海底熱水鉱床の成因解明のための熱水流動シミュレーション法の開発と応用

阐明海底热液矿床成因的热液流模拟方法的开发与应用

• 批准号: 21J14739
• 负责人: 冨田 昇平
• 金额: $ 0.96万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-28 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21J14739/
• 关键词: 熱水流動シミュレーション; 反応輸送シミュレーション; 海底熱水鉱床; 化学反応; 鉱物沈殿; 反応輸送解析; 数値シミュレーション

熱水鉱床の形成プロセスおよび形成条件を明らかにするのを目的として、温度検層・熱流束データ・掘削データ・噴出熱水および海水の化学組成などの調査データが豊富な沖縄トラフ伊是名海穴を対象に、反応輸送シミュレーションを適用した。反応輸送シミュレーションでは、熱と流体の流れ・溶質輸送・化学反応が考慮でき、鉱物の沈殿・溶解を定量的に評価することができる。反応輸送シミュレーションによって海底熱水鉱床の形成プロセスを明らかにするためには、鉱床形成を引き起こす深部熱水の化学組成を明らかにする必要がある。しかしながら、海底下数kmの深部熱水を採取し化学組成を測定することは不可能であるため、地球化学計算による推定が必要である。そこで本研究では、深部熱水の化学組成を推定することを目的に、海水が海底下を流下して高温熱水となる過程を模した一次元反応・輸送シミュレーションを実施した。シミュレーションでは、対象領域内の非熱水地域で得られたボーリングデータに基づいて母岩の化学組成を与え、水・岩石反応を考慮することにより熱水の化学組成変化を再現した。シミュレーションの結果、水・岩石反応に伴う流体の化学組成変化が明らかとなり、海底下の深部熱水の化学組成を推定することができた。次に、上記のシミュレーションで得られた深部熱水を境界条件として与え、熱水が深部から海底面に向かって上昇し、噴出する過程を模した一次元数値モデルを構築し、反応輸送シミュレーションを実施した。シミュレーションの結果、熱水の上昇に伴って圧力が低下し、海底面付近で沸騰が生じること、および沸騰に伴って二酸化炭素の脱ガスが生じ、それに付随してpHが上昇することが示された。また、pHの上昇に起因して、沸騰領域で金属成分を多量に含む硫化鉱物が急激に沈殿することが明らかとなり、沸騰が鉱床形成に重要な役割を果たしていることが分かった。

为了阐明水热沉积物的形成过程和形成条件，将反应传输模拟应用于冲绳槽伊泽纳海孔，该海尔孔富含调查数据，例如温度记录，热通量数据，开挖数据以及爆发的热水和海水的化学组成。在反应转运模拟，热量和流体流动，溶质转运和化学反应可以考虑，可以定量评估矿物沉淀和溶解。为了通过反应传输模拟阐明海底热液沉积物的形成过程，有必要阐明导致沉积物形成的深水热热液的化学组成。但是，不可能收集在海床下几公里以测量化学成分的深水水，因此必须使用地球化学计算进行估计。因此，在这项研究中，我们进行了一维反应和转运模拟，模仿了海水从海底流动并变成高温水热的过程，目的是估计深热水的化学成分。这些模拟根据目标区域内的非热热区域获得的无聊数据提供了宿主岩石的化学成分，并通过考虑水岩反应来重现水热的化学成分变化。该模拟揭示了由于水岩反应引起的流体的化学成分变化，并且可以估计海床下深热水的化学成分。接下来，给出上述模拟中获得的深热水作为边界条件，并构建了一维数值模型，以模拟从深部向海床表面上升并爆发的热水过程，并进行了反应传输模拟。模拟表明，随着热水的增加，沸腾发生在海床附近，二氧化碳脱气随着沸腾而发生，并且相关的pH值增加。此外，由于pH值的增加，据显示，含有大量金属成分的硫化物矿物突然在沸腾区域沉淀，并且沸腾在矿物沉积物的形成中起着重要作用。

项目成果

Clarification of Regional Seafloor Hydrothermal System in a Japan Back-Arc Basin by Numerical Simulation with TOUGH2

通过 TOUGH2 数值模拟阐明日本弧后盆地区域海底热液系统

• 发表时间: 2021
• 期刊: Proceedings World Geothermal Congress 2020+1
• 作者: Tomita;S. A.;Koike;K.;Goto;T. N.;& Suzuki;K.
• 通讯作者: K.

Geothermal energy

• DOI: 10.1016/b978-0-12-823538-6.00006-3
• 发表时间: 2021
• 期刊: Renewable Energy Conversion Systems
• 作者: Muhammad Rayyan Fazal;Muhammad Kamran

鉱石生成プロセスの解明に向けた沖縄トラフ伊是名海穴熱水域での流体流動シミュレーション

冲绳海槽 Izena Hole 热液区的流体流动模拟以阐明矿石形成过程

• 发表时间: 2021
• 作者: 冨田昇平;小池克明;後藤忠徳;鈴木勝彦;笠谷貴史
• 通讯作者: 笠谷貴史

Geological Modeling and Numerical Simulation of Cold-Water Trap in the Low-Sulfidation Epithermal Sirawai Au-Ag Deposit, Mindanao, Philippines

菲律宾棉兰老岛低硫化物浅成热液 Sirawai 金银矿床冷水圈地质模型和数值模拟

• DOI: 10.1007/s11053-021-09978-3
• 发表时间: 2022
• 期刊: Natural Resources Research
• 影响因子: 5.4
• 作者: Takahashi;H.;Tomita;S. A.;Koike;K.;& Yoshiyama;H.
• 通讯作者: H.

Effectiveness of Neural Kriging for Three-Dimensional Modeling of Sparse and Strongly Biased Distribution of Geological Data with Application to Seafloor Hydrothermal Mineralization

神经克里金法对地质数据稀疏和强偏差分布三维建模的有效性及其在海底热液矿化中的应用

• DOI: 10.1007/s11004-022-10011-3
• 发表时间: 2022
• 期刊: Mathematical Geosciences
• 影响因子: 2.6
• 作者: Koike Katsuaki;Yono Oak;de S? Vitor Ribeiro;Tomita Shohei Albert;Nozaki Tatsuo;Takaya Yutaro;Komori Shogo
• 通讯作者: Komori Shogo