アイスランドでは何十年も前から地熱エネルギーを発電に利用している。そのため、技術者たちは地下の熱水源に到達するため、1～2キロメートル掘削する。熱水の温度は250～350度に達することがある。こうした熱水貯留層は、岩石中に閉じ込められたマグマ塊によって地下水が加熱されることで生じる。
2008年、より多くのエネルギーを得られる、さらに高温の地熱貯留層を探していたアイスランド深部掘削プロジェクト（IDDP）の研究者たちは、クラプラ溶岩原で深さ5キロメートルの掘削孔を掘り始めた。しかし、ドリルはわずか2キロメートルの深さで動かなくなった。2本目の掘削孔でも同じ問題が起きた。どちらの場合も、掘削ヘッドが地質学者の言う「マグマ貫入」にぶつかった。これは粘性の高いマグマが上昇しながらも、地表に噴出せず基盤岩の中にとどまっている状態を指す。
超臨界水の貯留層に向けた掘削。
マグマ溜まりの真上で、研究者たちはこれまで知られていなかった独特な地熱水貯留層を発見した。水温は450度に達し、科学者が「超臨界」と呼ぶ状態だった。
水は374度を超えて加熱されると超臨界状態になり、気体と液体の両方の性質を持つようになる。この二つの相は分離も区別もできなくなり、液体のように高密度でありながら、気体のように流れやすい流体となる。
マグマ貫入によって超臨界温度まで加熱された水は、1本の掘削孔で35メガワットの発電容量を得られるだけの熱エネルギーを含んでいる。これに対し、現在一般的な地熱掘削孔の容量は3～5メガワットであり、容量50～100メガワットの発電所をつくるには、複数の掘削孔を回路状につなぐ必要がある。掘削孔1本に数百万ドルかかることを考えれば、超臨界地熱水が魅力的な理由は明らかだ。
この珍しいエネルギー源が発見された2年後の2011年、IDDPコンソーシアムは掘削孔で試験を開始した。多くの新たな発見があったものの、貯留層がどのように形成されたのかは解明できなかった。これは自然の偶然なのか、それともこうした貯留層は人々が考えていたより広く存在するのだろうか。
不透水性のマグマ塊（灰色）を取り囲む岩石（白色）の透水性がわずかしかない場合、マグマ周辺の水（赤色）は非常に高温になることがある。
赤色の領域は、超臨界状態になる範囲を示す。（図：Scottほか、2015年、Nature Communications）
コンピューターモデルが地下の様子を明らかに
ETHの地球科学者3人は、新しいコンピューターモデルを使ってこの珍しい地熱システムをシミュレーションすることにした。その結果、どのように発生するのか、どのような条件で生じるのか、ほかの同様のシステムをどこで探せばよいのかが明らかになった。研究成果と関連するモデリングは、このほど Nature Communicationsに発表された。
「モデルをできるだけ単純にし、組み込むパラメーターを少数に絞ったにもかかわらず、シミュレーションはこの貯留層の挙動を現実的に再現しています」と、ETHチューリヒ地球化学・岩石学研究所の上級講師、トーマス・ドリースナーは話す。シミュレーションで最も満足できた点は、アイスランドのIDDP研究者たちが掘削孔で観察した現象を再現できたことだという。
岩石の透水性が決め手
1,000度では、マグマ貫入は水をまったく通さない。ドリースナーの博士課程の学生サミュエル・スコットは、シミュレーションを使い、周囲の岩石の透水性がこうした地熱貯留層の形成を左右する重要な要因であることを示した。透水性が高ければ、水は岩石中を容易に上昇し、貫入部から熱をより効果的に運び去るため、マグマはより速く冷える。一方、周囲の岩石の透水性がわずかしかなければ、水は貫入部の上に閉じ込められ、臨界点を超えるまで加熱される可能性がある。さらに、熱の伝わりが「悪い」ため、マグマ溜まりはより長く高温を保つ。
玄武岩は理想的な「保育器」
重要なのはマグマのすぐ近くにある岩石の透水性だ。温度と圧力が高いこの場所では、周囲の岩石の変形様式が脆性破壊から塑性流動へと変わり、水が流れる可能性のある亀裂や割れ目が閉じていく。こうした変化が起きる温度によって、水がどれほど高温になれるかが決まる。岩石の種類によって、塑性を示し始める温度は異なる。典型的な火山岩である玄武岩は約500～800度で塑性化して不透水性になるが、シリコンをより多く含む花崗岩では、わずか350度でこの変化が起きる。
つまり、マグマ貫入を取り囲む岩石が玄武岩質なら、こうした地熱貯留層が形成される可能性は高い。「そのため、アイスランド、ニュージーランド、日本のような火山地域では、この種の熱貯留層が従来考えられていたより多く存在すると予想しています」と、ETHの研究者たちはモデリングに基づいて結論づけている。
モデルが貯留層の発見に役立つ
このモデルは、貯留層の形成に理想的な条件が生じるために、地質学的要因どうしがどのように作用し合う必要があるかを示している。要因には、周囲の岩石の透水性と、その岩石が塑性化する温度、そして貫入部の深さが含まれる。この知見により、極めて高温の水をたたえる貯留層の探索範囲を絞り込める。
「このモデルから、こうしたゾーンが形成される基準や、それをどう見分けるかについて、ある程度の見通しが得られます」とドリースナーは説明する。自然界の状況は確かにもっと複雑だが、それでもこのモデルは有用なツールであり、この種のエネルギー源を見つけやすくすると付け加えた。
研究者たちは現在、この手法の拡張にも取り組んでいる。スイス国立科学財団（SNSF）の助成を受けたシネルジア・プロジェクトの一環として、地震探査技術でもこうした貯留層を検出できるかどうか、地球物理学者と緊密に協力して調べる予定だ。
さらなる掘削を計画
ETHの研究チームは、地熱技術の開発を進めるため、スイス、ニュージーランド、オーストラリア、米国、アイスランドの研究者や専門家を結ぶ国際協力に参加している。スイスでは、この協力で得られた知見が国内の取り組みにも生かされている。その一つが、ETH主導のスイス・エネルギー研究コンピテンスセンター「電力供給」（SCCER-SoE）だ。ここでは例えば、シミュレーション手法を、（火山性ではない）スイス地下の地熱プロジェクトの要件に合わせて調整している。
アイスランドは、ユーラシア大陸とアメリカ大陸が離れていく境界に沿って広がる大西洋中央海嶺上に位置する。アイスランド下のこの地帯の一部では、地殻の厚さがわずか6キロメートルしかなく、マグマが容易に地表まで達するため、火山活動が広く見られる。
ドリースナーは、海嶺のアイスランド部分には、超臨界水の貯留層に囲まれ、エネルギー産業にとって関心の対象となり得るマグマ貫入がほかにも存在すると考えている。アイスランドの研究者たちは、レイキャネス半島で2本目の試験掘削孔を掘ろうとしている。しかしドリースナーによると、この地点では海水が地下に浸透しており、超臨界水の性質が大きく変わるため、そこでの条件に対して彼らのモデルが当てはまるのは一部に限られる。そのため、博士論文の次章に向けて、サミュエル・スコットは塩水を考慮できるようモデルの改良に着手している。
本記事は、次との協力により掲載されています： ETH Zurich。掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味するものではありません。
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著者：ピーター・リュエッグは、ETH Zurichの寄稿ライターです。
画像：2015年3月23日、レイキャビク近郊のレイキャネス半島にあるスヴァルツェンギ地熱発電所。REUTERS/Sigtryggur Johannsson。
