地球物質・エネルギー学分野    Geomaterial and Energy
-流体反応が駆動する地圏環境システム
岩石一
Geo-environmental systems driven by fluid-rock reactions Atsushi Okamoto地圏環境において流体は化学反応や物質・エネルギー移動を促進し、岩石一流体反応はグローバルな物質循環、表層環境、資源形成など、人間社会にも大きな影響を与える。当研究室では、地殻やマントルにおける「流体」を介した岩石の反応やエネルギー・物質移動に着目し、超臨界地熱資源や熱水性鉱床の開発に向けた基礎研究、水や二酸化炭素の固定・循環プロセスとその有効利用、断層・亀裂での鉱物溶解・析出、地震と流体の関係などについての研究を進めている。さらに、多次元化学組成と複雑な空間構造（組織）で特徴づけられる地圏物質（岩石や流体）を対象として、データ駆動型解析や数値モデリングを行い、地圏環境における動的システムの情報抽出を試みている。
 In the geo-environments, fluids facilitate chemical reactions and mass and energy transfer, and fluid–rock reactions have a significant effect on human society, including global geochemical cycles, surface environments, and resource formation. In our laboratory, we focus on the reaction of rocks and energy as well as mass transfer through "fluids" in the crust and mantle and conduct fundamental research on the development of supercritical geothermal resources and hydrothermal deposits, and H : O and CO : fixation and circulation processes as well as their effective utilization. In addition, we examine the mineral dissolution and precipitation in faults and fractures and the relations between fluid and earthquakes. Furthermore, we are attempting to extract information on dynamic systems in geo-environments through data-driven analyses and numerical modeling of geo-environmental materials (rocks and fluids) that are characterized by multidimensional chemical composition and complex spatial structure (textures).
超臨界地熱資源の地化学および熱水性鉱床の形成
超臨界流体資源を持続的に開発・利用していくためには、地熱流体の地化学的性質を評価する必要がある。本年度は、低密度領域における溶存種の熱力学的データを地化学計算ソフトに実装し、地熱流体の減圧、冷却過程によるモデリングを行い、腐食性の低pH流体の生成機構を明らかにした。また、深成岩体周辺において、斜長石粒子にマイクロスケールの空隙が存在することを見出した。室内実験により、特徴的な流体が関与する長石の熱水変質により空隙が形成することを明らかにし、超臨界地熱貯留層における流体の新しい存在様式を示唆した(Fig.1)。黒鉱鉱床のチムニーに産する両錐形の石英粒子の形状や流体包有物の解析を行い、海底において300°C以上の熱水が毎秒数cm一数十cmの速度で噴出したことを明らかにした。さらに、熱水噴出孔を模擬した流通式析出実験を進め、上昇する流体の中で、シリカ粒子が形成し、浮遊しながら成長し、石英粒子へと変化する過程を明らかにした。 [受賞]杉岡純平(修士課程]年) JpGU学生優秀発表賞2021年６月６日Fig.1 Porosity generation during the replacement of feldspar in metamorphic rocks in the Kinkasan Island. Right = BSE image, Left = FIB-SEM. Geochemistry of supercritical geothermal resources and formation of hydrothermal
ore deposits
For sustainable development and utilization of supercritical fluid resources, it is necessary to evaluate geochemical properties of geothermal fluids. In 2021, we implemented the thermodynamic data of dissolved species in the low-density region into the geochemical calculation software, modeled the fluid chemistry during depressurization and cooling, and clarified the formation mechanism of corrosive low-pH fluids. We also found a large amount of microporosities in plagioclase grains around a plutonic body. Laboratory experiments revealed the porosities are formed by hydrothermal alteration of feldspar under certain fluid chemistries, suggesting a new mode of fluid existence in supercritical geothermal reservoirs (Fig.1). We have analyzed the shape of bipyramidal quartz particles and fluid inclusions in the chimney of the black ore deposit and have found that hydrothermal fluids above 300°C were ejected at the seafloor at a rate of several cm/s to several tens of cm/s. In addition, we conducted hydrothermal flow-through experiments simulating a hydrothermal vent and clarified the processes of silica particle formation, growth, and transformation into quartz particles in the ascending fluids. [Award: J. Sugioka (M1) JpGU Best Student Presentation Award, June 6, 2021.]
水や二酸化炭素の岩石への固定化プロセス
岩石への水や二酸化炭素の固定化は、グローバルな物質循環や表層環境に大きな影響を与える重要なプロセスである。本年度は、「しんかい6500」の小笠原海溝の潜航調査で得られたマントル岩石の同位体分析から、海水が数万年かけて循環することで二酸化炭素を固定化することを明らかにした。また沈み込み帯深部から上昇した三波川変成帯のマントル岩石の解析から、沈み込み帯でのマントルウェッジの二酸化炭素の起源と固定化プロセスを明らかにし、スロー地震に関係している可能性を示唆した。 [プレスリリース] 2021年８月３日、2021年１２月３日また、流体（水や二酸化炭素）を吸収する反応が、空隙の少ない地下でどのように持続的に進むかは明らかではなかった。アナログ物質のMgO焼結体を用いた吸水反応一透水実験により、岩石一流体反応によって岩石が破壊し、流体の流れが促進することを実験室で実証した。これにより、二酸化炭素を地下へ効率的に固定するための技術への応用が期待される。 [プレスリリース] 2022年1月18日
岩石一流体反応に伴う物質移動とエネルギー発生
岩石一流体相互作用は、大きな物質移動を伴う。オマーンオフィオライトの鉱物脈周囲の反応帯の解析により、マントルに熱水が流れてシリカが溶脱するプロセスから流体移動のタイムスケールを推定した。また、マントルの変質による水素エネルギー生成条件を海洋底岩石と実験生成物のFe(III)のマッピングと磁気測定により、温度やシリカによる影響を明らかにしている(Fig.2)。昨年度開発した、玄武岩化学組成データを学習させた機械学習モデルを海洋底変質岩や沈み込み帯変成岩に適用し、特定の反応時期に大量の物質移動が起こっていることを明らかにした(Fig.4)。 [受賞] 田中修平(修士課程]年)地球惑星科学連合大会学生優秀発表賞2021年6月6日、日本地質学会優秀ポスター賞2021年9月4日、吉田一貫(博士課程1年)日本鉱物科学会研究発表優秀賞2021年9月18日21歳では当学で教教教deg notivn3 to them in
Processes of water and carbon dioxide
fixation into rocks
Fixation of water and carbon dioxide in rocks is an important process that has a significant impact on the global geochemical cycle and surface environments. In this fiscal year, isotope analyses of mantle rocks obtained from the submarine survey of the Ogasawara Trench by the Shinkai 6500 revealed carbon dioxide has been fixed by the circulation of seawater over tens of thousands of years. Analyses of mantle rocks from the Sanbagawa metamorphic belt revealed the origin and fixation processes of carbon dioxide in the mantle wedge in the subduction zone, suggesting it may be related to slow earthquakes [Press release issued 3 August 2021 and 3 December 2021.] So ytele It was not clear how the fluid-consuming reactions of H 2 O and CO 2 could be sustained in the subsurface where porosities are limited. By hydrothermal flow-through experiments of sintered MgO, we have successfully demonstrated that fluid–rock reactions can fracture rocks and promote fluid flow. These results are expected to be applied to the technologies for efficient fixation of carbon dioxide. [Press release issued 18 January 2022.] Mass transport and energy generation associated with fluid-rock reactions Fluid–rock interactions involve significant mass transfer. By analyzing the reaction zones around mineral veins in the Oman ophiolite, we estimated the timescale of fluid transfer from the process of the silica dissolution triggered by infiltration of hydrothermal fluids. We also investigated the effects of temperature and silica for hydrogen energy generation during mantle alteration by mapping and magnetic measurements of Fe(III) in seafloor rocks and experimental products (Fig.2). A machine-learning model developed last fiscal year, which is trained on basalt chemical compositional data, was applied to seafloor-altered rocks and subduction zone metamorphic rocks, and it revealed a large amount of mass transfer had occurred during certain reaction stages (Fig.4). [Awards: S. Tanaka (M1): Best Student Presentation Award, JpGU, June 6 2021, Best Poster Award, GSJ, September 4 2021; K. Yoshida (D1): Best Presentation Award, JAMS, September 18 2021.] Fig.4 Analyses of element transport of oceanic crust and metamorphic rocks revealed by machine-learning approaches. Fig.5  Best Poster Award at the 3 rd Academic Forum on Environmental Studies (Nov. 2021, Matsuno (M2) Sugioka (M1)). peons vbA not selbutS