高レベル放射性廃棄物の地層処分研究開発

リスク学用語小辞典

平成19年10月刊行予定の「リスク学用語小辞典」の解説文を作成した。上記作業は、平成18年度外部兼職「日本リスク研究学会「リスク学用語小辞典」への協力」において依頼され、執筆者が担当したのは、(1)「高レベル放射性廃棄物の地層処分」に関する用語項目の選定、 (2)選定された用語項目についての解説文の執筆である。刊行に際しての最終的な校正及び確認作業は筆者及び編集責任者、丸善株式会社編集部が行う。

軽水炉から高速炉への移行期にそなえて

昨今の化石燃料調達に関する国際競争の激化で原子力への期待が高まる中、主要国では高速炉開発も再活性化の兆しを見せている。そうした中我が国では官民の関係機関からなる「五者協議会」が設けられ、高速炉への移行シナリオを含む開発戦略に関する議論が開始されつつある。高速炉への移行期には、プルサーマル燃料を含む中間貯蔵軽水炉燃料の再処理と高速炉燃料再処理が並行的に行われることになる。本報では、このような移行期の問題を、高レベル廃棄物処分とプルトニウムバランスの観点から検討を行い、主要課題を明らかにする。

21世紀の地層処分研究開発：技術的知識基盤の構築

事業の長期性と安全確保の長期性から、地層処分技術に関しては実施主体や規制機関の活動を支えるための技術基盤として体系化し、継続的な研究開発によってその信頼性の向上を図っていくことが不可欠である。核燃料サイクル開発機構は、2005年9月に公表したH17取りまとめにおいて、このような体系化にあたっての新たな視点として知識管理に基づくアプローチを提案している。本稿では、このアプローチの意義、地層処分技術に関する知識のセーフティケース概念に基づく構造化や知識ベースの開発について解説し、日本原子力研究開発機構の今後の研究開発の方向性を与えるものであることを紹介している。

The impact of fuel cycle options on the space requirements of a HLW repository

原子力を真に持続的なエネルギー源とするためには、燃料供給の持続性を保証することに加え、廃棄物の処分が永続的に行える道を確保する必要がある。後者を達成するためには、特に広大な面積を必要とする高レベル廃棄物の処分場については、単位面積あたりの廃棄物充填密度をできるだけ高めることにより、与えられた処分場の利用可能期間を極力長くする必要がある。高レベル廃棄物の場合、処分場への廃棄物充填密度の主要決定因子は発熱であり、特に半減期の長いTRU元素の発熱の影響は大きい。本報告では、代表的な核燃料サイクルオプションで生ずる高レベル廃棄物の発熱を、TRUに着目して比較し、それを除去することによる処分場所要面積低減の可能性を検討した。とくに将来のFBRサイクルでは、TRUの回収・燃焼を行うことで、単位発電量あたりに必要とする処分場面積を半分程度に低減できる可能性を示した。

Key R&D Activities Supporting Disposal of Radioactive Waste: Responding to the Challenges of the 21st Century

クリーンで経済的で社会が受容できるエネルギーの十分な供給を確立することは、21世紀において重要で世界的なチャレンジである。原子力の役割をさらに拡大することが選択の一つと思われるが、このオプションの実施は、すべての放射性廃棄物を安全に処分することにかかっている。安全な処分は専門家の間ではその基本的な実現可能性についてコンセンサスは得られているが、特に主要なステークホルダーにより受け入れられるよう、その概念をもっと実際的なものとしなければならない。ここでは、世界的なトレンドを考慮し、また日本の例を引き合いにして、将来の研究開発の鍵となる分野を明らかにし、有益と思われる国際協力のシナジー効果が生まれる可能性のある分野に焦点を当てていくこととする。

結晶質岩における粘土プラグの閉鎖性能に関わる原位置試験および解析評価

本報告では、高レベル放射性廃棄物の地層処分場における閉鎖技術に関して、国内外における閉鎖概念の考え方を整理したうえで、その考え方に基づいた閉鎖性能の発揮において確認しなければならない課題を閉鎖要素自身の施工が可能であることと、期待される性能が発揮できることとした。この課題を解決すべくAECLとの共同研究としてカナダの地下研究施設において実施したTSXの施工概要及び連続計測で取得されたデータを示すとともに、施工した粘土プラグの止水性能を確認するために実施した加圧注水試験結果とトレーサー試験及びその試験結果に基づく解析結果を示した。今回の試験により、現状技術を組合せることによって施工した粘土プラグは、周辺部を含めて低透水性能を発揮できることを確認した。また、トレーサー試験の解析評価を行うことにより、粘土プラグ周辺の物質移行特性を把握することができた。

低酸素濃度下におけるチタンの腐食速度と水素吸収挙動

高レベル放射性廃棄物の地層処分におけるオーバーパックには1000年間以上の寿命が要求されており、その候補材料の一つとしてチタンが挙げられている。チタンをオーバーパック材料として用いる場合に評価すべき項目の一つとして水素脆化が挙げられるが、地層処分で想定される中性から弱アルカリ性の低酸素濃度環境におけるチタンの耐食性や水素吸収挙動について十分な知見が得られていない。よってチタンの腐食速度及び水素吸収挙動について信頼性の高いデータを取得するために、長期浸漬試験及び完全密封容器試験を実施した。環境因子をパラメーターとした試験の結果、高炭酸塩(1M)条件と高pH環境(pH13)でおもにアノード反応の促進によると思われる腐食速度の顕著な増加が認められた。それ以外の条件では、腐食速度は10^-3〜10^-2μm⁄yオーダーの値となった。また腐食により発生した水素のほとんど(98%以上)がチタン中に吸収されていたことがわかった。チタンの長期吸収について安全側の評価として水素吸収量の経時変化を直線則で近似すると1000年間で400〜500ppmの水素を吸収することが示唆された。

Susceptibility to stress corrosion cracking for low-carbon steel welds in carbonate-bicarbonate solution

低歪速度法により高レベル放射性廃棄物地層処分容器の候補材料である炭素鋼の溶接部の応力腐食割れ(SCC)感受性を検討した。幾つかの溶接法を低炭素鋼に適用し、溶接金属部、溶接境界、熱影響部を含む溶接部のSCC感受性を母材と比較した。試験の結果、低炭素鋼溶接部の応力腐食割れ挙動は金属組織に大きく依存し、フェライト⁄パーライトからなる母材の応力腐食割れはおもにフェライト–フェライト又はフェライト–パーライトの粒界に沿って進展した。しかし、微細なフェライト組織からなる溶接部の割れ形態は複雑であり、割れ進展速度は母材よりも小さくなった。SCC進展は割れの経路に沿った微細な結晶あるいはセメンタイト(鉄炭化物Fe₃C)により抑制された。また、溶接方法は低炭素鋼のSCC感受性に有意な影響を及ぼさないことが確認された。

An approach of NMR relaxometry for understanding water in saturated compacted bentonite

地層処分研究開発において、人工バリアの設計及び安全性評価のために、圧密ベントナイトの透水係数及び水の拡散係数のデータが、取得されている。しかしながら、圧密ベントナイト中の水路に寄与するポア構造(粘土層間及び外部間隙)は、必ずしも明らかになっていない。本研究では、¹H NMR緩和分布解析を飽和圧密ベントナイトに適用することにより、圧密ベントナイト中のポア構造とそれに影響する因子を明らかにすることを目的とする。

The Japanese approach to developing clay–based repository concepts -An example of design studies for the assessment of sealing strategies

本論文はPhysics and Chemistry of the Earth Tours 2005 Meeting特集号に投稿する論文である。日本の処分事業を進めるうえでのアプローチについて紹介するとともに、処分場概念の設計へ反映する材料の要件の検討の一例として、処分場の閉鎖にかかわる材料と人工バリア材料との関連について水理解析の結果を示している。処分事業を進めるうえでのアプローチとしては、公募方式の採用に基づき、処分場が決まっていない前提条件でどのように処分場の性能を確保するか、その確からしさが段階を追って精度を増すという考え方を示したものである。

A Full–Scale Tunnel Sealing Demonstration using Concrete and Clay Bulkheads Exposed to Elevated Temperatures and Pressures

カナダAECLの地下研究施設において、国際共同研究として「トンネルシーリング性能試験」を実施している。本共同研究は、実規模プラグの施工性の確認、シーリング性能の把握及び性能に影響与える要因の評価を行うことを目的としている。試験は、AECLのURLの深度420mの試験坑道で実施しており、コンクリートプラグは低発熱高流動コンクリートを、また、粘土プラグはケイ砂とベントナイトの割合で混合したものを材料としている。両プラグ設置後、段階的に圧力を4MPaまで上昇させる注水試験、温度を15℃から65℃まで上昇させる加熱試験を実施し、両プラグ及びその周辺岩盤の力学、水理、熱的挙動を連続計測した。本報告では、トンネルシーリング性能試験の全体概要を報告するものである。

遺跡が語る地下の世界

雑誌「原子力eye」のコラムとして、考古学試料のデータが高レベル放射性廃棄物地層処分の研究開発分野、特に炭素鋼の腐食研究に役立っていることを紹介した。古墳から出土した鉄片や粘土で覆われて出土した鉄斧が、炭素鋼の長期安定性の予測の傍証となることを示した。

Corrosion Products from Carbon Steel Formed in Compacted Bentonite under Reducing Conditions

オーバーパック腐食生成物が圧縮ベントナイト中の放射性核種の収着挙動、拡散挙動へ及ぼす影響を調べるため、あらかじめ電解腐食させた炭素鋼を圧縮ベントナイトに接触させて鉄腐食生成物をベントナイト中へ移行させ、圧縮ベントナイト間隙中の鉄腐食生成物の存在形態を調べた。圧縮ベントナイトをスライスし、スライス片の選択溶解抽出を行い鉄腐食生成物の結晶化の程度を調べ、鉄腐食生成物の価数を調べた結果、室温で数年の範囲内では、鉄腐食生成物は非晶質のFe(OH)₂及びFe(OH)₃として存在していることが推測された。XRD分析の結果より、鉄腐食生成物によってNa型スメクタイトのFe型化はほとんど起こっておらず、鉄腐食生成物はスメクタイト粒子間に存在していることが示唆された。また、あらかじめ大気下で生成した3価の鉄腐食生成物は、圧縮ベントナイト間隙中では容易に2価に還元されないものと考えられた。

Application of the Comprehensive Sensitivity Analysis Method to a Korean geological disposal concept

本検討においては、日本原子力研究開発機構と韓国原子力研究所間の研究協力の一環として、原子力機構が開発した包括的感度解析手法を韓国地層処分概念に適用し、感度解析を実施した。この適用の目的は、直接処分の概念に対して、線量の目標値を満足するニアフィールドパラメータの閾値を抽出できるかどうかについて確認することである。その結果、天然バリアが保守的な条件下において、線量の目標値を満足するニアフィールドパラメータの閾値が例示された。このことから、直接処分の概念に対する包括的感度解析手法の適用性を確認した。さらには、韓国の地層処分において、¹²⁹Iに対するニアフィールド領域の重要な特性としては人工バリア周辺の地下水流量及び廃棄体からの溶解であることが示唆された。このようなアプローチは、直接処分の概念におけるシナリオ解析や頑健なバリアの構築に資するものである。

地層処分技術に関する知識マネジメントシステムの設計概念

高レベル放射性廃棄物の地層処分に関する実際的な課題として、地層処分技術に関する知識の爆発的な増加が挙げられる。この課題に対応するためには、知識マネジメントの基本概念を取り入れ、長期に渡る地層処分事業において知識を伝承していくことが必要である。そのため、日本原子力研究開発機構では、最新の情報工学及び知識工学の技術を最大限に活用した次世代型の知識マネジメントシステムの開発を進めている。本稿では、地層処分分野における知識マネジメントの必要性を概観し、知識マネジメントシステムの開発の基本的な考え方と設計のアプローチを示す。

亀裂性岩盤におけるボーリング調査に基づく水理学的有効間隙率の設定について

高レベル放射性廃棄物の地層処分における安全評価など深部岩盤中での物質の移行評価においては、地下水の移行経路に当たる岩盤の間隙中での地下水流速が重要なパラメータの一つとなる。一般に、岩盤の間隙中の地下水流速はダルシー流速を有効間隙率で除すことにより求められ、その有効間隙率の設定に際しては、地下水の移行に寄与する間隙を適切に評価する必要がある。本論では、亀裂性岩盤における水理学的有効間隙率の設定について既往の研究例を紹介するとともに、地上からのボーリング調査で取得されたデータを活用した検討事例と課題について報告する。

地層処分基盤研究開発の現状と課題

本件は、高レベル放射性廃棄物の地層処分における基盤研究開発の現状と今後の課題について、基盤研究開発の構成要素である「深地層の科学的研究」、「工学技術開発」、「安全評価手法の開発」の3つの分野ごとに、これまでの研究開発成果に基づいて概説したものである。

コロイドプローブ原子間力顕微鏡によるNaCl水溶液中のモンモリロナイト粒子の相互作用力の測定

本研究では、コロイドプローブAFMにより、モンモリロナイト粒子間の相互作用力をイオン強度〜500mMの水溶液中で直接測定した。その結果、粒子間には斥力が支配的に作用することが観察され、モンモリロナイト粒子の分散性は高いことが示唆された。また、この測定結果において観られた粒子間が接近する距離での斥力は、DLVO理論による理論予測とは不一致を示すものであった。

圧縮ベントナイト中の間隙水測定手法の検討

圧縮ベントナイト中の間隙水pHおよび間隙水組成の時間的・空間的変化を直接測定する手法を検討した。圧縮ベントナイト（Kunigel–V1®＝100%、乾燥密度＝1.6g⁄cm³）中の間隙水pHおよび間隙水組成の測定は、低脱色性のpH試験紙および高吸水性パットを用いて行なった。 試験は雰囲気制御グローブボックス内（O₂≦1ppm）で行い、蒸留水、NaCl溶液、人工海水および低アルカリ性セメント（HFSC）浸漬液を用いた。蒸留水、NaCl溶液および人工海水についてはNaOHを添加してpH=9に調整し、HFSC浸漬液に関しては平衡に達したHFSC浸漬液pH≒11を用いた。
試験の結果、間隙水pHの時間的・空間的変化は、蒸留水試験では、ベントナイト内側でpHはほぼ一定（pH=8.0〜9.0）であったが、溶液との接触面近傍において時間の経過とともにpHが低下（pH=7.5〜8.5 → pH=7.0〜.0）する傾向が認められた。人工海水試験では、溶液との接触面近傍でpHはほぼ一定（pH=6.5〜7.0）であったが、ベントナイト内側では時間の経過とともにpHが低下（pH=6.5〜7.0 → pH=6.0〜6.5）する傾向が認められた。HFSC浸漬液試験では、蒸留水試験と同様な傾向が認められ、ベントナイト内側のpHはほぼ一定の値（pH=8.5〜10.0）を示し、溶液との接触面近傍では時間の経過とともにpHが低下（pH=9.5 → pH=7.5〜8.5）する傾向が認められた。 低脱色性pH試験紙によるベントナイト内側での間隙水pHの測定値は、既往の発色剤法による測定結果や鉱物–水反応の化学平衡に基づく間隙水化学モデルによる計算結果ともほぼ一致しており、測定手法の妥当性が確認された。
なお、蒸留水試験において認められたベントナイトと蒸留水との接触面近傍における間隙水pHの低下について、地球化学コードPHREEQCを用いて予察的な熱力学的解析を行った。その結果、接触面近傍における間隙水pH低下の原因の１つとして、黄鉄鉱の酸化による影響が考えられた。

Kinetic behavior of water as migration media in compacted montmorillonite using H₂¹⁸O and applying electric potential gradient

圧縮ベントナイト中の物質移行経路について検討するため、ベントナイトの主成分であるモンモリロナイト中の水の移行挙動について調べた。O¹⁸を水のトレーサとし、モンモリロナイトの乾燥密度1.0、1.2、1.4Mg⁄m³に対して拡散実験と電気浸透実験を行った。拡散実験からは見掛けの拡散係数を、電気浸透実験からは移流速度と水理学的分散係数を決定するとともに、これまでに報告されているHe、Na、Clのデータと比較することにより移行経路について検討した。各イオンの濃度分布とピーク位置の比較から、分散係数はHe、H₂O、Cl、Naの順に減少し、この違いは化学種によって移行経路が異なるとともに、移行経路の違いによって分散係数が異なったことによると考えられた。

Thermodynamic model on swelling of bentonite buffer and backfill materials

地層処分において使用される人工バリア材及び埋め戻し材を構成する主要構成粘土鉱物であるスメクタイトに着目し、その表面での水の熱力学データに基づいてベントナイトの膨潤圧を求めた。スメクタイト密度0.6–0.9Mg⁄mの範囲において、含水比(0–83%)をパラメータにスメクタイト表面の水の活量と相対部分モルギブスの自由エネルギー(dG)を測定した。スメクタイトは、あらかじめ、層間イオンをNaに置換させるとともに、可溶性塩を除去し、精製したものを用いた。活量とdGは含水比の減少に伴い低下し、過去に報告されたクニピアF(ほぼ100%がスメクタイト)と同様な傾向であった。自由水と含水したスメクタイト間での平衡状態における水の化学ポテンシャルバランスの差(dG)に基づいて膨潤圧を計算し、さまざまな種類のベントナイトや種々の条件で取得された実測値と比較した結果、計算値は実測値と一致した。このことは、ベントナイト中のスメクタイト含有率や珪砂混合率が既知の場合、スメクタイト表面での水の熱力学データに基づいて、任意のベントナイトや乾燥密度に対する膨潤圧を定量的に求めることができることを示している。

Sorption Behavior of Americium onto Bentonite Colloid

Amコロイドの生成を考慮して、弱アルカリ・低イオン強度条件下において、ベントナイトコロイドに対するAmの分配係数を評価した。得られた値は、大きなモンモリロナイト粒子について報告されている文献値に比べ、大きかった。これは、ベントナイトコロイドの1桁大きい反応サイト密度によるものと考えられた。比較的簡易で多くの核種に適用可能なメカニスティック収着モデルのベントナイトコロイドへの適用性も検討した。

Illustration of HLW Repository Performance Using Alternative Yardsticks to Assess Modeled Radionuclide Fluxes

地層処分システムの安全性を判断するための指標である線量やリスクには生物圏評価にかかわる不確実性が伴い、それを補完する指標の一つとして、フラックス(生物圏評価における人間の生活様式などの仮定が不要)が考えられている。安全性を判断するための目安として、処分場からの放射性核種のフラックスに対し、自然プロセスにおいて生じる天然の放射性核種のフラックスをどのように選び、どのように両者を比較するかが課題となっている。本研究では、第2次取りまとめの地下水移行経路概念モデルを用い、処分場下流の断層破砕帯から帯水層への地下水の流出点における、処分場からのフラックスと天然の放射性核種のフラックスを比較することにより、地層処分システムの各バリアの有効性と処分システムの頑健性について示し、フラックスを用いたこのような比較の適切性について論ずる。

“What-if?” Calculations to Illustrate Fault-Movement Effects on a HLW Repository

What if解析についてどのような想定とするかなどをわかりやすく示すため、断層シナリオを対象として、解析の一連の手順について解析とともに例示する。

Knowledge Management in the Japanese High–Level Radioactive Waste Disposal Programme

事業の長期性と安全確保の長期性から、地層処分技術に関しては実施主体や規制機関の活動を支えるための技術基盤として体系化し、継続的な研究開発によってその信頼性の向上をはかって行くことが不可欠である。日本原子力研究開発機構は、2006年9月に公表したH17取りまとめにおいて、このような体系化にあたっての新たな視点として知識管理に基づくアプローチを提案している。本論文では、日本のHLW地層処分計画における知識マネジメントのアプローチの意義、課題、地層処分技術に関する知識のセーフティ概念に基づく知識の構造化や知識管理システムの基本概念を紹介する。

Modeling studies on microbial effects on groundwater chemistry

地層処分場のバリア性能に及ぼす微生物活動の影響評価技術の高度化を目的として、幌延深地層研究センターの調査フィールドに設けた観測井の既存観測データを用い、微生物影響を考慮した数値解析コード(MINT)を使用して微生物存在下で安定な地下水水質の評価及び地下水中に溶存した有機物と電子受容体濃度をパラメータとした感度解析を実施した。成果として、微生物影響を受けた結果得られる地下水水質や、地下水水質の変動による微生物活動への影響を評価するための結果を得ることができた。解析の結果、同地下水環境は共存する微生物群のうち、硫酸還元菌とメタン生成菌の活性が高く、かつ硫酸イオン濃度の変遷に伴って地下水に溶存する微生物由来のメタン濃度が増減する傾向が予測された。

Thermodynamic Data of Water on Smectite Surface and Those Applications to Swelling Pressure of Compacted Bentonite

本研究は、地層処分の人工バリア材の1つであるベントナイト緩衝材の重要粘土鉱物のスメクタイト表面の水の熱力学特性に着目し、ベントナイト緩衝材の力学特性の1つである膨潤圧について検討した。蒸気圧法により、含水比、温度、スメクタイトの乾燥密度をパラメータとしてスメクタイト表面の水の熱力学データを測定した。得られた活量と相対部分モルギブスの自由エネルギー(ΔG)は含水比の減少に伴い低下し、スメクタイト表面からおおよそ水分子2層までの水が束縛されていると解釈された。ΔGに基づいて膨潤圧を見積るとともに、実測値と比較したところ、計算値は実測値とよく一致した。さらに、膨潤圧に対する温度の影響についても検討する。

APPLICATION OF ARCHAEOLOGICAL ANALOGUES FOR A REPOSITORY SAFETY CASE: ARGUMENTS SUPPORTING THE WASTE CONTAINER LIFETIME

日本における高レベル放射性廃棄物処分では、炭素鋼がオーバーパック材料の候補材として考えられており、約1000年間での腐食量を40mmと見積もられている。この処分場デザインの健全性を示す目的で考古学試料を用いたナチュラルアナログ研究を行った。約40の試料をX線CTを用いて非破壊で測定し、それらの腐食量を分析した。分析した結果、1000年間での40mmという設定値よりも1桁低い腐食量が見いだされ、設定値の保守性が検証された。

Visualization and quantitative evaluation of aperture distribution, fluid flow and tracer transport in a variable aperture fracture

高レベル放射性廃棄物の地層処分の安全評価においては、地下深部の岩盤における水理及び物質移行特性を把握することが重要である。地下深部の岩盤では、亀裂などの不連続面が支配的な移行経路になる可能性があることから、岩盤内亀裂の幾何学的特性や水理・物質移行特性をより詳細に把握したうえで評価する必要がある。本研究では、単一亀裂モデルの信頼性向上に資するため、LED面光源を用いた画像可視化計測技術を開発し、単一岩体亀裂を模擬した透明試験体を用いた透水・トレーサー試験へ適用した。また、粒子画像流速測定法(Particle Image Velocimetry)を用いて、亀裂内の流速分布の推定を行った。その亀裂内の水理・物質移動の過程を直接観察することにより、亀裂内開口幅分布、亀裂内濃度分布変化や流れ速度ベクトル分布等の情報を収集し、それを画像分析することで、水理・物質移行挙動の詳細な検討を行った。以上のことから、LED面光源を用いた画像可視化計測技術と粒子画像流速測定法を組合せた手法が亀裂内の水理・物質移行の把握において有効であることを確認した。

Comparative study of cesium sorption on crushed and intact sedimentary rock

For establishing a reliable safety assessment methodology for high-level radioactive waste (HLW) geological disposal, it is essential to clarify the applicability of sorption data determined with a conventional batch sorption method to an actual repository environment. In the present study, sorption data represented as distribution coefficients (Kd) were compared experimentally by applying a batch method with crushed sedimentary rock samples and a dynamic circulation method with intact sedimentary rock samples. The Kd values for cesium (Cs) determined with the dynamic circulation method are around one order of magnitude lower than those obtained using the batch method, depending on Cs concentration at sorption equilibrium. This disagreement was discussed considering permeability, specific surface area, solid⁄liquid ratio (S⁄L) and solution chemistry. The Kd values determined with the dynamic circulation method were corrected for different specific surface areas. As a consequence, the Kd values determined with the two methods are then comparable within an order of magnitude. The Kd values become even more comparable when taking into account that they decrease with increasing the S⁄L ratio as it is the case when going from batch to column experiments. The results basically suggest that the Kd determined with the batch method are reasonably applicable to describe sorption in the actual environment in a given nuclear waste repository after appropriate corrections.

Uncertainty in Groundwater Flow Simulations Caused by Multiple Modeling Approaches, at the Mizunami Underground Research Laboratory, Japan

複数の水理地質構造モデリング手法を比較することで花崗岩などの亀裂性媒体を対象とした地下水流動評価の不確実性を比較した。モデルの比較は水理地質構造モデルの概念化の違いや数値モデル化手法の違いに着目する。本研究では、岐阜県東濃地域における地下研究施設建設サイトの地上からの調査段階で取得されたデータを5つのモデリンググループが活用した。それぞれのモデル比較には特定の評価課題を用いた。その結果、本調査段階の水理地質構造モデリングにおける主要な不確実性を抽出した。

Effects of the orientation of smectite particles and ionic strength on diffusion and activation enthalpies of I^- and Cs⁺ ions in compacted smectite

The apparent diffusion coefficients (Da) for I^- and Cs⁺ ions in compacted Na-smectite which is a major constituent clay mineral of bentonite were studied as a function of smectite's dry density (0.9-1.4 Mg⁄m³), ionic strength ([NaCl] = 0.01, 0.51 M), temperature (22-60℃) and diffusion direction to the orientated direction of smectite particles. The Na-smectite was prepared by ion-exchanging with Na⁺ ions a Na-bentonite, Kunipia-F®, of which smectite content is over 99 wt.%. The D_a-values for both ions showed a tendency to be higher in the parallel direction than in the perpendicular direction to the orientated direction of smectite particles at a low-ionic strength of [NaCl] = 0.01 M. The D_a-values for I^- ions showed different trends depending on diffusion direction and dry density at a high-ionic strength of [NaCl] = 0.51 M. Namely, although the D_a-values for I^- ions showed a tendency to be higher in the parallel direction than in the perpendicular direction to the orientated direction of smectite particles at a high-dry density of 1.4 Mg/m³, these showed a reciprocal tendency at dry densities of 0.9-1.0 Mg/m³. The Da-values for Cs⁺ ions uniformly increased with an increase of ionic strength in both diffusion directions. Considering electrostatic effect from smectite surface and the change in tortuosity on dry density, ionic strength and diffusion direction to the orientated direction of smectite particles, I^- ions are considered to mainly diffuse in interstitial pores. While, Cs⁺ ions can diffuse in both interlayer and interstitial pores, and the D_a-values are considered to have elevated by competing with Na⁺ ions. The activation enthalpies (ΔE_a) for I^- ions, slightly higher (ΔE_a = 19.8–20.0 kJ⁄mol) than that of the diffusion coefficient in free water (D°) for I^- ions (ΔE_a = 17.36 kJ⁄mol) at a low-ionic strength of [NaCl] = 0.01 M, decreased with an increase of ionic strength, became of similar level to that of the D° at a high-ionic strength of [NaCl] = 0.51 M, increased with an increase of dry density. On the contrary, the ΔE_a-values for Cs⁺ ions, clearly higher (ΔE_a = 25.6–28.4 kJ⁄mol) than that of the D° for Cs⁺ ions (ΔE_a = 16.47 kJ⁄mol) even in low-dry density over the ionic strength, increased with an increase of dry density. The ΔE_a-values for Cs⁺ ions are considered to be due to the decrease in the activity of porewater in addition to the effect of ion exchange enthalpy between Cs⁺ and Na⁺ ions in smectite.

幌延深地層研究計画の地上からの調査研究段階における地下水流動に関する調査研究

独立行政法人日本原子力研究開発機構は、北海道幌延町において地層処分研究の一環として幌延深地層研究計画を進めている。本論文では、地上からの調査研究段階のうち、地下水流動に関するおもな調査研究の成果について記述した。水文調査では、涵養量が流域によって異なり、これが植生や地形に依存する可能性を示した。ボーリング調査では、数10〜100mの水理試験区間の規模では透水係数にばらつきや深度依存性があること、室内試験規模では過去に受けた応力状態の影響も反映していること、深部に高い全水頭が保持されていることがわかった。地下水流動解析からは、調査地域の地下水が東側の山を涵養域として大局的に東から西に向かい、局所的には地形勾配や地質構造に支配されて流動していることがわかった。

不連続性岩盤における突発湧水リスク評価手法の事後評価への適用

本研究においては、設計段階ですべてを予見することはできない岩盤の不連続性に起因する地質リスク要因として突発湧水による対策工変動リスクに着目し、結晶質岩が広く分布する岐阜県瑞浪市において日本原子力研究開発機構が建設を進めている瑞浪超深地層研究所の立坑を対象事例として取り上げる。この事例においては、これまでに段階的に地質調査が実施され、その段階ごとに不連続性岩盤に関する情報がデータセットとして蓄積されている。このため、この不連続性岩盤に関するデータセットを用いた解析結果から、突発湧水リスクが発生する可能性についてだけでなく、さらには地質調査に関する情報量の増加が地質リスクに起因する対策工変動リスクに及ぼす効果について、事後評価の観点から検討を加えるものとする。

幌延深地層研究計画における地下研究施設建設時の課題と対応策 (<小特集>大型プロジェクトの地盤工学的な問題と対処法)

日本原子力研究開発機構は、北海道幌延町において、高レベル放射性廃棄物の地層処分に関する研究開発の一環として地下研究坑道の建設を行っている。建設地点の地質は、新第三紀の堆積岩に属し、地山強度比の低い中での掘削となるため、特に地山強度比が小さい範囲に対しては、二重支保構造を新たに構築し適用することで支保設計の合理化を図った。また、地下研究施設建設中に発生する地下水には国が定める特定有害物質が含まれていることから、排水処理設備によりこれを適切に除去したうえで放流することとしている。よって、本設備へのインパクトを低減させるためにも地下浅部を対象として立坑周囲に止水壁を構築し湧水量の低減を図った。またFEMによる浸透流解析により実際の湧水量との比較を行い、止水壁が有効に機能していることを確認した。

孔間水理試験による水圧応答に基づく地下深部の水理地質構造の解析的推定

断層などの不連続構造が複数存在する地下深部の地下水流動場を三次元的に把握するにあたっては、物理探査やボーリング調査などの原位置調査を実施するとともに、それらの結果に基づく水理地質構造モデルの構築及び地下水流動解析が有効と考えられる。このうち、複数のボーリング孔を用いた孔間水理試験は、ボーリング調査では把握することができていないボーリング孔間に分布している不連続構造の水理特性や水理学的な連続性を推定できる手法である。本研究では、日本原子力研究開発機構が岐阜県瑞浪市で進めている超深地層研究所計画における調査研究の一環として実施した孔間水理試験を事例として、地下深部の地下水流動に影響を与える重要因子である水理地質構造を推定するための地下水流動解析を実施した。その結果、研究所用地周辺における水理境界や主要な水みちとして機能する断層の特定、並びにそれらの断層の水理特性を推定することができた。また、地下深部の水理地質構造を推定するにあたっては、非定常データを用いた地下水流動解析が有効であることを示した。

大規模地下施設の建設に伴う周辺地下水環境の変化

瑞浪超深地層研究所において、大規模な地下施設建設に伴う周辺地下水環境の変化にかかわる調査研究を行った。地下水の水圧と水質を連続的に観察した結果、低透水層が水理化学的擾乱を軽減するバリアとして、逆に高透水性層は優先的な地下水流動経路として機能することが明らかになった。地下水の水質変化は、異なる水質を持つ地下水の混合割合の変化により生じていた。地下水の水圧と水質を高透水性の岩層でモニタリングすることは、周辺環境の変化を評価するうえで非常に重要である。また、施設建設前に水理地質構造や水理化学的な初期状態を理解しておくことが不可欠である。本研究では、約4か月間にわたる、地下施設の冠水とその後の排水時の観測により、水理学的な応答速度や地球化学的な緩衝能力を評価することができた。

微生物が地下の酸化還元環境形成に及ぼす影響

微生物は地下の酸化還元環境の形成及び維持にどのような影響を及ぼすのだろうか?日本原子力研究開発機構では、「水–岩石(有機物)–微生物」システムにおいて微生物を考慮に入れた岩盤の酸化還元緩衝能力の評価を試みている。本報告では、微生物影響の評価のために実施した天然環境調査の結果を紹介するとともに、今後の課題を示した。

岩石の時間依存性挙動と周圧の影響に関する最近の研究

地下の岩盤は三軸圧縮応力状態であり、地下構造物の長期的な挙動を評価するためには、岩石の周圧下での時間依存性挙動を調べることが重要であることは言うまでもない。例えば、高レベル放射性廃棄物地層処分施設は地下数百m以深に建設される予定であり、施設閉鎖後も数千年から数万年にわたる安定性が要求される。しかし、一軸圧縮応力下に比べると、周圧下での岩石の時間依存性挙動に関する研究は格段に少ないのが現状である。著者はこれまで、地下深部に設けられる構造物の長期安定性評価手法の確立を目指して、周圧下での岩石の時間依存性挙動に関する研究を行ってきた。そこで、研究を遂行するにあたって調査したこの分野の現状と課題を、レビュー論文としてまとめた。本報では、まず、比較的強固な岩石を対象とした、最近の実験的研究及び理論的研究の成果について述べた。その際、岩石の時間依存性挙動に及ぼす周圧の影響に着目した。次いで、周圧下での岩石の時間依存性挙動を調べるための実験装置と、実務に適した実験方法を紹介した。さらに、この分野の今後の課題については各章で取り上げた。

海成堆積物の地下浅部における天水の浸透に伴う地下水のpH変化

北海道北部の幌延地域に分布する新第三紀の海成堆積物における地下水のpHに寄与する水-岩石反応を把握するために、本堆積物の岩石学的特徴と地下水の地球化学的特徴を検討した。その結果、(1)本堆積物中の地下浅部における天水の浸透領域ではNaの溶脱が生じており、この溶脱がおもに岩石中のスメクタイト中のNa⁺と地下水中のH⁺との陽イオン交換反応によること、(2)地下浅部における地下水のpHが、上記に代表される陽イオン交換反応により規制されており、天水が浸透するとpHが上昇し、再び塩水に浸されるとpHが低下することが示された。

地下水の流動経路における原位置の酸化還元緩衝能力の評価 —特に硫酸還元緩衝能力について—

地層処分の安全評価の観点に立つと、地下水の流動により放射性核種が輸送される地下水の流動経路において酸化還元緩衝能力の評価を原位置で実施することが重要である。本研究では、地下水の主要な流動経路としての役割を果たしている基盤花崗岩の不整合面上部の礫岩層(土岐夾炭累層)を研究対象として、原位置における酸化還元緩衝能力(硫酸還元速度)の評価を実施した。本研究の結果、原位置における礫岩層の酸化還元緩衝能力は、評価開始初期の9か月は認められたが、その後の約15か月間は、ほとんど認められなかった。この理由として、微生物の代謝活性を持続させる有機物などの栄養源が消費され、特定の微生物にとって生育環境が適さなくなった可能性がある。したがって、有機物を豊富に含む岩相が地下水の流動経路近傍に存在していても地下水の流動経路における酸化還元緩衝能力は、長期間持続しない場合があると考えられる。

電磁アクロス長距離送受信実証実験

中部地域において、電磁アクロスの信号が数十kmの遠方でも観測できるかを確かめるために、試験観測を行った。遠方まで届くと予想される周波数帯域を選び、精密同期、常時送信をすることにより、伝播してきた信号を確認することができた。この信号レベルは、通常はノイズに埋もれている大きさしかないので、他の観測を妨害しない。今回は、送信電流ダイポール軸の方向により受信信号の振幅の違いが確認された。この原因は地下構造の異方性によると考えられるので、今回の結果だけでなく、近傍の観測と照らし合わせながら、明らかにしていく必要がある。この異方性の変動は地下応力の変動と対応することが予想される。本試験では、狭い周波数帯での信号のみを扱ったが、周波数によって電磁波伝播の影響する範囲が異なるので、その周波数依存性も地下の情報として重要である。

瑞浪超深地層研究所の研究坑道における掘削損傷領域を考慮した掘削影響解析

本研究では、不連続性岩盤を対象とした掘削損傷領域のモデル化について検討し、掘削損傷領域を考慮した掘削影響解析を行い、発破掘削時に形成される掘削損傷領域の影響について検討した。掘削損傷領域のモデル化に際しては、坑道周辺岩盤の変形挙動に対してはクラックテンソルモデルを、透水性変化に対しては仮想割れ目モデルを拡張し、これらのモデルを超深地層研究所計画の研究対象となっている土岐花崗岩に適用して、研究坑道の掘削影響解析を行った。研究の結果、不連続性岩盤の掘削損傷領域での剛性低下は、新規の割れ目が発生することにより生じるとの解釈のもと定式化が可能なこと、掘削損傷領域を考慮した解析の結果、坑道周辺岩盤の変位は増加するものの、局所安全率にはほとんど影響しないこと、水理学的影響は非常に大きく、坑道周辺岩盤の透水係数が著しく増加することがわかった。

国内超大深度立坑工事の地山崩壊形態から見た崩壊発生機構に関する考察

超大深度地下開発のアプローチとなる超大深度立坑は、その重要性を再認識されつつある。しかし、国内石炭産業の縮小に伴い、深度1,000m級の立坑はほぼ20年以上施工されていない。筆者らは超大深度立坑技術の継承と、定量的な立坑設計技術の確立を目的として、過去に施工された超大深度立坑の技術文献調査、及びかつて施工に従事された技術者からの聞き取り調査を実施し、立坑工事において発生する蓋然性の高い崩壊形態を調査した。その結果、立坑における崩壊のほとんどは高抜けと異常地圧による覆工破損の二つに分類されることが明らかとなった。さらに、その発生状況を検証したところ、この二つの現象は同じ原因により発生するものと判断された。

北海道北部、幌延地域における大曲断層の三次元分布と水理特性

北海道北部、幌延地域における新第三紀堆積岩分布域において、地表割れ目踏査、ボーリング調査(コア観察・EMI検層・比抵抗検層・水質分析)、反射法地震探査、およびAMT探査を実施し、当域に分布する大曲断層の位置、連続性、および水理特性について検討した。その結果、以下のことが示された。(1)大曲断層はダメージゾーンを主体とした幅120m程度の断層帯であり、その透水性は高い。(2)研究所設置地区近辺における大曲断層帯の三次元分布が明らかとなり、地表部ではover–stepし、地下では収斂する形態をなす。(3)「塩水系」と「淡水系」の2種類の地層水が存在し、顕著な岩相変化を示さない堆積岩においては、電磁探査を用いた調査が、断層帯の位置、連続性、および水理特性などを検討する際に有効である。

Stream flow forecasting by artificial neural network (ANN) model trained by real coded genetic algorithm (GA) A Case study when role of groundwater flow component in surface runoff is small

流域の管理を行う上で重要な河川流出量の予測を行うための流出解析を3つの方法を用いて行った。その方法として、遺伝的アルゴリズムを組み込んだニューラルネットワークモデル(GAANN)、誤差伝播法を用いたニューラルネットワークモデル(BPANN)および多変量自己回帰モデル(MARMA)を用いた。これらのうち、後2者は前者のモデルの妥当性を検討するために実施した。その結果、小流域での流出特性には季節変化があること、夏季の強度の大きい降雨ではニューラルネットワークによる予測がMARMAよりも精度が高いことを明らかにした。また予測精度は予測時間が長いほど低下することなどが分かった。

揚水試験結果の解析手法の変遷と最近の技術

揚水試験は、地盤の浸透特性を原位置で評価する調査法であり、その試験結果の解析法は、Theis、 Jacob法(国際的にはCooper-Jacob法と呼ばれている)が用いられている。しかし、この解析法は理想的な条件に対する方法であり、実際の現場データを解析するには種々の限界がある。この観点から、本報文では新しい揚水試験の解析法に関する最近の研究をレビューし、これらを幾つかの世代に大きく分類し、各世代での代表的な成果を取りまとめる。また、最近の調査法として注目されている観測量の時間微分項を用いた手法を説明する。

幌延深地層研究計画における地下研究坑道の概要と支保設計

幌延深地層研究センター地下施設の建設について

日本原子力研究開発機構の幌延深地層研究センターでは、高レベル放射性廃棄物の地層処分のための研究施設として深度約500mの立坑及び水平坑道から成る大深度地下施設を建設中である。本報告では、その施工計画の概要と施工計画の中で特に環境対策として排水処理、掘削土(ズリ)処理について、そして安全にかかわる項目として防災対策、情報化施工について紹介する。

ポゾラン高含有低アルカリ性吹付けコンクリートの施工性

数千年以上の半減期の核種を持つ放射性廃棄物を処分する施設に適用するために、普通ポルトランドセメントよりも浸出水のpHが低い、フライアッシュを高含有したシリカフュームセメントを開発した。放射性廃棄物の処分施設の建設では吹付けコンクリートとして施工することが考えられているが、凝結時間や若材齢強度などに課題がある。本研究では、ポゾランの混合割合や水結合材比及び急結剤の種類を適切に選定することで、トンネル支保工としての適用が可能であることを示した。

電極表面連続研磨器具付き白金電極を用いる水溶液酸化還元電位の安定測定

不活性条件化において白金電極を連続的に研磨しながら溶液の酸化還元電位を測定する場合と、連続研磨無しで溶液の酸化還元電位を測定する場合に得られる酸化還元電位の差異について検討した。連続研磨を実施した測定条件下では、溶液の酸化還元電位は、すぐに安定状態に達した。その溶液の酸化還元電位は、HS^-とS₄^2-が酸化還元平衡にあるとの仮定に基づいて熱力学的に算出される酸化還元電位とほぼ一致していることから、HS^-とS₄^2-の酸化還元反応が酸化還元電位におもに寄与していると考えられた。一方、連続研磨を行わずに溶液の酸化還元電位を測定した場合、連続研磨を実施した場合の酸化還元電位より約0.2V高い値が得られた。この原因として、白金電極表面への硫酸アニオンの吸着などの、電極-溶液間の電気化学的環境の変化が考えられた。

深層ボーリング孔を用いた地下水の地球化学調査の課題に対する試み

Countermeasures Planned for Reducing Water Inflow into Deep Shafts at the Mizunami Underground Research Laboratory

瑞浪超深地層研究所(MIU)が岐阜県瑞浪市に建設中である。MIUは深さ1,000mの2本の立坑と水平坑道群から構成される。MIUプロジェクトの目標は、深い地質環境での調査技術、解析技術、評価技術の確立、及び花崗岩のような結晶質岩における大深度での工学技術の適用範囲の拡大を図ることである。主立坑の直径は6.5m、換気立坑の直径は4.5mである。2本の立坑を接続する水平トンネルが100m間隔で掘削される。科学的研究のため深度約500mに中間ステージ、及び深度約1,000mに最深ステージが設置される予定である。主立坑、換気立坑の2006年11月時点の深度はそれぞれ180mと191mである。掘削を進めるにつれ、立坑への湧水量が増加し、プロジェクト進行に支障が生じている。湧水量を低減するために、ポストグラウトとプレグラウトが計画されている。換気立坑においてポストグラウト試験施工を実施され、その適用性が評価された。

Kinetic behavior of water as migration media in compacted montmorillonite using H₂¹⁸O and applying electric potential gradient

圧縮ベントナイト中の物質移行経路について検討するため、ベントナイトの主成分であるモンモリロナイト中の水の移行挙動について調べた。¹⁸Oを水のトレーサとし、モンモリロナイトの乾燥密度1.0、 1.2、 1.4Mg⁄m³に対して拡散実験と電気浸透実験を行った。拡散実験からは見掛けの拡散係数を、電気浸透実験からは移流速度と水理学的分散係数を決定するとともに、これまでに報告されているHe、Na、Clのデータと比較することにより移行経路について検討した。各イオンの濃度分布とピーク位置の比較から、分散係数はHe、H₂O、Cl、Naの順に減少し、この違いは化学種によって移行経路が異なるとともに、移行経路の違いによって分散係数が異なったことによると考えられた。

The development of Fe-nodules surrounding biological material mediated by microorganisms

高師小僧は日本において第四紀の堆積岩に生じる現象である。それらは、植物の根の周囲に形成された円筒状の鉄酸化物の塊である。構造的な特徴から、植物の根が分解された後、中央の空洞に酸化性の水が流れることによって、鉄酸化物が濃集されると考えられている。鉄酸化物から採取した微生物の遺伝子解析を行った結果、鉄酸化反応を行う微生物に近縁な種が検出されており、団塊の形成に関与した可能性が示唆された。顕微鏡観察の結果からも、空隙を満たしている鉄酸化物には微生物のコロニーが付着していることが明らかになっている。地質史及びナノ化石から、これらの鉄団塊は少なくとも10万年間もの間深度数十メートルの還元的な第四紀の堆積物中に埋蔵されていたと考えられており、水-岩石-微生物の相互作用によって形成された鉄酸化物の団塊は、還元環境下で持続しうることが示された。このような現象は、核種の移行に影響を及ぼす可能性が考えられるため、放射性廃棄物を地層処分した後のアナログとして重要である。

Grimsel Test Site Phase VI, LTD WP 1: Predictive Modelling for LTD Monopole Experiment

グリムゼル原位置試験フェーズ6・LTD(放射性核種のマトリクス拡散)プロジェクトは、原位置におけるマトリクス拡散の評価を目的として、HYRL(フィンランド)、JAEA及びAIST(日本)、NRI⁄RAWRA(チェコ)、Nagra(スイス)によって進めている国際共同研究プロジェクトである。LTDプロジェクトはWP1–WP4の四つのタスクに分かれており、WP1では、単孔式の原位置拡散試験の実施に先立ち予測解析を実施した。この解析結果は、原位置試験のレイアウトや計画の検討にフィードバックされるだけでなく、試験結果との比較を通じて、長期に渡る拡散現象にかかわるモデル化の信頼性の確認に寄与するものである。この報告書は、予測解析で用いた概念モデルや解析コードの概要、及びマトリクス中のトレーサー濃度プロファイルと溶液中のトレーサー濃度の変化に関する予測結果をまとめたものである。

Hydrogeological conceptual model determined from baseline and construction phase groundwater pressure and surface tiltmeter data at the Mizunami Underground Research Laboratory, Japan

A hydrogeological conceptual model has been developed based on pressure responses observed at multilevel pressure moni-toring zones in seven boreholes and surface tilt data in and around the Mizunami Underground Research Laboratory site. Pressure changes caused by some earthquakes, cross-hole hydraulic testing, and shaft excavation activities are considered. Surface tilt has been measured from the half way of the shaft excavation phase. The shaft excavation has been commenced from July 2003 with two shafts (Main shaft and Ventilation shaft). By the end of October 2005, discharging of water in the shafts has been halted at the depths of 172m and 191m respectively to allow modifications to be made to the water treatment facility due to an excess of F and B concentration in the water. This results in the recovery of the groundwater levels and filling of the underground workings. Begin-ning in February 2006 pumping has been resumed and the underground workings have been reoccupied. Continuous groundwater pressure and surface tilt measurements with some numerical analysis during the shaft excavation phase show the existence of the flow barrier fault predicted from the surface-based investigation phase and hydraulic parameter around the shafts.

Numerical Assessment of the Influence of Topographic and Climatic Perturbations on Groundwater Flow Conditions

東濃地域を事例として、地形変化及び気候変動が地下水流動特性に与える影響を評価することを目的とした地形変化シミュレーション及び地下水流動解析を実施した。その結果、これらは地下水流動特性に影響を与えているとともに、その影響の大きさは、断層などの周辺岩盤と透水性のコントラストを有する地質構造と地下水の主流動方向の位置関係によっても異なることが明らかとなった。また、本研究を通じて、地形変化及び気候変動が地下水流動特性に与える影響を評価するうえで、地形変化シミュレーションと地下水流動解析を組合せた手法が有効であることが明らかとなった。

The hydrogeochemistry of argillaceous rock formations at the Horonobe URL site, Japan

formations being characterized are the marine Wakkanai and Koetoi Formations (Miocene to Pliocene), consisting dominantly of siliceous shales (porcelanites) and diatomaceous shales respectively. These formations are located within the Tempoku Basin, within a back-arc tectonic setting. Rock sequences of this kind occur widely in Japan and throughout the northern Pacific region. However, prior to the present study, there was relatively little information concerning the processes controlling in situ chemical conditions and groundwater flow in such settings. Chemical data was obtained for both pumped waters and squeezed porewaters in order to characterize the hydrogeochemistry of these argillaceous rock formations. The in situ chemical conditions, residence time of the groundwaters and the evolution processes of the groundwaters were investigated. Generally, at each locality studied, shallower groundwaters are fresh and have Na–HCO₃ dominated chemistry. Deeper groundwaters are saline (TDS up to about 22,000 mg⁄l) and have Na–Cl dominated chemistry. However, lateral gradients in salinity are also recognized, with salinity contours in the Na–Cl dominated saline water (having TDS > 10,000 mg⁄l) probably varying in elevation by at least 250 m. Further investigations are required to confirm the origins of the groundwater salinity, but the Na–Cl dominated groundwater chemistry is provisionally explained as a consequence of the dilution of fossil seawater, accompanied by diagenetic water–rock reactions. The vertical and lateral salinity gradients can potentially be used to test the validity of coupled groundwater flow models. A conceptual model is tentatively suggested in which the spatial distribution and frequency of fractures helps to control the spatial distribution of groundwater salinity. Future investigations will clarify the timing of flow, the flow directions and the characteristics of the flow paths.

SEISMIC INTERFEROMETRIC IMAGING FROM A POINT SOURCE IN THE GROUND

地震波干渉法は、地中からの伝播波を地表の受振点群で観測し、その観測記録の相互相関を取ることにより、地表に震源を設置した場合と同等の反射記録を合成できるものである。この手法の利点は、1つの観測記録から受振点の数と同じ数の観測記録を合成できることである。筆者らは、本手法を瑞浪超深地層研究所における立坑掘削時に実施している逆VSP探査で取得されたデータに対してこの手法を適用した。合成された反射記録を反射法処理した結果、地下の地質構造を評価可能な明瞭な2次元反射断面を得ることができた。

Investigation of the EDZ using high-resolution GPR with modulating frequency

放射性廃棄物の性能評価では、原位置における坑道掘削影響領域(EDZ)の把握が必要である。EDZを把握する手法の開発として、可変周波数による高精度地中レーダーの現場適用性を東濃鉱山坑道内で実施した。その結果、本手法はEDZの構造を高精度で把握する手法であることがわかった。

Hydrochemical baseline condition of groundwater at the Mizunami underground research laboratory (MIU)

Hydrochemical conditions up to depths of 1000 m below ground level around the Mizunami Underground Research Laboratory were investigated to construct a “baseline condition model” describing the undisturbed hydrochemical environment prior to excavation of the underground facilities at Mizunami, Gifu, Japan. Groundwater chemistry in this area was classified into a Na–Ca–HCO₃ type of groundwater in the upper part of sedimentary rock sequence and a Na–(Ca)–Cl type of groundwater in the deeper part of the sedimentary rock sequence and basement granite. The residence time of the groundwaters was estimated from their ¹⁴C contents to be approximately 9.3 ka in the middle part of the sedimentary rock and older than 50 ka in the deep part of the granite. The evolution processes of these groundwaters were inferred to be water–rock interactions such as weathering of plagioclase, dissolution of marine sulphate⁄sulphide minerals and carbonate minerals in the Na–Ca–HCO₃ type of groundwater, and mixing between “low-salinity water” in the shallow part and “higher-salinity water” in the deeper part of the granite in the Na–(Ca)–Cl type of groundwater. The source of salinity in the deeper part of the granite was possibly a palaeo-hydrothermal water or a fossil seawater that recharged in the Miocene, subsequently being modified by long-term water–rock interaction. The Cl–depth trend in granitic groundwater changes at a depth of −400 m below sea level. The hydrogeological properties controlling the groundwater flow and⁄or mixing processes such as advection and diffusion were inferred to be different at this depth in the granite. This hydrochemical conceptual model is indispensable not only when constructing the numerical model for evaluating the hydrochemical disturbance during construction and operation of the MIU facility, but also when confirming a hydrogeological model.

紀伊半島南部、本宮および十津川地域の温泉周辺の熱水活動史

紀伊半島南部地域には、第四紀火山が存在しないものの、湯の峰温泉や湯泉地温泉などの高温泉や、本宮地域の熱水変質帯などが分布している。本研究では、高温泉や変質帯の分布する本宮地域と十津川地域を対象として、複数の年代測定手法により岩石の被った熱履歴を把握することを目的としている。TL年代、FT年代及びK–Ar年代測定の結果、本宮地域・十津川地域では、千数百万年前までの高温の活動の後、少なくとも数十〜数万年前から低温の活動が見られる。これらは、複数の放射年代測定手法を組合せることで把握することが可能である。

下北半島、むつ燧岳火山地域の変質帯と変質岩の熱ルミネッセンス年代

第四紀火山活動に伴う熱水活動の履歴を明らかにするため、むつ燧岳火山地域における変質帯の分布と性状及び変質年代に関する研究を実施した。変質分帯及び変質年代の検討の結果、むつ燧岳火山の活動に伴う熱水活動により形成された変質帯は、断裂発達箇所を中心として分布し、当時の火山体内及び基盤の断裂ないしは高透水性の岩相を通路として側方に広がっていたものと考えられる。また、流体包有物の均質化温度測定の結果から、熱水活動による変質は最も高温部で200〜250℃程度に達したと考えられる。

完新世における阿寺断層帯湯ヶ峰断層の活動

阿寺断層帯を構成する活断層の一つである湯ヶ峰断層において、完新世の活動履歴を明らかにするためにトレンチ掘削調査を実施した。その結果、腐植土や礫層を変位させる断層を確認し、傾斜不整合などの証拠から少なくとも4回の地震活動が明らかになった。

K–Ar年代測定に基づく両白山地の鮮新 —更新世火山活動の時空分布

中部日本、両白山地の鮮新-更新世火山は、東南東-西北西方向の九頭竜火山列と南北方向の白山火山列をなす。両白山地における鮮新-更新世火山活動の時空分布を石基試料のK-Ar年代に基づいて検討した。初期(3.5〜1.5Ma)には、二つの火山列の交点付近での火山活動が見られる。1.2〜0.7Maには、九頭竜火山列で東南東端の烏帽子・鷲ヶ岳火山から西北西端の法恩寺火山へ火山活動が移動する。その後、白山火山列の活動が0.4Maに始まり、現在まで継続している。

北海道における地震に関するアイヌの口碑伝説と歴史記録

北海道とその周辺海域における地震の地域性を把握するために、アイヌ文化期における地震に関するアイヌの口碑伝説と歴史記録の文献調査を行うとともに、それら史料が過去に地震に襲われた可能性を示すものかどうかの検討を行った。その結果、28の口碑伝説と歴史記録を収集できた。個々の史料を検討した結果、24の史料が地震に関するものと解釈された。アイヌ文化期とそれ以前の時期において地震に襲われたことが推定される地域は、おもに北海道の太平洋沿岸に分布する。それら地域は、北海道とその周辺において地震活動が活発な地域に隣接する。過去から現在までの地震の分布傾向に基づくと、将来の地震の分布は、アイヌ文化期とほぼ同期間の将来において、現在の地震分布とほぼ同一であると推測できるであろう。

秋田県・千屋断層の陸羽地震断層露頭

2005年夏に千屋丘陵の西麓(花岡地区)・大道川の河岸で、陸羽地震時に形成されたと考えられる断層露頭を発見した。この露頭によって、千屋断層の(陸羽地震時)地表トレースが地形境界に沿って大きく湾曲することが明確になった。このような逆断層のトレースの湾曲がどのように形成されたのか、逆断層の先端(地表)から地下の断層形状・構造を解明するうえでも重要な露頭と考えられる。

東濃地方内陸小盆地埋積物の分析による過去30万年間の古気候変動

土岐面頂部付近の閉塞された小盆地で掘削されたボーリングコア (OK1コア：深度25.3m) は、おもに泥炭層と無機質粘土〜シルト層のリズミカルな互層からなり、コア下部から約30万年前に堆積した高山Ng1テフラが検出された。 この約30万年前以降の連続試料について、テフラ分析、帯磁率測定、粒度分析、色相計測、花粉分析を実施した。花粉分析のデータを基に、モダンアナログ法を適用し、古気温の変動を復元した結果、海洋酸素同位体の変動と同調していることが明らかになった。さらに、暗色の泥炭層と明色の無機質粘土〜シルト層の堆積環境がリズミカルに振幅し、それを数値化したL^*値の変動が日射量変動に対応している可能性が示された。これらのことから、OK1コアは盆地内のローカルな環境変動のみならず、過去30万年間以上にわたって汎地球的な変動をも連続的に記録していると推察される。

東濃ウラン鉱床でのナチュラルアナログ研究からみた古水理地質研究の役割

東濃ウラン鉱床は1千万年前と考えられるその形成以降、隆起・侵食などの影響を受けてきたにもかかわらず、ほとんどのウランは保存されてきた。これはウランの保存に適した地質環境が維持されてきたことによる。日本列島のような変動帯において、高レベル放射性廃棄物の地層処分システムの長期的な安全性に対する信頼性を向上させるためには、隆起・侵食などの地質事象が地質環境にどのような影響を及ぼすのかについて理解する必要がある。東濃ウラン鉱床を対象とした研究からこのような点に貢献するためには、地質環境の長期的な変化やその安定性を評価していく必要がある。地下の地質環境は、地下水流動系、微生物、水-岩石反応などの多くの要因に影響されるため、過去の地質環境を知るためには、古水理地質学的なアプローチが必要である。

地層処分からみた日本列島の隆起・侵食に関する研究

地層処分から見た侵食作用の重要性 —海成段丘を対象とした侵食速度の推定を例に—

熱移流を考慮した日本列島の熱流束分布と雲仙火山を対象とした熱・水連成シミュレーション

比較的規模の大きな地下活断層の特徴とその調査手法の検討

Results of numerical analyses and field studies in the epicenter area of the 2000 Tottoriken-seibu earthquake suggest that several research techniques are effective for identifying subsurface active faults unaccompanied with remarkable surface earthquake faults. Field observation of the lineaments found in the area by detailed air-photo interpretation revealed that most of them are accompanied by faults and/or dikes, and some of them show minor slips at the time of the earthquake. Crustal deformation caused by the activity of the subsurface seismogenic faults is deduced by numerical analyses based on seismic and geodetic data. The vertical deformation assumed from the height changes of the terraces along the river across the epicenter area suggests that cumulative uplift and subsidence associated with left-lateral strike-slip has been continuing. Offsets rate of the streams and uplift rate of the river terraces surfaces show good agreement with the estimate from the parameter of the earthquake faults model. Identification of active faults without clear surface evidence before occurrence of earthquakes is a difficult issue, and the techniques adopted in this study will probably provide relevant information effective to locate subsurface active faults.

ボーリングコアの粒度組成と堆積速度からみた木曽川デルタの微地形と堆積過程

木曽川デルタで掘削された2本のボーリングコア(海津コアと大山田コア)の粒度組成から、デルタの微地形を復元した。さらに、堆積速度との関係を検討した。両コアは、プロデルタ、デルタフロントスロープ、デルタフロントプラットフォームを構成する典型的なデルタのサクセッションを示す。しかし、粒度組成と堆積速度は両地点の微地形の違いを反映して異なっている。プロデルタ堆積物は、浮流物質のみからなる海津コアに対して、養老山地に近い大山田コアは支流からの土砂供給を示す二峰性の粒度分布をもった堆積物を挾在する。堆積速度は、前者では小さく(1.4〜3.7mm⁄yr)、後者で大きい(1.9〜4.6mm⁄yr)。デルタフロントスロープ堆積物は、海津コアで典型的な上方粗粒化傾向を示す一方、大山田コアでは粗粒で淘汰がよい堆積物や、二峰性の粒度分布を示す堆積物を挾在する。これは、海津コアが河川からの土砂が集中するローブの中心付近に位置していたのに対して、大山田コアは河川フラックスの小さいローブの外縁付近に位置し、相対的に波浪や沿岸流などで再配置された淘汰のよい堆積物が堆積する割合が高かったためと推定される。堆積速度は前者で大きく(〜55.8mm⁄yr)、後者で小さい(〜12.6mm⁄yr)。

Postcollisional exhumation history of the Tanzawa Tonalite Complex, inferred from (U–Th)⁄He thermochronology and fission track analysis

新たな熱年代学的手法により島弧島弧衝突による丹沢トーナル岩複合岩体の削剥史を調査した。(U–Th)⁄He年代はアパタイトで2.0±0.2Ma、ジルコンで3.3±0.2Ma、ジルコンのフィッショントラック年代は4.5-6.9Maで、地温勾配を40℃⁄kmとすると削剥史は〜7-3.3Ma: 0.5-1.5mm⁄yr; 3.3-2.0Ma: 〜2mm⁄yr; 2.0-0Ma: 〜0.8mm⁄yrであった。7Maごろ以降、丹沢山地周辺のテクトニクス条件の変化にもかかわらず、削剥速度は大きな変化を受けていないことが明らかになった。

Multiple lines of evidence for crustal magma storage beneath the Mesozoic crystalline Iide Mountains, northeast Japan

東北日本の飯豊山地は、非火山地帯にもかかわらず高温の温泉が分布し、温泉放熱量も火山地帯のそれに匹敵する。本研究では、これらの高温の温泉の熱源を明らかにするため、飯豊山地周辺の温泉ガスのヘリウム同位体比の測定を行った。その結果、温泉ガスのヘリウム同位体比は、MORB-typeのヘリウム同位体比と同程度の値を示すことから、温泉ガスのヘリウムはマントルヘリウムを主体としている。この山地の周辺には、中新世の貫入岩が分布する。温泉ガスの高いヘリウム同位体比は、これらの貫入岩を起源とするマントルヘリウムの量からは説明できないことから、飯豊山地の下には、最近になって貫入したマグマが存在することを示唆する。また、この結果は他の地球物理データとも整合的である。

Thermochronology of non–volcanic hydrothermal activity in the Kii Peninsula, Southwest Japan: evidence from fission track dating and helium isotopes in paleo–hydrothermal fluids

非火山地帯の熱水変質帯の一つである紀伊半島南部を事例に、変質した砂岩・泥岩に含まれるジルコン、アパタイトのフィッション・トラック年代測定を行うとともに、熱水鉱脈中の石英の流体包有物の希ガス同位体の分析を行った。アパタイトのフィッション・トラック年代は、非変質の四万十累層群の年代(約12Ma)に比べて著しく若い年代(2.7〜5.6Ma)を示す。また、流体包有物のヘリウム同位体比は、現在、湧出している温泉ガスの値と整合的であることから、現在の熱水活動は、鮮新世まで遡る可能性がある。

Impacts of natural events and processes on groundwater flow conditions; A Case study in the Horonobe area, Hokkaido, northern Japan

数万年以上の長期に渡る地質環境の長期安定性を評価するうえでは、隆起・沈降⁄侵食・堆積、及び気候変動などの天然現象を考慮することが重要である。本研究では、日本列島北部の北海道、幌延地域を事例として、同地域の地史に基づいて描いた将来の天然現象にかかわる概念モデルを示す。本研究により、将来生じる可能性の高い地質環境の変遷を描くうえでは、天然現象の相互作用が重要であると結論することができる。

Unusual cooling of Middle Miocene Ichifusayama Granodiorite, Kyushu, Japan

K–Ar and FT analyses were carried out on biotite, zircon and apatite from the Middle Miocene Ichifusayama Granodiorite pluton in Kyushu, Japan in order to reveal the cooling history. The core and rim of the pluton revealed K–Ar biotite ages of 13.39–13.36 and 13.31–13.54 Ma, FT zircon ages of 13.3–13.1 and 12.7–12.3 Ma, and FT apatite ages of 13.1–13.7 and 10.6–10.8 Ma respectively, suggesting that the core cooled, to 100℃ from 300℃, faster than the rim, of which the cooling rate is 〜100℃⁄Ma. The track–length analyses also suggest extremely rapid cooling without a late stage annealing process. The faster cooling of the core in comparison with the rim is unusual. The difference in cooling velocity between the core and rim was possibly caused by an influence of paleotopography.

Variations in the 3He⁄4He ratios of hot springs on Shikoku Island, southwest Japan

西南日本の前弧域における温泉ガスのヘリウム同位体比の分布を明らかにするため、これまでデータが得られていない四国地方を対象に温泉ガスの採取、分析を行った。その結果、東北日本の前弧域の温泉に比べて高いヘリウム同位体比が四国全域で認められた。沈み込み帯の前弧域におけるヘリウム同位体比の異常については、スラブから脱水した流体によって運ばれるマントル起源の³Heの影響が指摘されている。しかしながら、四国下の地殻内地震の活動が極めて乏しいこと、震源メカニズムが圧縮応力場を示すこと等を考慮すると、深部流体による³Heの寄与は小さいと考えられ、ヘリウム同位体比の分布は、中新世の火成岩体、地殻及び大気起源のヘリウムの混合によって説明できる。

Deep structure of the Miocene igneous complex in the Kii peninsula, Southwest Japan, inferred from wideband magnetotelluric soundings

An overview of a natural analogue study of the Tono Uranium Deposit, central Japan

The basic concept of deep geological disposal of high-level radioactive waste is to isolate the waste from the human environment for the long term. Because the Japanese islands are located in a geologically active area, geological phenomena such as exhumation and fault activity must be considered by any safety assessment connected with deep geological disposal. The Tono Uranium Deposit, central Japan, has been affected by such geological phenomena during the interval since its formation, and so it is a suitable analogue for evaluating how this might be done.
The present natural analogue study of the Tono Uranium Deposit (Tono Natural Analogue Project) was started in 2001 with the main aim of studying a so-called ’worst-case scenario’ for performance assessment (PA). The project involved characterizing the geology, hydrogeology, geochemistry and microbiology of the deposit and obtaining quantitative information about specific times in the past, as a means for developing, and building confidence in, conceptual and numerical models.
This project applied systems analysis, which has been widely undertaken in PAs of deep geological isolation. Systems analysis involves a systematic identification, classification and screening of features, events and process (FEPs) that occur or have occurred in and around the deposit. Based on the site data, important FEPs were identified.

Geochemical constraints on the origin and stability of the Tono uranium deposit, Japan

Data characterizing the mineralogy, hydrochemistry and geomicrobiology of the Tono region of central Japan were used to interpret geochemical constraints on the origin and stability of the Tono Uranium Deposit. The derived constraints are compatible with models of deposit formation, which call for leaching of uranium from the upper weathered zone of the Toki Granite by relatively oxidizing groundwaters that are near-neutral to moderately alkaline and carboniferous. The oxidizing groundwaters then migrate into mudstones and sandstones of the overlying Toki Formation, where the uranyl species is reduced by water?rock-microbe interactions to uranous species, sorbed by various detrital and authigenic phases and eventually precipitated as uraninite, coffinite and the metastable, amorphous hydrous oxide, UO2(am).
Formation of the Tono deposit may have been more or less continuous up to the present time. The modern hydrochemical system, upon which the genetic model is based, began to evolve about 15 Ma when seawater was flushed out of the sedimentary cover and basement granite by fresh, meteoric waters during a period of uplift and erosion preceding Pliocene to Pleistocene sedimentation. Recharge with meteoric water continued to the present, which suggests that palaeohydrochemical conditions were probably similar to those observed in the region today when the Tono deposit began to form about 10 Ma.
Redox environments in the Tono region inferred from in-situ Eh measurements in deep boreholes and calculated potentials for the SO₄^2-/HS^- redox couple appear to be controlled by heterogeneous reactions involving Fe(III)-oxyhydroxides. Metastable equilibria and particle-size effects associated with these reactions produce a range of possible redox environments that are equally compatible with both the relatively oxidizing and reducing groundwaters of the Toki Granite. This compatibility extends to sedimentary porewaters, where the redox environment is also controlled by microbially mediated sulphate reduction, oxidation of organic matter and precipitation of sulphide minerals. Redox conditions have been stable during at least the past several tens of thousands of years based on palaeoredox indicators interpreted from the trace element contents of fracture calcites. The pH and carbonate contents of palaeogroundwaters and modern groundwaters of the Tono region were, and are, controlled mainly by calcite equilibrium.