非揚水型多項目地球化学観測システムの高度化

平成20年度年次報告

課題番号：1503

（1）実施機関名：

　東京大学大学院理学系研究科（地殻化学実験施設）

（2）研究課題（または観測項目）名：

　非揚水型多項目地球化学観測システムの高度化

（3）最も関連の深い建議の項目：

　2．（2）イ．東海地域

（4）その他関連する建議の項目：

　3．（3）地下構造と状態変化をモニターするための技術の開発と高度化

（5）本課題の平成16年度からの5ヵ年の到達目標と、それに対する平成20年度実施計画の位置付け：

　地殻化学実験施設では、地下水溶存ガスの観測に基づいて地殻の状態を化学的にモニタリングする方法の開発を行っている。16年からの5カ年計画では、前5カ年計画中に導入された、非揚水型多項目地球化学観測システムをさらに高度化し、地殻変動と地下水溶存ガス濃度の関係を見出すべく研究を推進している。今5カ年計画では、どのような地球化学観測を行えば、地殻の状態をモニタリングできるのかについて、明確な回答を与えたいと考えている。これまでに、地殻の状態をモニタリングするために必要な観測条件、モニタリングするべき化学種、について検討を行った。20年度では、データを絶対濃度の時間変化として記録するように変更するだけでなく、3He、4He、20Neのモニタリングができるような高分解能四重極質量分析計（HRQMS）を新規に製作し、観測点に設置する。そして、これまでは地球化学観測用に掘削された観測井での地下水溶存ガス濃度を測定対象としてきたが、跡津川断層や縦谷断層（台湾）などの活断層の破砕帯に沿って上昇する地殻起源ガスを測定対象に含める。

（6）平成20年度実施計画の概要：

　20年度では、地殻起源放出ガス濃度のデータ記録を絶対濃度で行い、また高分解能四重極質量分析計（HRQMS）による観測を実現する。また、跡津川断層や縦谷断層（台湾）などの活断層の破砕帯に沿って上昇する地殻起源ガスのモニタリングを開始する。
　これまでに個別に準備した、自動校正システム、試料ガス乾燥システムを組み合わせることで、ガスの組成だけでなく絶対濃度を記録できるようになる。これにより、地殻起源ガスの放出速度（フラックス）の準実時間測定が実現できる。
　新規に設計したHRQMSは、現在イオン光学系の設計が完了し、四重極電圧制御回路の製作を行っている。HRQMSによって、3He、4He、20Neの絶対濃度を測定することにより、測定ガスの起源、大気の混入量などを評価できるようにする。そして、3He のフラックスと3He/4He比とによって、活断層の深部延長に存在する地震波低速度層の流体の存在に関して化学的な知見を得たい。

（7）平成20年度成果の概要：

　平成20年度は、地下水溶存ガス連続観測システムによって得られた結果を説明する試みだけでなく、過去に観測されたデータの見直しと前駆現象の発生メカニズムの考察にも取り組んだ。
　地震活動が低調の時の帯水層内の溶存ガス濃度の変化は、地下水の流動の影響を受ける場合があり、その影響を簡単な物理モデルによって説明予測することに成功した（Tsunomori and Notsu（2008））。仮に、地下水溶存ガス濃度の大きな変化が見つかった場合、この物理モデルで説明できるかどうかによって、この変化が異常シグナルかそうでないかを判定することが可能であると考えられる。
　1978年の伊豆大島近海地震の時に、中伊豆観測点で記録された地下水溶存ラドン濃度の異常減少を、簡単な物理モデルによって説明することに成功した（Tsunomori and Notsu（審査中））。ヘンリーの法則を考慮した亀裂拡張モデルを適用すると、ラドン濃度の増加だけでなく減少も説明できることを示した。実際に、1978年のデータに適用すると、地震発生前に起きた帯水層内の空隙率の変化は2.3％であったと解釈できた。地下水や土壌のラドン測定は、地殻内の亀裂の状態をモニターするよい方法であると再認識できた。

（8）平成20年度の成果に関連の深いもので、平成20年度に公表された主な成果物（論文・報告書等）：

　Tsunomori F. and Notsu K. （2008） Simultaneous monitoring of gas concentration and groundwater level at the Omaezaki 500‐m well, central Japan: Spike‐like concentration change of methane level change. Geochemical Journal, 42（1）, 85‐91.
　角森史昭、郭明錦 （2008） 地震化学観測のためのガス抽出法の検討、日本地球惑星科学連合2008年大会C204‐004.
　角森史昭、郭明錦 （2008） 1978 年伊豆大島近海地震での地下水ラドン濃度の減少、2008年度日本地球化学会第55回年会、1B14.

（9）本課題の5ヵ年の成果の概要：

　本課題の目標は、どのような地球化学観測を行えば地殻の状態をモニタリングできるのかについて、明確な回答を与えることであった。
　帯水層中のラドン濃度の生成は、基本的に帯水層中の亀裂表面からのみである。だから、新たな亀裂表面が生成する、ないしは既にあって閉じていた表面が開く、などの事象が起きない限り地下水中のラドン濃度は変化し得ない。震源から遠く離れた帯水層内でのラドンの変化のほとんどは、既にあって閉じていた表面が開くことによって起こされ、地下水の透水率との兼ね合いでその濃度が増加したり減少したりすると考えることが自然であると思われる（Tsunomori and Notsu（審査中））。したがって、ラドンの濃度変化に加え、透水率を与える地下水位の変化率、および新たな表面生成に関連する電気伝導度、この3つが重要なパラメータであると考えられる。
　ラドンがラジウムから生成し、続いてポロニウムに壊変する過程では、4‐ヘリウムが生成する。このことは、半減期が3.8日であるラドンの弱点を、ヘリウム濃度によって補うことができることを意味する。この5ヵ年で高度化した四重極質量分析システムは全てのガス種を対象に調整したが、今後はヘリウム濃度の変動を詳細に記録できるようにすることが重要であると考えられる。
　上記に加え、炭素同位体比やヘリウム同位体比の援用があれば、測定ガスの震度情報に関する詳細な検討が可能になると期待される。
　以上のことから、帯水層内の亀裂の状態変化によって地殻の状態を評価する方法として、ラドン濃度・ヘリウム濃度・透水係数・電気伝導度を連続観測すればよい、と考えられる。これらに加え、技術的な問題を解決できれば、炭素同位体比やヘリウム同位体比の連続観測を行うことによって、さらに詳細な情報を得ることが可能になると期待される。

（10）実施機関の参加者氏名または部署等名：

　角森史昭、野津憲治
　他機関との共同研究の有無：東京大学大学院理学系研究科地球惑星科学専攻　田中秀実
　産業総合技術研究所　小泉尚嗣
　国立成功大学（台湾）　郭明錦

（11）公開時にホームページに掲載する問い合わせ先：

　部署等名：東京大学大学院理学系研究科地殻化学実験施
　電話：03‐5841‐4624
　e‐mail：notsu@eqchem.s.u‐tokyo.ac.jp
　URL：http://www.eqchem.s.u‐tokyo.ac.jp/