The Effect of Gas Migration From Deep Geological Formations Into Mine Workings During the Evolution of Mining-Induced Seismicity

地表の深くでは、地面が静止していることはめったにありません。誰も掘削していない場所であっても、地球の地殻は、何百万年もの間蓄積されてきた構造的な力によって、凄まじい圧力の下で押しつぶされています。多くの地域では、この圧力があまりに大きいため、岩石はすでに破壊の寸前、すなわち科学者が「臨界応力状態」と呼ぶ状態にあります。それは、完璧にバランスが取れているものの、本が一冊加えられただけで崩れ落ちてしまう重い本棚のようなものです。人間が石炭採掘を開始すると、大量の岩石が取り除かれ、それが地中の力のバランスを変化させます。この攪乱は、岩石を移動させ、破砕させるきっかけとなる、新しい種類の圧力を生み出します。採掘によって石炭層からガスが放出されることは分かっていますが、新たな研究の問いは、驚くべき疑問を投げかけています。すなわち、採掘による揺れやひび割れが、いかに深くまで到達し、いかなるシャベルやドリルも届かない数マイル下の深部からガスを引き上げてしまう可能性があるのか、という問いです。

ロシアと中国の研究チームは、なぜ一部の鉱山で、採掘されている石炭からは説明がつかないような、突発的かつ大規模なメタンガスの急増が発生するのかを説明するためのメカニズムを提案しました。彼らの研究によれば、採掘作業が拡大するにつれて、応力と破砕の領域はピット（掘削坑）の底で止まることはありません。その代わりに、それは下方へと押し進み、以前は静かであった地球の深い層を活性化させるのです。このプロセスが、深部の地質学的形成の中に閉じ込められたメタンを上方へと移動させるための「高速道路」として機能する、亀裂のネットワークを作り出すと彼らは主張しています。研究者たちは、コンピュータ・シミュレーションを用い、さらにロシアのクズバス地域にある大規模な露天掘り鉱山の実世界のデータを分析することでこの仮説を検証し、深部から上昇してくるガスの量が、石炭層自体から放出されるガス量に匹敵する可能性があることを明らかにしました。

この現象がどのように起こるかを理解するためには、まず採掘に対して地面がどのように反応するかを見なければなりません。鉱山が掘られるとき、掘削箇所の上下および周囲の岩石は、その重さから解放されます。これは「除荷（unloading）」と呼ばれるプロセスです。この除荷は破砕された岩石の領域を生み出しますが、従来のモデルでは、この領域は数百メートル程度の深さまでしか広がらないとされています。しかし、研究者たちは、多くの採掘地域において、人間の活動によって引き起こされる小さな地震である「誘発地震」が、採掘が行われている場所よりもはるかに深い数キロメートルの深さで検出されていることを指摘しています。この深部地震活動は、地下深くの岩体もまた、破壊寸前の臨界状態へと押し込まれていることを示しています。鉱山がより大きく、より深くなるにつれて、応力の変化はさらに深くへと伝播し、深部の層を安定した状態から臨界応力状態へと、順次、次々と変えていくのです。

岩石がこの臨界応力状態に達すると、それは特定の種類の変形を起こします。単に一度ひび割れて終わるのではなく、地中の既存の弱点に沿って破砕し、移動し始めます。この破砕は、流体やガスがどれほど通りやすいかを示す指標である「浸透率」を劇的に増加させます。水を含んで固く圧縮されたスポンジを想像してください。もし、そのスポンジをひびが入るまで強く絞れば、中の水は突然流れ出します。同様に、深部の岩層が破砕されると、何世紀にもわたってその孔隙（あな）の中に閉じ込められてきたメタンガスが放出されます。研究者たちは、この深部の破砕が、数キロメートルの深さから地表や鉱山のトンネルに至るまで、ガスが移動するための連続的な経路を作り出すと提案しています。

チームは、地球の地殻をシミュレートしたコンピュータモデルを用いてこの概念をテストしました。彼らは地下領域を層に分け、採掘活動の段階的な増加を模倣するようにモデルをプログラムしました。シミュレーションが進むにつれて、深部のメタン貯留層の直上にある岩層が破砕され、浸透率が高まり始める様子を観察しました。初期段階では、ガスは閉じ込められたままでした。しかし、シミュレートされた採掘応力がより深い層に達すると、岩石の浸透率が著しく上昇し、メタンが脱出するためのチャネル（経路）が形成されました。シミュレーションの結果、ガスの供給源の上にある岩石が十分に破砕されると、大量のメタンが上昇し、新たに形成された亀裂を通って鉱山や地表へと移動し始めることが示されました。

この理論が現実世界でも通用するかを確認するため、研究者たちは、激しい採掘誘発地震で知られるクズバス地域のバチャト露天掘り鉱山に着目しました。彼らは、数十年にわたってその鉱山の下で記録された地震の履歴を調査しました。データは明確なパターンを示していました。すなわち、これらの地震イベントの発生する深さが、時間の経過とともに着実に深くなっているのです。2000年代初頭、地震は深さ1〜3キロメルの間で発生していました。2013年までには、深さ4キロメートルで重大な地震が記録されました。2020年には、地震活動が深さ6キロメートルまで検出されるようになりました。この進行は、採掘活動が継続するにつれて、臨界応力状態にある岩石の領域が、層を追うごとに、より深くへと移動していることを示唆しています。

これらの観察結果を用いて、研究者たちはこれらの深部ゾーンからどれほどのガスが移動し得るかを推定しました。彼らは深さ4キロメートルまでの岩層に含まれるメニタンの量を計算し、破砕によって放出される可能性のあるガスの割合を考慮するための係数を適用しました。彼らの計算によれば、これらの深部地平線から移動する可能性のあるメタンの量は、数億立方メートルに達する可能性があることが示されました。この数字は驚異的であり、バチャトの現場で現在採掘されている石炭層から放出されるガスの総量に匹らいます。これは、鉱山で見つかるガスのかなりの部分が、現在掘られている石炭から来ているのではなく、採掘による応力が解き放った深い大地から来ている可能性があることを意味しています。

この研究は、この現象のより広範な影響についても触れています。もし深部からのガス移動が起きているのであれば、なぜ一部の鉱山で、どこからともなく現れるような、突発的で危険なガスレベルの上昇が起こるのかという理由を説明できます。また、これは採掘に伴うリスクが、鉱山が閉鎖されたからといって消滅するわけではないことも示唆しています。数十年にわたる採掘とそれに伴う地震活動によって作られた亀裂は、長年にわたって開いたままの状態を維持し、最後のシャベルがピットから去った後も、深部からガスを送り込み続ける可能性があります。これは、メタンやラドンといったガスが継続的に大気中へと漏れ出し、環境や公衆衛生に対する継続的なリスクとなる可能性があります。

研究者たちは、自分たちの仕事は利用可能なデータに基づいたシミュレーションであり、理論的な枠組みであり、あらゆる詳細についての決定的な証明ではないことを認めています。しかし、コンピュータモデル、観測された地震活動の深化、そして鉱山における説明のつかないガスの異常値との間の整合性は、説得力のある新しい視点を提供しています。それは、鉱山のガスは掘削のすぐ近くからのみ来るという伝統的な見方に異を唱えるものです。代わりに、それは、人間の活動が地下深くで連鎖反応を引き起こし、惑星自身の深い貯蔵庫を、私たちが作った亀裂を通じて上昇してくるガスの供給源へと変えてしまう、ダイナミックな地球の姿を描き出しています。この理解は、世界で最も活発な採掘地域における、より優れた安全対策の開発や、ガスの挙動を予測するために極めて重要です。