地下深部に眠る未利用地熱エネルギーの姿が明らかに ―革新的イメージング技術が可能とする超臨界地熱発電―

発表のポイント

◆ 次世代型の「超臨界地熱発電」の実施に向けて、弾性波探査と地震観測を統合し、地熱地帯の超臨界流体システムを高解像度で三次元的に可視化した。
◆ マグマから超臨界水の分布、シール層、亀裂帯、相転移と地震活動に至る超臨界地熱システムの全体像を世界で初めて可視化することに成功した。
◆ 開発した解析手法により山岳地域での弾性波探査が可能となり、掘削ターゲットや開発計画を明確化できるため、超臨界地熱発電の推進が期待できる。

三次元弾性波探査の結果と解釈図

概要

東京大学大学院工学系研究科の辻 健 教授らによるグループは、弾性波探査（注1）と地震観測データに対して新手法を適用し、深部超臨界流体（注2）の動態を世界で初めて三次元的に可視化しました。

従来の探査手法では空間解像度が低く、貯留層の場所や性質を把握するのが困難でした。しかし本研究では、地震波を用いた手法を九州の九重地熱地域（図1）に適用し、深部地熱貯留層の三次元高解像度可視化に世界で初めて成功しました。具体的には、マグマ性流体、超臨界水の存在領域、シール層、亀裂帯を通じた上昇経路、そして相変化に伴う地震活動までの一連のプロセスを初めて観測することができました。さらに、限られた震源・受振点からでも地下構造を描出できる共通反射面重合法と呼ばれる手法を発展させることにより、従来困難であった山岳地帯の深部探査も可能であることを示しました。本成果は、超臨界地熱発電の掘削ターゲット特定や計画立案に利用でき、次世代地熱開発の推進を可能にすると考えられます。

本研究成果は、2025年9月24日（英国夏時間）にNature姉妹誌「Communication Earth & Environment」のオンライン版に掲載されました。 

図1：探査風景と探査地域

発表内容

地熱発電は、カーボンニュートラル社会の実現に向けた再生可能エネルギー源の一つとして注目されています。地熱発電の開発のためには、熱源に加えて熱水が通る流路（亀裂帯）を見つける必要があります。しかし、その探査は難しく、発電できる地域が限られるため、大幅な発電量の拡大は進んでいないのが現状です。つまり、日本のように火山や熱源が多くても、地下の状態が分からなければ地熱開発を進めるのは困難ということになります。また、地熱開発による熱水温度の低下や、周辺の温泉への影響も懸念されています。これらの理由により、日本における地熱発電の電源構成比は依然として0.3％程度にとどまっています。

これらの壁を打破する手段の一つとして「超臨界地熱発電」があります。通常の地熱貯留層（地熱流体のある場所）より高温の超臨界水を利用するこの発電では、これまでにない大きな発電量が見込まれ、さらに地震発生リスクが低い環境（高温のため地震を引き起こさない環境）での開発が可能となります。また超高温の深部の熱エネルギーを使うため、温泉への影響も心配ありません。一方で、深部貯留層までの掘削費用は極めて高額であるため、掘削前に超臨界水が存在する場所・温度・流体経路を正確に把握する技術が必須でした。つまり、超臨界地熱の貯留層を可視化し、その性質を調べる技術が求められてきました。しかし、これまで一般的に用いられてきた電磁気探査（MT法）では解像度が不十分で、掘削ターゲットとなる超臨界流体やその通路の位置を正確に把握することは難しいとされていました。

本研究では、人工震源を用いた弾性波探査と、多数の地震計による自然地震観測を組み合わせることで、九州・九重地熱地域における深部地熱貯留層を三次元的に超高解像度で可視化することに成功しました。弾性波探査では、山岳部における限られた震源・受振点の配置でも三次元的に可視化できる「共通反射面重合法（CRS）」というデータ解析手法を拡張し、山岳地帯でも深部探査が可能であることを示しました。さらに地震計データに対して、機械学習を用いた手法で、自然地震の分布やメカニズムを精度良く推定しました。その解析結果に基づき、地震波トモグラフィと呼ばれる手法を適用することで、地下における地震波の伝播速度（P波速度・S波速度）を推定しました。その結果、①熱源となるマグマに関係する構造、②超臨界流体が移動する亀裂帯、③超臨界流体の分布、④その超臨界流体を閉じ込めるシール層、⑤シール層に破れ目（透水窓）が形成され、超臨界流体が上昇する経路、⑥圧力が下がって超臨界水から相変化したガスを含む流体、という超臨界流体の一連の動きを世界で初めて明らかにすることができました（図2）。

図2：弾性波探査結果（反射断面図）、P波速度とS波速度の比（Vp/Vs）、自然地震の分布とメカニズム

上のパネルは南北測線、下のパネルは東西測線で、これらの位置は図1の黄色線に対応している。①マグマ領域、②亀裂帯、③超臨界流体、④超臨界流体を閉じ込めるシール層、⑤シール層が破れている場所（透水窓）、⑥相変化したガスを含む流体の関係が確認できる。また地震（ビーチボールのような印）は透水窓を超臨界流体が通過する場所で発生している。

また地震が発生する場所は、超臨界水が相変化する領域に集中していることが分かりました（図2）。超臨界水がガスを含む流体に相変化する際に体積が増大し、その結果として地震が発生していると考えられます。さらに、地震の発生タイミングが降雨と関係していることも明らかになりました。降雨によってシール層にトラップされた超臨界流体の水圧がわずかに高まり、シールの割れ目（透水窓）を超臨界流体がイベント的に通過する際に地震が生じていると考えられます。このように、本研究では超臨界流体の流れだけでなく、それによって引き起こされる地震のメカニズムも明らかにすることができました。

なお、今回の弾性波探査では、大型の震源装置（起震車）を使用したため、山間部での発振が難しく、道路上など限られた地点でのみデータを取得しました。今回の研究では、データ解析手法を向上させることで三次元的に地下構造を推定することに成功しましたが、実際には図2に示すように浅部の構造は可視化できず、白抜けとなっている箇所があります。今後は、辻教授らが独自に開発している山岳地域向け小型震源装置（PASS、関連情報①）や高精度地震計システムを山間部にも設置し、浅部を含めて高解像度で地下をイメージングすることを目指します。

超臨界地熱発電は、これまでにない大規模な発電量を実現できる可能性を秘めた未利用エネルギー資源であり、日本のエネルギー安全保障や脱炭素社会の実現に大きく貢献すると期待されています。今回の研究成果は、その開発に向けて「地下深部における掘削ターゲットの三次元デジタル地図」を提供するものであり、ここで得られた知見や技術は、今後の世界的な未来型地熱開発に大きなインパクトを与えると考えられます。特に、日本のように豊富な熱源を有しながらも亀裂が不均質に分布する地域においても、地熱開発を大きく前進させる成果となると期待されます。

〇関連情報：

https://www.t.u-tokyo.ac.jp/press/pr2022-09-15-001

発表者・研究者等情報

東京大学 大学院工学系研究科

　辻　健　教授

　アンダジャニ　レズキア　特任研究員

株式会社 地球総合研究所

　加藤　政史　

　原　彰男　

　青木　直史　

　阿部　進　

国立台湾大学

　郭　陳澔　教授

　管　卓康　ポストドクトラル研究員

　孫　維芳　ポストドクトラル研究員

　潘　勝彥　博士学生

　劉　耀宏　研究補佐員

九州大学 大学院工学研究院

　北村　圭吾　准教授

　西島　潤　准教授

西日本技術開発株式会社　

　稲垣　陽大　

論文情報

雑誌名：Communication Earth & Environment

題　名：Supercritical fluid flow through permeable window and phase transitions at volcanic brittle–ductile transition zone

著者名：Takeshi Tsuji*, Rezkia Dewi Andajani, Masafumi Katou, Akio Hara, Naoshi Aoki, Susumu Abe, Hao Kuo-Chen, Zhuo-Kang Guan, Wei-Fang Sun, Sheng-Yan Pan, Yao-Hung Liu, Keigo Kitamura, Jun Nishijima, Haruhiro Inagaki

DOI：10.1038/s43247-025-02774-4

URL：https://www.nature.com/articles/s43247-025-02774-4

研究助成

この成果は、NEDO（国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構）の委託業務（JPNP21001）の結果得られたものです。また解析の一部は日本学術振興会（JSPS）科研費（課題番号：JP21H05202、JP22H05108、JP24H00440）にも支援を受けています。

用語解説

（注1）弾性波探査

弾性波探査とは、地面に人工的に振動を与え、その波の伝わり方を観測することで、地下の構造や性質を調べる技術です。さまざまな弾性波探査がありますが、有名な手法に、反射法地震探査があります。この手法では、医療用のエコーのように反射波を利用することで、地下構造を可視化できます。弾性波探査は、石油や天然ガスの探査に加え、二酸化炭素貯留（CCS）の調査、さらには火山や地震の研究など、地球の資源利用や防災の分野で広く活用されています。

（注2）超臨界流体

超臨界流体とは、高温・高圧の条件下で、液体でも気体でもない特別な状態のことを指します。通常の水は加熱すると液体から蒸気（気体）に変わりますが、地下深部では摂氏374度以上、圧力が220気圧以上になると、液体と気体の境目がなくなり、「超臨界流体」と呼ばれる状態になります。超臨界流体は非常に高い熱エネルギーを持つため、従来の地熱発電よりも高効率での発電が期待されています。この性質を活用する「超臨界地熱発電」は、地球深部に眠る未利用エネルギー資源として注目されています。

プレスリリース本文：PDFファイル

Communication Earth & Environment：https://www.nature.com/articles/s43247-025-02774-4