JP2016085114A

JP2016085114A - 地熱資源評価に有用な重力及び磁力データ総合的解析方法

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Publication number: JP2016085114A
Application number: JP2014217884A
Authority: JP
Inventors: 滋樹水谷; Shigeki Mizutani
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-10-26
Filing date: 2014-10-26
Publication date: 2016-05-19
Anticipated expiration: 2034-10-26
Also published as: JP6529735B2

Abstract

【課題】地熱資源の賦存する火山地域において重力探査データと磁力探査データから高温マグマやその固結した貫入岩体の垂直並びに水平板状貫入の有無、深度、分布、磁化強度や方向並びに貫入時代を推定すること。【解決手段】グリッド化した重力異常値データ及び重力偏差異常値データから重力異常−擬重力異常クロスプロットを作成、検討地域の基盤岩とそれを覆う凝灰岩などの堆積岩間の密度差や磁化コントラストの違いに起因する重力異常と擬重力異常の相関傾向線を見出し、凝灰岩などの堆積岩の擬重力異常値への影響、即ち重力変換擬重力異常値データを求め、各グリッド点の擬重力異常値から重力変換擬重力異常値を差し引いた重力補正擬重力異常値データを算出、長波長成分と短波長成分とに分け、長波長成分からマグマや貫入岩体の水平貫入や深部高温領域の凹凸や分布を、短波長成分からマグマや貫入岩体の垂直貫入及びその深度を推定する。【選択図】図１

Description

この発明は、重力と磁力データを総合的に解析し、地熱資源の探査に有用な情報となる高温マグマやその固結した貫入岩体の垂直並びに水平板状貫入の存在の有無、有る場合その深度や分布、貫入岩体の磁化強度や方向並びに貫入時代を推定する方法に関する。

地熱資源開発に際しては、重力探査データは地下の岩石密度差を反映することから深部基盤岩深度や断裂帯分布推定に、一方磁力探査データは地下の岩石磁化コントラストを反映することから周辺の岩石に比べ密度差は小さいが磁化コントラストが大きいマグマやその固結した貫入岩体の貫入やキューリー点温度到達の深部高温領域深度推定に利用されている。

従来、磁気探査データは重力探査データなどの他のデータを加味せず単独で解析される事例が多い。また、重力探査データを加味し解析される場合も検討する地下の地層の密度差と磁化コントラストの比の変化を捉え貫入岩体を推定するものである。

大熊茂雄東北地方北部の磁気異常の解釈地質調査所月報、第４４巻第2/3/4号梶原崇憲・茂木透 Poissonの関係式を用いた北海道北部における重力・磁気異常の地下構造解析北海道大学地球物理学研究報告

従来の重力探査データ及び磁力探査データの両データを使う解析方法は、火山地域ではマグマや貫入岩体とこれらを取巻く岩石との密度差と磁化コントラストの比は狭い検討範囲内でもその数値変化は大きく前提となる均一な密度差及び磁化コントラストではない点、また基盤岩とそれを覆う凝灰岩などの堆積岩との磁化コントラストは小さいが磁力探査データ解析に与える影響を無視できない点など問題がある。

地熱資源の賦存する火山地域では基盤岩深度が十分な精度で把握することが困難なため基盤岩を覆う凝灰岩などの堆積岩の磁力探査データに与える影響が十分に補正されず、この結果、磁力探査データ解析では貫入岩体の磁化強度や方向に誤差が残り、マグマ貫入やキューリー点温度達成深度の推定精度も十分ではなかった。そこで、本発明は、このような課題を解決するために考えられたものである。

本発明は、グリッド化した重力異常値データとこの重力異常値データを鉛直方向に微分した重力偏差異常値データ、グリッド化した極磁力異常値データとこの極磁力異常値データを鉛直方向に積分した擬重力異常値データを取得し、この多数の重力異常値データおよび擬重力異常値データをグラフ上にプロットして重力異常−擬重力異常クロスプロットを作成し、この重力異常−擬重力異常クロスプロットから検討する地域の基盤岩とそれを覆う凝灰岩などの堆積岩間の密度差や磁化コントラストの違いに起因する重力異常−擬重力異常相関傾向線を見出し、その重力異常−擬重力異常相関傾向線から基盤岩とそれを覆う凝灰岩などの堆積岩間の密度差や磁化コントラストの違いに起因する重力変換擬重力異常値を重力異常値から求め、各グリッド点の擬重力異常値から重力変換擬重力異常値を差し引いた重力補正擬重力異常値を計算し重力補正擬重力異常値データを作成、この重力補正擬重力異常値データを長波長成分と短波長成分に分け、長波長成分からマグマや貫入岩体の水平貫入や深部高温領域の凹凸や分布を、短波長成分からマグマや貫入岩体の垂直貫入及びその深度を推定することを特徴とする地熱資源評価に有用な重力及び磁力データ総合的解析方法である。

本発明によると、地熱資源の賦存する火山地域を含む広域にて重力探査データと磁力探査データを総合的に解析し、両者間の相関性を見出し、基盤岩とそれを覆う凝灰岩などの堆積岩の磁力探査データに与える影響を推定し、この影響を除去する補正をした磁力探査データを解析することで、高温マグマやその固結した貫入岩体の垂直並びに水平板状貫入が在るか否か、有る場合その深度、凹凸や分布、貫入岩体の磁化強度や方向並びに貫入時代を推定でき地熱資源探査に有用な情報を得ることができる。また、本発明は、温泉資源の探査に際しても応用することができる。

本発明の重力及び磁力データ総合的解析によるマグマや貫入岩体の推定方法の実施形態を示す概念図である。重力異常−擬重力異常クロスプロットの事例を示すグラフである。重力偏差異常−極磁力異常クロスプロットの事例を示すグラフである。重力補正擬重力異常図の事例を示す図である。重力補正擬重力異常値短波長成分データの事例を示す図である。

本発明の推定方法では、次のデータを出発データとする。
１）観測したブーゲー重力異常値や重力偏差異常値等鉛直方向成分や３成分探査データ（以下、重力探査データという）。
２）観測した磁力異常値等全磁力や３成分探査データ（以下、磁力探査データという）。

重力探査データの垂直方向成分値と磁力探査データの全磁力値について等間隔のグリッド化を行う。グリッド化した重力探査データがブーゲー重力異常値データ（以下、重力異常値データという）の場合、この重力異常値データを鉛直方向に微分し、各グリッド点の重力異常偏差値を計算し、重力偏差異常値データを作成する。重力探査データが重力偏差異常値データの場合、この重力偏差異常値データを鉛直方向に積分し各グリッド点の重力異常値を計算し重力異常値データを作成する。

グリッド化した磁力探査データから北磁極(磁場と磁性体磁化方向が共に下向き)の前提で各グリッド点の極磁力異常値を計算し極磁力異常値データを作成する。

さらに極磁力異常値データを鉛直方向に積分し各グリッド点の擬重力異常値を計算し擬重力異常値データを作成する。

地下において、凝灰岩などの堆積岩と基盤岩からなる２層モデルを想定する。各層内では密度と磁化は均一、２層間の密度差Δρ及び磁化コントラストΔｍを前提に理論上重力異常値ＢＧと擬重力異常値ＰｓＧとは相関し、Ａを検討する地域の地域的異常値とすると線形回帰式
ＰｓＧ＝Ａ＋(Δｍ/Δρ)×(ＢＧ/Ｇ) ・・・・・・・・・・・（１）
また、重力偏差異常値ＧＤｉｆと極磁力異常値ＲＴＰＭはＢを検討する地域の地域的異常値とすると線形回帰式
ＲＴＰＭ/ＧＤｉｆ＝Ｂ＋Δｍ/(Δρ×Ｇ) ・・・・・・・・・（２）
の関係式で表される。ここでＧは万有引力係数6.67384×10^-11m³kg^-1s^-2である。

北海道中央部東経１４２度４５分、北緯４３度３０分を中心とした東西６０ｋｍ、南北４５ｋｍの範囲にて１９７０−８０年代にＮＥＤＯ及び地質調査所（当時）が計測の重力探査データ及び磁力探査データからグリッド５００ｍの重力異常値データ及び擬重力異常値データを作成した。総グリッド点数は約１万である。

地熱資源の賦存する火山地帯を含む広域にて重力異常値データと擬重力異常値データをクロスプロットし重力異常値は１ｍｇａｌ、擬重力異常値は１５００ｎＴｍのビン幅にて各ビンに入る頻度数図（図２に事例を示す擬重力異常値をＸ軸、重力異常値をＹ軸とする重力異常−擬重力異常クロスプロット、この事例ではコンターは頻度数５で頻度数１０以上は黒塗りとなっている。）を作成すると２つの傾向が認められる。

一つの傾向は、図２に２つの矢印（ａ）−（ａ）で示すように、一直線に並んでおり、広域における重力異常値及び擬重力異常値データ両者の一般的相関傾向で基盤岩とそれを覆う凝灰岩などの堆積岩の２層モデルに即したものである。以下、この傾向線を重力異常−擬重力異常相関傾向線という。擬重力異常値をＸ軸、重力異常値をＹ軸とするとこの重力異常−擬重力異常相関傾向線の傾きは (Δρ×Ｇ)／Δｍ、切片は−(Ａ×Δρ×Ｇ)／Δｍである。

もう一つの傾向は図２に矢印（ｂ）及び矢印（ｃ）で示すように、火山地帯に特有な傾向で傾き及び切片の異なる複数の直線が認められる。重力異常値が基盤岩深度と概ね相関することから基盤岩深度が異なる複数のマグマや貫入岩体の貫入があることが推察できる。これらはマグマが冷却過程でその時代の地球磁場方向に残留磁化した貫入岩体やマグマ自体或いは基盤岩が高温化しキューリー点温度に達し無磁化になった深部高温領域の影響が示唆される。

地熱資源の賦存する火山地帯を含む広域にて重力偏差異常値データと極磁力異常値データをクロスプロットし重力偏差異常値は４ｍｇａｌ／ｋｍ、極磁力異常値は５ｎＴのビン幅にて各ビンに入る頻度数図（図３に事例を示す極磁力異常値をＸ軸、重力偏差異常値をＹ軸とする重力偏差異常−極磁力異常クロスプロット、この事例ではコンターは頻度数６で頻度数１２以上は黒塗りとなっている。実線にて描かれた楕円内に概ね検討する地域の約４３％のデータが入り一方多くの火山地域のデータは楕円外に分布する。）を作成すると図３に矢印（ｄ）−（ｄ）で示すように、ある傾向線上にデータが収斂する傾向が認められる。以下、この傾向線を重力偏差異常−極磁力異常相関傾向線という。極磁力異常値をＸ軸、重力偏差異常値をＹ軸とするとこの重力偏差異常−極磁力異常相関傾向線の傾きは (Δρ×Ｇ)／Δｍ、切片は−(Ｂ×Δρ×Ｇ)／Δｍである。

重力異常−擬重力異常クロスプロット上の一般的傾向は基盤岩とそれを覆う凝灰岩などの堆積岩の２層モデルを表現している。

基盤岩とそれを覆う凝灰岩などの堆積岩間の密度差及び磁化コントラストによる擬重力異常値への影響は簡単に推察できる。重力異常−擬重力異常クロスプロット上の一般的傾向を示す重力異常−擬重力異常相関傾向線では重力異常値と擬重力異常値は一対一に対応しており重力異常値が分かれば擬重力異常値が分かるという具合である。

各地点の重力異常値は地表近くの浅部における密度変化の影響があり重力異常値データから短波長成分を事前に除去することが推薦できる。ローパスフィルターや地層勾配を考慮し重力異常図の各グリッド点における水平傾斜値をある一定の数値内に限定する曲面を作成するフィルターを重力異常値データに適用することが有効である。この曲面を作成するフィルターでは２層モデルを適切に表現している急激な変化のない重力異常値データをフィルター操作により数値変化することなく取り扱うことができる。

検討する地域の各グリッド点にて重力異常値に対応する重力異常−擬重力異常相関傾向線から計算される擬重力異常値を重力変換擬重力異常値とする。さらに各グリッド点の擬重力異常値からこの重力変換擬重力異常値を差し引いた値を重力補正擬重力異常値とする。

図２に事例を示す重力異常−擬重力異常クロスプロットから読み取れる重力異常−擬重力異常相関傾向線はＰｓＧ＝３．６×ＢＧ＋６１である。ここでＰｓＧは擬重力異常値(単位は５００ｎＴｍ)、ＢＧは重力異常値(単位はｍｇａｌ)である。あるグリッド点において重力異常値が１０、擬重力異常値が１００の場合重力変換擬重力異常値は９７（＝３．６×１０＋６１）、重力補正擬重力異常値は３（＝１００−９７）と計算できる。

重力偏差異常−極磁力異常クロスプロット上の一般的傾向を示す重力偏差異常−極磁力異常相関傾向線から計算される各グリッド点の重力偏差異常値に対応する極磁力異常値を重力偏差変換極磁力異常値とする。

各グリッド点の極磁力異常値からこの重力偏差変換極磁力異常値を差し引いた値を重力偏差補正極磁力異常値とする。

この重力偏差補正極磁力異常値を鉛直方向に積分すれば重力補正擬重力異常値が計算できる。

各地点の重力偏差異常値は地表近くの浅部における密度変化の影響があり重力偏差異常値データから短波長成分を事前に除去することが推薦できる。ローパスフィルターや地層勾配を考慮し重力偏差異常図の各グリッド点における水平方向傾斜値をある一定の数値内に限定する曲面を作成するフィルターを重力偏差異常値データに適用することが有効である。

検討する地域を多数のセクターに分割しそのセクター毎にその範囲に含まれる重力偏差異常値及び極磁力異常値に対して、セクター毎の重力偏差異常−極磁力異常クロスプロットを作成、各セクターにて重力偏差異常−極磁力異常相関傾向線に収斂した傾向線の傾きと切片を計算できる。

これらセクター毎の傾きと切片から検討する地域の各グリッド点における傾きと切片の分布が補間法等により推定できる。なお収斂度合の低い重力偏差異常−極磁力異常相関傾向線や収斂しても検討する地域の平均値から大幅にかい離する傾きと切片は除外して傾きと切片の分布推定を行うことが推薦できる。

セクターに分割する代わりに各グリッド点或いはある間隔のグリッド点にて一定の範囲を設定しその範囲内に含まれる重力偏差異常値及び極磁力異常値に対し重力偏差異常−極磁力異常相関傾向線に収斂した傾向線の傾きと切片を計算し、検討する地域の各グリッド点における傾きと切片の分布を推定できる。

この各グリッド点で異なる傾きと切片を検討する地域のグリッド点の重力偏差異常値に適用し重力偏差変換極磁力異常値を計算、極磁力異常値からこの重力偏差変換極磁力異常値を差し引き重力偏差補正極磁力異常値を算出、鉛直方向に積分すれば重力補正擬重力異常値が計算できる。

十分な密度で重力偏差異常値データや極磁力異常値データを取得できる場合には有効である。

重力補正擬重力異常値は基盤岩とそれを覆う凝灰岩などの堆積岩の２層モデルに起因する磁力値への影響を補正した、言い換えれば凝灰岩などの堆積岩が堆積の陥没部を基盤岩で置き換えた擬重力異常値である。

凝灰岩などの堆積岩内の密度や磁化の不均一性もあるが、例えば圧密効果や静堆積環境で堆積のグリーンタフであるがこれらの磁力値への影響は小さい。従い、重力補正擬重力異常値は基盤岩など周辺の岩石内に貫入した基盤岩など周辺の岩石とは密度や磁化の異なる岩体に起因する磁力値への影響である。

資源地熱の賦存する火山地帯では、これらはマグマが冷却過程でその時代の地球磁場方向に残留磁化した貫入岩体やキューリー点温度を超える無磁化の高温マグマや深部高温領域の影響が示唆される。

図４に座標系原点を東経１４２度１５分、北緯４４度とする平面直角座標系（東西方向をＸ軸（単位はｍ）、南北方向をＹ軸（単位はｍ））とする重力補正擬重力異常図を示す。

太線にて示した断層に囲まれたカルデラ内の重力補正擬重力異常値が正値であるのに対しその南西部の重力補正擬重力異常値では負値であり地下の貫入岩体の磁化方向が反対であることが分かる。南西部の負値の重力補正擬重力異常値は、現在活動中の十勝岳周辺の火山地帯に相当している。

カルデラ内火山地帯はその反対の正値の重力補正擬重力異常値を持っており、十勝岳周辺の火山地帯とは反対の方向に磁化していると推察できる。従って、現在の磁極とは反対の７８万年以前の火山活動・マグマ冷却過程に残留磁化したと推定できる。

全磁力異常値やそれから計算される極磁力異常値や擬重力異常値は火山火道をマグマが貫入した場合スパイク状の異常値になり卓越した短波長成分が認められる。この為、重力補正擬重力異常値解析に際しては短波長成分と長波長成分と分けて解析することでマグマや貫入岩体の垂直貫入の磁力的影響をマグマや貫入岩体の水平貫入や深部高温領域からの影響とを分けて推定できる。

重力補正擬重力異常図の各グリッド点における水平傾斜値をある一定の数値内に限定する曲面をその長波長成分としその残差を短波長成分に分離できる。

重力補正擬重力異常図長周波成分は無磁化となるキューリー点温度に達する面の凹凸やマグマや貫入岩体の水平貫入を反映している。その平均的な深度をＤ、その深度からの乖離h(x,y)はh(x,y)<<Ｄの前提で重力補正擬重力異常値長周波成分データＤＰｓＧｌ(x,y,0)を深度Ｄまで下方接続し、式
ｈ(x,y)＝ＤＰｓＧｌ(x,y,Ｄ)/2πΔｍ・・・・・・・・・・・（３）
にて試算できる。ここでグリッド座標は(x,y,0)、深度Ｄでの座標は(x,y,Ｄ)で表している。

短周期成分は火山火道等マグマの垂直貫入を反映している。図５に事例を示す座標系原点を東経１４２度１５分、北緯４４度とする平面直角座標系（東西方向をＸ軸（単位はｍ）、南北方向をＹ軸（単位はｍ））とする重力補正擬重力異常値短周波成分データでは貫入岩体の垂直貫入が検討する地域の南西部の面積約６Ｋｍ^２に限定していることが分かる。

この重力補正擬重力異常値短周波成分データＤＰｓＧｓ(x,y,0)を順次下方接続しスパイク状なＤＰｓＧｓ(x,y,d)が得られた場合、マグマが深度dに達していると解釈できる。

Claims

グリッド化した重力異常値データとこの重力異常値データを鉛直方向に微分した重力偏差異常値データ、グリッド化した極磁力異常値データとこの極磁力異常値データを鉛直方向に積分した擬重力異常値データを取得し、この多数の重力異常値データおよび擬重力異常値データをグラフ上にプロットして重力異常−擬重力異常クロスプロットを作成し、この重力異常−擬重力異常クロスプロットから検討する地域の基盤岩とそれを覆う凝灰岩などの堆積岩間の密度差や磁化コントラストの違いに起因する重力異常−擬重力異常相関傾向線を見出し、その重力異常−擬重力異常相関傾向線から基盤岩とそれを覆う凝灰岩などの堆積岩間の密度差や磁化コントラストの違いに起因する重力変換擬重力異常値を重力異常値から求め、各グリッド点の擬重力異常値から重力変換擬重力異常値を差し引いた重力補正擬重力異常値を計算し重力補正擬重力異常値データを作成、この重力補正擬重力異常値データを長波長成分と短波長成分に分け、長波長成分からマグマや貫入岩体の水平貫入や深部高温領域の凹凸や分布を、短波長成分からマグマや貫入岩体の垂直貫入及びその深度を推定することを特徴とする地熱資源評価に有用な重力及び磁力データ総合的解析方法。
多数の重力偏差異常値データおよび極磁力異常値データをグラフ上にプロットして重力偏差異常−極磁力異常クロスプロットを作成し、この重力偏差異常−極磁力異常クロスプロットから検討する地域の基盤岩とそれを覆う凝灰岩などの堆積岩間の密度差や磁化コントラストの違いに起因する重力偏差異常−極磁力異常相関傾向線を見出し、その重力偏差異常−極磁力異常相関傾向線から基盤岩とそれを覆う凝灰岩などの堆積岩間の密度差や磁化コントラストの違いに起因する重力偏差変換極磁力異常値を重力偏差異常値から求め、各グリッド点の極磁力異常値から重力偏差変換極磁力異常値を差し引いた重力偏差補正極磁力異常値を計算し重力偏差補正極磁力異常値データを作成、この重力偏差補正極磁力異常値データを鉛直方向に積分し重力補正擬重力異常値データを求めることを特徴とする請求項１に記載の地熱資源評価に有用な重力及び磁力データ総合的解析方法。
各グリッド点の重力異常値から重力変換擬重力異常値データを求める際、重力異常値からその水平方向傾斜値をある一定の数値内に限定する曲面を作成することにより重力異常値データの長波長成分を推定し各グリッド点の重力異常値に採用することを特徴とする請求項１に記載の地熱資源評価に有用な重力及び磁力データ総合的解析方法。
検討する地域を複数のセクターに分割しその範囲に含まれる重力偏差異常値および極磁力異常値に対しセクター毎の重力偏差異常−極磁力異常クロスプロットを作成し、各セクター毎の重力偏差異常−極磁力異常相関傾向線を見出し、その重力偏差異常−極磁力異常相関傾向線の傾き及び切片を計算、補間法にて各グリッド点における重力偏差異常−極磁力異常相関傾向線の傾き及び切片を算出し、この各グリッド点の重力偏差異常−極磁力異常相関傾向線の傾き及び切片を適用し重力偏差異常値から重力偏差変換極磁力異常値を求め、各グリッド点の極磁力異常値から重力偏差変換極磁力異常値を差し引いた重力偏差補正極磁力異常値を計算し重力偏差補正極磁力異常値データを作成、この重力偏差補正極磁力異常値データを鉛直方向に積分し重力補正擬重力異常値データを求めることを特徴とする請求項２に記載の地熱資源評価に有用な重力及び磁力データ総合的解析方法。
各グリッド点の重力偏差異常値から重力偏差変換極磁力異常値データを求める際、重力偏差異常値からその水平方向傾斜値をある一定の数値内に限定する曲面を作成することにより重力偏差異常値データの長波長成分を推定し各グリッド点の重力偏差異常値に採用することを特徴とする請求項２に記載の地熱資源評価に有用な重力及び磁力データ総合的解析方法。
各グリッド点の重力偏差異常値から重力偏差変換極磁力異常値データを求める際、重力偏差異常値からその水平方向傾斜値をある一定の数値内に限定する曲面を作成することにより重力偏差異常値データの長波長成分を推定し各グリッド点の重力偏差異常値に採用することを特徴とする請求項４に記載の地熱資源評価に有用な重力及び磁力データ総合的解析方法。