rn (atoms/volume)

次に，2001年1月～2010年9月までの10年間の地震デーせると考えられる．これらの条件が揃わないと，稲田花
タを用い，マグニチュードMと震源距離dから全地震エネ
崗岩のように岩石破壊はRn濃度を増加させない．よって，ルギー（TEE）を求めた．各測点から100 km以内にある
地震エネルギーや震源距離，地殻の放射性核種含有量に地震データを用い，Mから求められる地震エネルギーを加えて，鉱物組成と岩石の力学的性質も地中ガスの 222 Rn
2222d で除し，これを加算した結果， Rn濃度がTEEと強い濃度を増加させるのに重要な因子であるといえる．
(×104)
相関性をもつことが見出された（第2図）．地殻上部での50
ガス流れはダルシー則に従うと仮定し，これとディスロ
222
ケーションモデルを組み合わせると，強い相関性は Rn
R = 0.97のソース深度付近での間隙圧の増加に起因すると解釈で
Futagawa
30Ateraきる．この増加はキャリアガスの上昇速度を速くし，結222
果として Rn濃度も増加する．以上の解釈から，微小なIzumi
歪み変化にも 222 Rnは敏感であることが示唆される．
さらに，岩石破壊に伴うラドンの放出量の支配因子を10明らかにするために，大島，六甲，土岐，船津，稲田産
8Hinagu
Beppuの5種の花崗岩を用いて一軸圧縮試験を行った 4) ．αシン
Upper quartile
6
Haneyama
チレーションカウンター法により 222 Rnと 220 Rnの壊変数● Median
Nojima4を合計したRn濃度を連続測定したところ，稲田花崗岩以
外では一軸圧縮強度の46～57%のレベルで濃度が急増し，Lower quartile
Atotsugawa
破壊後も濃度が上昇した（第3図）．
2
また，種々の検討により，破壊に伴うRn濃度の増加量
2468 1020(×109)の主要因子は放射性核種の含有量であり，これに加えて
2
Total earthquake energy (J/km )鉱物粒径，一軸圧縮強度，散逸面積の進展速度，および第2図 7つの活断層域での全地震エネルギー（TEE）と 222 Rn濃度
破壊形態（せん断型あるいは引張り型）も因子になり得ることがわかった．圧縮強度が小さく引張り破壊型は，
Toki (TK)
Inada (ID)300
350
300 100
ラドンの放出と移動に有利となる十分な量の間隙や応力破壊
80240240
解放を生じさせ，小さな粒径は Rnの散逸係数を増加さ 280

040Time (hour)

第3図 圧縮進展に伴うRn濃度（5分間当たりの 222 Rnと 220 Rnの壊変数のカウント）と一軸圧縮応力との関係（土岐と稲田花崗岩の例）

260

★
★

長期間・広範囲にわたる測定と一連の岩石試験により，Rn濃度には貯留層の温度・圧力，測定地周辺の地震エネルギーの累計，および岩石の圧縮強度や破壊形態などの力学的性質の情報が含まれていることが明らかになった．222 Rnはこのような地殻物性や応力・歪み変化，それに伴うガス上昇速度変化に敏感であるといえ，これらに関連した現象のセンサーとしての活用が期待できる．
文 献255340

222330320
310300290
280
270

４．まとめ★

Yoshioka★

260
第1図 2つの噴気サイトでの 222 Rn濃度に基づく地熱貯留層の推定温度（★印は極小値，線分と矢印は対応するパターンを表す）

1) Koike, K., Yoshinaga, T., Asaue, H., 2009. Radon concentrations
in soil gas considering radioactive equilibrium conditions withapplication to estimating fault-zone geometry. Environ. Geol., v.
56(8), p. 1533-1549.
2) Koike, K., Yoshinaga, T., Asaue, H., 2014. Characterizing
long-term radon concentration changes in a geothermal area forcorrelation with volcanic earthquakes and reservoir temperatures.
J. Volcanol. Geoth. Res., v. 275, p. 85-102.
3) Koike, K., Yoshinaga, T., Ueyama, T., Asaue, H., 2014. Increasedradon-222 in soil gas because of cumulative seismicity at activefaults. Earth, Planet and Space, v. 66(1), p. [57]1-9.
4) Koike, K., Yoshinaga, T., Suetsugu, K., Kashiwaya, K., Asaue, H.
Controls on radon emission from granite as evidenced bycompression testing to failure (under review).