国立先进产业科学技术研究所 [主席：石村和彦]（以下简称“AIST”）可再生能源研究中心 [研究中心主任：古谷博秀] 地热小组冈本圭介，研究员，浅沼博，活动断层和火山研究部研究组组长（研究中心主任）[研究主任：伊藤润一] 地震灾害预测研究小组研究员 Kei Ninomiya 发现，地面震动方式的微小变化，地热区在热流
AIST 自 2015 年以来一直在奥会津地热区（福岛县柳津町）进行研究，作为监测利用地热能发电期间的地下环境的一部分。高灵敏度地震观测网进行微地震的连续观测。在这项研究中，使用安装在约 400 m 深度的高灵敏度振动传感器观测到的振动持续震颤变化取决于地下热液流。通过实时检测这些变化，可以轻松估计热水流量，这有望有助于更有效地开发地热资源。此外，油田开发CO2地质储藏，有潜力应用于地震和火山活动活跃地区的深部流体活动监测，有望发展成为地下深处的新型监测技术。
这项研究成果发表在英国开放获取电子学术期刊《科学报告”2021 年 4 月 16 日（英国夏令时间）。
地热储层周围热液流概念图
我们在世界上首次通过深井观测的高灵敏度振动观测发现，热液流的存在会导致地下微小震动（连续震动）的水平和垂直振动比例发生变化。
可再生能源是日本国内宝贵的能源，对于防止全球变暖和实现可持续发展也至关重要，因此希望早日大量引进。地热发电是一种可再生能源，具有不受天气或时间影响能够稳定发电的优点。然而，在运行多年的日本国内外的地热发电站中，存在着随着雨水渗透到地下深处而形成的热水量逐渐减少，导致热水量低于发电所需量的情况。
一种解决方案是通过向目标区域人工注水来恢复热水量，但必须注意避免引发地震的可能性。肉眼无法直接看到的热水（热液流）的地下流动情况很难了解，但对于可持续地热发电来说，实时了解地下热水的流动情况并合理利用地热资源非常重要。
AIST 自 2015 年以来一直在奥会津地热区（福岛县柳津町）运营具有世界一流精度的高灵敏度地震观测网络，目的是实时了解用于地热发电的地下热水的流量。该观测网络由配备了高灵敏度振动传感器的9个观测点组成，通过捕捉热水液在地下流动并对其造成轻微破坏的现象（微地震），揭示了地下热液的流动情况。
这种从微地震中捕获热液流的方法的优点是能够以数十米的分辨率可视化热液流的路径，甚至在地下几公里的深度也是如此。但在热水容易流动的地方（例如断层、裂缝发育的地区），即使有热水流动也可能不会发生微地震。目前，还没有方法可以实时检测这些位置的热液流（图1a）。
这一次，我们关注的不是热液本身产生的振动（例如微地震），而是由于海浪和风等自然现象以及人类日常活动而不断发生的非常微小的振动。这些非常小的震动叠加在一起，根据地下结构（地下硬度的分布）产生独特的震动（持续震动）。这次我们进行观测，希望地下热水的流动能够暂时改变地下结构，改变微震的震动方式（图1b）。
如果能够根据微震的这种不断变化来实时检测热液流，而不依赖于微地震的发生，这将是世界首创。
这项研究和开发得到了“地热储层评估和管理技术”委托日本石油、天然气和金属国家公司对地热发电技术的研究的部分支持。
图1（a）地下热液流图像（b）热液流检测方法图像
(a) 随着热水流动而产生的小裂缝（微地震）对应于流路。然而，由于热液本质上具有高度流动性，因此在热水可以流动而不引起裂缝的地区不会发生微地震，因此无法完全了解其流动情况。
(b) 使用高灵敏度振动传感器，我们观察到存在和不存在热液流时微动的不同振动模式。
这次，在安装的多个观测点中，我们使用了一个用于持续微震监测的观测点，该观测点位于地下400 m处，位于储存热水且微震活动活跃的地热库区之外（图2）。该目标观测点附近发生微地震的频率较低，传统的微地震跟踪方法无法充分掌握热水的流动情况。
另一方面，当我们关注目标观测点的持续微震时，我们发现滚动和俯仰之间的震级比通常大于1，因为滚动较大，但有时俯仰变大，震级比明显低于1（图3a）。此外，使用基于计算机的微震模拟来检查导致水平和垂直振动的幅度比减小（以下称为“振动方式的变化”）的因素。结果发现，如果热液流直接发生在观测点下方，则观测到的震动模式可能会发生变化（图 3b）。
图2 奥会津地热区高灵敏度地震观测网概况
(a) 通常，精确估算地下微地震的震中位置并检测热液流，总共需要使用九个观测点。这次，我们试图通过在井内安装的单个观测点不断观测微震来检测热水流。 (b) 安装在井内的高灵敏度振动传感器（总长约15 m，直径约9 cm）的示意图和照片。将手臂压在井壁上以固定手臂。
图3 (a) 两个周期（滚动/俯仰）目标观测点观测到的微震滚动和俯仰幅度比 (b) 计算机模拟中使用的地下结构模型（地下硬度分布） (c) 计算机模拟计算出的微震滚动和俯仰比
(a) 根据日期的不同，由于俯仰放大，震级比可能会明显小于 1，这表明地下可能正在发生某种变化。
(b) 再现了该模型内的连续微震。除了现有研究中提出的地下结构外，还考虑在观测点正下方建立一个模拟热液流的新层。
(c) 结果表明，当观测点正下方存在热液流时，观测到的震动模式实际上会发生变化。
2016年4月至2020年10月期间，目标观测点附近发生的微震次数增多，即采用常规方法检测到热液流发生的天数为184天。在这些天的大约 40%（即 72 天）中，观察到震颤的观测方式发生了变化，这表明目标观测点正下方存在热液流。另一方面，在没有观察到微地震数量增加且使用常规方法没有检测到热液流的剩余时间内，只有不到20%的天数经历了微震颤动方式的变化。换句话说，从使用传统方法检测到热液流的时期来看，使用该方法检测到热液流的发生概率是其两倍以上。对此，通过统计检验两组数据差异的Fisher精确检验（双尾检验）证实了该方法检测到的热液流与常规方法检测到的热液流之间存在相关性。
图4显示了目标观测点的永久震颤水平和垂直震颤的比率的幅度（显示了2018年10月至2019年1月期间）。为了进行比较，我们将其与远离地热库的未发生微地震的地点（即用常规方法检测不到热液流的地点）的记录（图2a中最南端的观测点）进行了比较。在目标观测点，微震的水平和垂直震颤比值较大（图4左）。另一方面，在远离地热储层的地点，水平和垂直震动的比例几乎没有变化（图4右），并且确认了在用常规方法没有检测到热液流的地点，微震的震动方式没有变化。
这些结果表明，震动方式的变化与微地震之间存在显着的关系，并且除了计算机模拟之外，实际观测数据也证实了震动方式的变化与热液流发生之间存在相关性。
图4：目标观测点（左）和远离地热储层观测点（右）的微震水平和垂直震级大小比
2018年10月至2019年1月的记录。从11月到12月，我们观察到震颤方式的变化。在目标观测点（左），震动发生方式发生变化，被认为是由热液流引起的，并且波动幅度很大。另一方面，远离地热储层的观测点的波动较小（右）。
图5 使用传统方法比较微震震动方式（水平震动和垂直震动的大小比例，用颜色表示）和微震次数（用折线图表示）的变化
前者中，黑色虚线包围的区域（垂直震动较大）表示热液流，后者中，微地震频繁发生的红线所指示的时段表示热液流。
图5以2018年10月至2019年1月（图4）为例，用传统方法比较了永久震颤的震动模式变化和微地震次数的变化。微震振荡方式的变化可以通过与由于微地震次数增加（图5中的黑色虚线）而检测到的热液流周期（图5中的红线）相同的方式来检测。另一方面，在微震增加期的前后，微震的震动方式也在持续变化，并且还检测到了不会引起微震的热水流。
通过这种方式，我们在世界上首次证明了基于微震震动方式变化的新监测方法的可能性，该方法超越了依赖于微地震发生的传统地下热液流监测方法的框架。
我们将继续在奥会津地热区进行观测，目标是利用更长时间的数据，建立一种以震动变化为指标的热液流监测方法。此外，其他地热区和CO2我们将在地下储存场所等处进行监测方法的应用实验，并旨在推广该方法。未来我们还将考虑如何将这种方法应用于地震和火山活动地区的地下水流量监测。