奥山良俊 (昭和62年10月30日受理）

一

−91−

変質地域における試錐岩芯の粉末状試料による 浸出溶液の電気比抵抗とその温度変化

奥山良俊

(昭和62年10月30日受理）

VariationofElectricalResistivitieswithTemperatureforlmmersedSolutionof PowderedCoreSamplesfromtheAlteredDistrict

RyoshunOKuYAMA

It iswidelyassumedthattheionicandacidwaterintheporespacesofrocksunderthe groundisresponsibieforthelow‑resistivitystructureintheHachimantaigeothermaldistrict, AkitaPrefecture,Japan.

Inthisexperimenttheelectricalresistivitiesofpureandacidwaterinwhichpowderedcore samplesfr()mthealtereddidtrictwereimmersedweremeasuredtoclarifythereasonsforthe

low.resistivitystructure.

Theresultsofthismeasurementaresummarizedasfollows;

(1) Theresistivityvaluesofacidsolutionforpowderedcoresampleswerenearlycoincident withthevaluesatthelow‑resistivityzoneinthegeothermaldistrict.

(2) TheelectricalandionicpropertiesofimmersedsolutionwerefoundinrelationtotemPera‑

ture,porosityandothers.

(3) Theresistivitiesofrockssaturatedwithionicsolutionwerealmostdependentuponthe resistivityvaluesofsolutioncontainedintheporespacesofrocks.

｜

I

ｕ■■■■■■■■■■■二■■ｒｆ﹄■■二一■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ロ■■■■■ワーｌ■■■■■■■■■■■←▲■■一■■■■■■■■■■■■■■■ＰＩＩＩｌＩ一﹄一■■■■■■■■■二■一■一■■ｐｒ

おいて電解質イオンの比抵抗値に関与する機構につ いて新たな知見が得られたので次に報告する。

1 ． まえがき

1

秋田県北鹿地域は地熱変質地域として知られてお I) ,地質構造も隣接した八幡平地域に類似している ことが報告されている。八幡平地熱貯留層にみられ る低比抵抗層は例えばトロコー大沼地域中間層の深 度500mにおいて比抵抗値が3Q･m〜5Q･mとされ ておI) , また多量のイオンの溶けた酸性水によるも のとの推定がなされている1,3)。

そこで本実験においては北鹿地域における試錐岩 芯の粉末状試料による浸出溶液に酸性水を用いるこ ととし， その水素イオン濃度pHは八幡平焼山頂上 付近の温泉水にみられるように1.8〜2.0を参考とし て，低比抵抗層の比抵抗値に関与する溶出イオンの 影響についてみてみることとした。純水による浸出 溶液の溶出イオンに関しては前報6.7)において述べ ているが，今回の酸性水による溶出実験との比較に

１１

2． 測定試料及び測定方法

2． 1 測定試料

測定に用いた岩石試料は秋田県北鹿地域の孔井番 号HT‑15(古遠部地区）における粗粒玄武岩(Dol) 及び玄武岩貫入岩(B),HT‑18(古遠部地区）にお ける玄武岩(B,)並びにHT‑25(青様地区）におけ る石英安山岩(Do)であり，岩相区分，記号は全て

金属鉱業事業団精密調査報告書2)によっている。

2．2測定方法

試錐岩芯を微粉状態に砕き，その粉末状試料2.09 を100ccの蒸留水或いはpH=1.76の塩化水素水の 中で，時間強制攪排し， そ､の上澄み溶液の電気比抵 抗を25℃から80℃までの範囲で測定した｡測定に用

Ｉｌｌ

年2月 昭和63

ー

刃

−92−

奥山良俊

いた電気伝導度計及び水素イオン濃度計はともに市 販（東亜電波CM‑50AT及びHM‑20E)のものであ る。 また，比較のために用いた円柱状固体試料の比 抵抗測定は完全湿潤状態の下での直流四極法によっ ている。

ＴＴ／／６７

●●８−ｏｊ０ｊ０ｊ６５８５６的十的十朋礼川刈柵釧

●γハＵγハＵγＩこく一一ｉ

〃〃ｐｐｇｇｏＯＬＬ

BI(183) (10

B,(203) (11)

次に，比較のために蒸留水による浸出溶液の比抵 抗値と， その温度変化の関係では粗粒玄武岩(Dol) 及び石英安山岩(Do)について次の(12)〜(13)式が得ら れた。

3． 測定結果と考察

3．1 粗粒玄武岩(Dol)，石英安山岩(Do)及び 玄武岩(B,)における浸出溶液の比抵抗値

と， その温度変化

一一般に岩石の電気伝導の温度変化を考えるとき，

イオン伝導の性質を示し，電気伝導度をぴ,絶対温度 をTとしての次の(1)式に従うことは乗富4)によっ て報告されている。

LogC=A‑B/T (1) いま,A=ob,B=E/Kとおけぱ

o=obexp(‑E/("T)) (2) ここで,Eは活性化エネルギー， たはボノレ､ソマンの 定数である。

そこで，室温から80℃までの範囲の温度変化に対 する浸出溶液の比抵抗値を測定し， その温度特性に みられる挙動及び性質と固体試料における温度特性

との比較を試みることとした。

初めに，粉末状試料の酸性水による浸出溶液の比 抵抗値とその温度変化について述べる。比抵抗値を P' (O･cm)そして絶対温度をT(｡K) として最小 二乗法により次の(3)〜(ll)式の関係が得られた｡但し，

rは相関係数である。

Logp'=1.43+864.0/T

（γ＝0.999）

Logp'=1.30+945.7/T

（γ＝0.999）

Dol(260) (13

Do(143) (13

以上の関係式から粗粒玄武岩(Dol)及び石英安山 岩(Do)の蒸留水並びに酸性水による浸出溶液の比 抵抗値とその温度変化に関して図lが得られた。 ま た各々の試料による浸出溶液の活性化エネルギーを E(eV) として， その値は(2)式におけるボノレツマン の定数片を用い酸性水における表lのように求め られ，蒸留水によるとき表2が得られた。そして，

粗粒玄武岩(Dol)及び石英安山岩(Do)の孔隙率 と活性化エネルギーの関係において図2が得られ

た。

さて，前記(3)〜(13)式から知られるように浸出溶液 の比抵抗値と温度の間には相関係数がほぼ1に近い 極めて良好な相関関係があり， その直線性と，比抵 抗値と電気伝導度が逆数の関係にあることから(1)及 び(2)式で示す固体試料の関係と全く類似した形を示

している。

図1からは酸性水(HclSol.)によるとき，粗粒玄 武岩(Dol)でおおよそ1〜3Q・rn,蒸留水によると きおおよそ100〜300Q･mの比抵抗値を示すことが 知られる。これは低比抵抗層にみられる値と通常の 比抵抗値との類似性を示すものであり，特に酸性水 による浸出溶液では低比抵抗層を近似するモデルを 示唆しているものと考えられる。

次に，表1及び表2で示される浸出溶液の活性化 エネルギーは孔隙率と密接に関係し，孔隙率の小さ い粗粒玄武岩(Dol) と孔隙率の大きい石英安山岩

(Do)に関して図2が得られているが,孔隙率が小さ い程活性化エネルギーの大きいことが示されてい る。即ち変質の程度の小さい新鮮な岩石で活性化エ ネルギーの大きいことを意味している。また，酸性 粗粒玄武岩(Dol) ;

Dol(124) :Logp'=0.377+592.0/T ("=0.998)

Dol(260) :Logp'=0.230+636.5/T

（γ＝0.998）

Dol(395) :Logp'=0.294+620.1/T

（γ＝0.999）

石英安山岩(Do) ;

Do(143) :Logp'=0.398+406.8/T ("=0.997) Do(245) :Logp'=0.428+534.7/T

("=0.998) Do(319) :Logp'=0.441+506.4/T

（γ＝0.999）

玄武岩(B,) ;

B,(90) :Logp'=0.450+511.6/T

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

秋田高専研究紀要第23号

■

一二 ‑ ‑‑

−93−

変哲地域における試錐岩芯の粉末状試料による浸出溶液の電気比抵抗とその温度変化

５０５１１０００Ｑ

︵二の︶山二の匡四之山之○声く皇岸○可

HT-15Dol.HT-25Do

4.5 _Do(143)

DoI(260)

墓菱gg二

０５４２

舎上ＵＩ︵上二○︶・し︒○当

多

−

DoI(260)

藻

O‑O一，6

０２

ントーン一岸切一ぬ山匡 誠磯吠

0 0．5 1.0 1.5

POROSITYLogの(volumeO/｡)

粗粒玄武岩(DoI)及び石英安山岩(Do)に おける，酸性水による浸出溶液の活性化エネ ルギーと孔隙率の関係

図2 605040 30 20(t｡C)

80 70

1.5

2.8 2.93.0 3.1 3.2 3.3 3.43.5×10‑3

TEMPERATURE(1/T｡K)

粗粒玄武岩(DoI)及び石英安山岩(Do)にお ける粉末状試料の，蒸留水並びに酸性水によ る浸出溶液の比抵抗値と温度変化

数である。

図1

E=0.139‑0.030Logd (14)

（γ=‑0､86)

さて，固体試料の比抵抗値とその温度変化から活 性化エネルギーを求めた報告として，横山等5)が鬼 首地熱井からの試錐岩芯について測定した例があI) 主として変質した凝灰角礫岩，安山岩に関するもの で室温から200℃の範囲で2.5〜5kcal/molである とされ，換算すると0.11〜0.22eVとなる。但し, 55 O･rnの比抵抗値をもつ水道水で飽和された試料で ある。また，乗富等4)が和賀雄物地区における試錐岩 芯の蒸留水で飽和した玄武岩について測定した例で は100℃までは0.18eVであり, 100℃から200℃ま では0.13eVであるとの結果が得られている。表2 に示す蒸留水を用いた浸出溶液の粗粒玄武岩(Dol) 及び石英安山岩(Do)の値では80℃までの測定値か ら求めているが,0.172eV或いは0.188eVであり前

記乗富による0.18eVにほぼ一致している。

3．2粗粒玄武岩(Dol)及び石英安山岩(Do) における固体試料と，粉末状試料による浸 出溶液の比抵抗値並びに活性化エネルギー 前述のように酸性水及び蒸留水による粉末状試料 の比抵抗値と活性化エネルギーに関して乗冨，横山 等による測定結果との比較において有意性が得られ 変質した岩石の比抵抗値が，含まれている溶液に よって大きく支配され溶液の比抵抗値にみられる挙

動に極めて類似することが知られた。

そこで，更にそれらの関係を明確にするために蒸 留水を用い，粗粒玄武岩(Dol)並 に石英安山岩

水と蒸留水を用いた場合を比較してみるとDol (260）において，酸性水のとき0.127eVであるのに 対して蒸留水で0.172eVと大きく , Do (143)では 0.099eVに対して0.188eVと同様に大きいことが示 されている。そして，孔隙率が石英安山岩(Do)と ほぼ同程度の玄武岩(B,)においては活性化エネノレ ギーの値が(Do)の値にほぼ等しいことがわかる。

粗粒玄武岩(Dol) と石英安山岩(Do)を一括し て火山岩類と考えると図2の活性化エネルギーと孔 隙率の関係は次の(14)式で示される。但し9rは相関係

粗粒玄武岩(Dol),石英安山岩(Do)及び玄 武岩(B,)における，酸性水による浸出溶液 の活性化エネルギーと孔隙率の関係

表1

Samples Dol (124)

（260）

（395）

Do (143)

（245）

（319）

B[ ( 90)

（183）

（203）

E(eV) 0．118 0．127 0．123 0.099 0．106 0.100 0.102 0.101 0.101

Logj(Vol.%)

0.68 0.40 0．85 1．39 1．17 0.97 1．22 1．03 1．10 d(Vol・%)

4．84 2．49 7．03 24．3 14．8 9．25 16．5 10．6 12．7

L

1

−94−

奥山良俊

次に，表3は粗粒玄武岩(Dol),石英安山岩(Do) 及び玄武岩(B), (BI)についての活性化エネルギー に関し，前述の(13, (13式による溶液の値に(19〜(13式 による固体試料の値を対比させたものである。固体 試料では(Dol) と (Do)において共に0.162eVで あり前記乗富による0.18eVに類似している。

一方(B,), (B)においては0.143及び0.141eVと 小さい。この玄武岩類では表3に示すように, (Dol) の4.07%, (Do)の5.20%に比べて孔隙率が(BI)で 12.7%, (B)で6.90%s大きいこと， また活性化エネ ルギーがよI)小さい値を示すことは変質の程度のす すんでいることを意味するものと考えられるが，試 料数が少なく明確ではない。浸出溶液における0.17 0.19eVに比べて， 固体試料において0.14〜0.16 eVと活性化エネルギーの小さいことが知られる が，浸出溶液及び固体試料を一括してみてみても，

その値は0.14〜0.19eVの程度であることがわか

る。

以上のことから，現実に岩石からのイオンを含む 浸出溶液の比抵抗値と， その温度変化にみられる挙 動が固体試料にみられる挙動と極めて類似している ことが知られる。このことは，前報7)において述べた 塩化ナトリウム溶液と， それを含む岩石試料の比抵 抗値にみられる挙動の類似性と合わせて，念水岩石 の比抵抗測定は孔隙中に含まれる電解質溶液の比抵 抗測定に他ならないものと考えられる。

従って，図1に示される蒸留水による浸出溶液で おおよそ100〜300Q･mの値は通常にみられる地下 の比抵抗値であり，酸性水による(Dol)の浸出溶液 でのおおよそ1〜3Q･mの比抵抗値と (Do)のそれ 粗粒玄武岩(Dol)及び石英安山岩(Do)にお

ける，蒸留水による浸出溶液の活性化エネル ギーと孔隙率の関係

表2

j(Vol.%) Logj(Vol.%

2．49 0．40

ワ』Q 1 qq

薫羊鴬

(Do)による固体試料と，粉末状試料による浸出溶液 の比抵抗値とその温度変化について対比を行った。

Dol(113)及びDo(360)の固体試料について得ら れた比抵抗値とのその温度変化の関係を次の(13及び (16)式に示す。但し， γは相関係数である。

Dol(113) ９７ ｊｊ〃 ＴＴ

●●一︐︑４４１１−︽︵ひ︵ひ＋帥十釦３８８９２９３９●●●●１０２０一一一一一一一一ｐγｐ︐γくくｇｇｏＯＴＬＴ﹄

(13

Dol(360) (16)

因に玄武岩の例としてBi (203)及びB(280:貫入 岩）について次の(17)及び(13式が得られた。

B,(203) :Logノo=1.99+716.4/T (7=1.00)

B(280) :Logp=1.42+706.7/T

（γ＝0.999）

(11

(13

図3は前記(12)式で示された蒸留水による浸出溶液 と上記(13式で示される粗粒玄武岩(Dol)の固体試料 との対比であ')，良好な直線性と各々の直線の傾き の，おおよその類似性が認められる。尚，孔隙率は Dol(113)で4.07%, Dol(260)で2.49%と共に小さ

し、。

図4は同様に石英安山岩(Do)に関するもので前 記(13)式と上記(10式によるものである。粗粒玄武岩 (Dol)と同様に直線性と傾きのおおよその類似性が 認められる。孔隙率はDo(143)で24.3%と大きく ， Do(360)で5.20%と小きい。

図5は(15)式及び(10式により孔隙率が4.07%, 同じ く5.20％と類似した粗粒玄武岩(Dol)と石英安山岩 (Do)について比較したものである。比抵抗値のオー ダーは1桁異なるが直線性とその傾きのおおよその 類似性が認められる。ほぼ類似した孔隙率でありな がら， このように比抵抗値が異なるのは孔隙を結ぶ 流路(Currentpath) を含めて岩質の相異によるも のと考えられる。

HT‑15DoI(113,260)

５４

令匡Ｕ１戸仁二○︶

(2)

彗 ^1）

０４の︒○ヨ ５３

妾吟一二一岸の一の山匡

(t｡C) 807060 5040 30 20

2．8 2，93．03.1 3.2 3．3 3.4×10‑3

TEMPERATURE(1/T｡K)

粗粒玄武岩(Dol)における固体試料及び浸出 溶液の比抵抗値と温度変化の対比

図3

秋田高専研究紀要第23号

、』 I■■■一

−95−

変質地域における試錐岩芯の粉末状試料による浸出溶液の電気比抵抗とその温度変化

HT‑25Do(360)

０５０５４４

令仁Ｕ上上二○︶の︒○ヨントーンート⑩一の山匡

(1) H 1）

HT

蛍職二

5.0

｡＝〔ヅ

DC（36C

ｔ０Ｉ１ＩＩＦｌＩｌｌＩＩ０Ｉｌ■■■■■ｌ■■■Ｉ■７︲︲︒｜■■■■■■■■■■〃︒Ｌ■ｌ■且■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ｉ７Ｉｂｌ■ＦＩＥ■■■■■■ｌ■■■■■ＩＩＩＩｌｌｌ■■■■■■■■■伊ロ︲︲０

(2)

4.51

〆 〆

oopjo舗薑

⑨一百ケ･bc

(t｡C)

807060 5040 30 20 35 ）

807060 5040 30 20

2．8 2．93．03．1 3．2 3．3 3．4×10−3

TEMPERATURE(1/T｡K)

石英安山岩(Do)における固体試料及び浸出 溶液の比抵抗値と温度変化の対比

2．82．93．0 3.1 3.2 33 3．4×10‑3 TEMPERATuRE(1/T｡K)

粗粒玄武岩(DoI)及び石英安山岩(Do)に おける固体試料の比抵抗値と温度変化の対比

図4

図5

以下の比抵抗値は所謂地熱地域で指摘される低比抵 抗屑の比抵抗値に他ならないとの結論が得られた。

例えば熱水による変質が進んで溶脱し，孔隙を広 げてイオンの流路が形成されるとき，或いは巨大な クラックを唯じて熱水で満たされるとき，地熱貯留 層としての迩解質溶液の電気伝導度が低比抵抗層と

して反映し，地下の情報を伝える結果となり得るこ とが確認され，地熱探査に有効な手段として用いら れている比抵抗探査法の根拠を裏付けている。

比抵抗とその温度変化の測定から次の結果が得られ

た。

(1) 浸出溶液の比抵抗値とその温度変化から，含 水岩石の固体試料におけると同様に，浸出溶液の比 抵抗値が次式によることが知られた。

Logp'=A+B/T

ここでA,Bは岩体によって定まる定数で,Tは絶 対温度である。

（2） 浸出溶液の比抵抗値とその温度変化から求め た活性化エネルギーの値と， 固体試料の孔隙率の間 に良好な相関関係が認められ孔隙率が小さい程，即 ち岩石が新鮮であるとき浸出溶液の活性化エネル ギーの値が大きい。孔隙率が単に孔隙の空間の大小 を意味するだけてなく，変質の程度に関係する量で あることが， このことからも知られる。

（3）特に図1で示したように蒸留水による浸出溶 液の比抵抗値が，室温から80℃の範囲で100〜300 Q・mを，酸性水による浸出溶液で1〜3Q･mを示 しているが， これは通常の地下における比抵抗値と 地熱変質地域における低比抵抗層の比抵抗値と各々 類似している。また活性化エネルギーの値が固体試 料におけるときと類似していることを合わせ考える

と，本実験の結果は地下の比抵抗値を実験室内で再 現したものと考えられ，地下の比抵抗構造とその機

構を研究する上での意義が認められる。

（4）岩石が熱水変質して孔隙を増し，或はクラ､ソ クが熱水で満たされるなど溶出イオンの流路が形成

された地熱貯留層， また断層破砕蔵などで水が存在

4． ま とめ

I

︽Ｉ１１︲Ｉ

変質した岩石の粉末状試料による浸出溶液の電気

粗粒玄武岩(DoI),石英安山岩(D｡)及び玄 武岩(B,), (B)による固体試料並びに粉末状 試料による浸出溶液の活性化エネルギーと孔 隙率の関係

表3

(Solid) E(eV) 0．162

0.162

(Solution) E(eV) Samples

j(Vol.%)

4．07 2．49 5．20 24．3 12．7 6.90

IDgj(Vol.%)

0．61 0.40 0．72 1．39

1．10 0．84

I

(113）

(260）

(360) (143) (203) (280）

Dol ︾唖一一恥一一一 ｜

Do

ｌＢＢ

0．143 0．141

Ｐ■■■■■■■■■■■︐

和63年2月

1

−96−

奥山良俊

しイオンの流路が形成されるなど，かかる場合に代 表される含水岩石の比抵抗測定は含まれている溶液 の比抵抗測定そのものに他ならないとの知見を得 た。

以上報告するにあたり北九州職業訓練短期大学校 校長乗當一雄先生のご指導と本校一般化学軽部昭夫 教授のご教示に深く感謝の意を表するものである。

究成果報告書(1975〜1977) 乗富･雄・松岡満幸(1977)

含水岩石の温度に対する比抵抗変化 秋田大学鉱山学部地「資源研究施設報告 No．44, 17‑26, 1977

横山秀吉・中塚勝人・阿部司・渡部賢− (1983) 含水岩石の比抵抗の温度依存性とその地下温度 予測への応用

日本地熱学会誌Vol.5,No.2, 103‑120, 1983 奥山良俊（1986）

変質地域における試錐岩芯の粉末状試料による 浸出溶液の電気比抵抗について

秋田工業高等専門学校研究紀要 No．21,61‑66, 1986

奥山良俊（1987）

電解質溶液を含む岩石の電気比抵抗について 4） j'

40

5）

■

参考文献

6）

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秋田大学鉱山学部サンシャイン計画委託調査研

日

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7）

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秋田工業高等専門学校研究紀要 No．22,88‑92, 1987

I

l

秋田高専研究紀要第23号