高レベル放射性廃棄物の地層処分研究開発

Geological disposal: KM challenges and solutions

放射性廃棄物の地層処分には、知識マネジメント（KM）に関わるもっとも興味深い問題が凝縮されている。これらのなかには、指数関数的に膨れ上がる関連情報を参照しつつ多岐にわたる様々な学問分野から知識を収集し、これを統合することや、一世紀以上にわたって継続するプロジェクトにおいて暗黙知を表出化し保存すること、さらには、厳密な方法にしたがった情報品質の保証、情報に基づくあらゆるステークホルダー間の対話の促進といったものが含まれる。こうした問題は従来の知識マネジメントのアプローチでは対応することができないことが次第に明らかになってきており、日本においては、５年前より、21世紀の知識マネジメントシステム（KMS）と呼ぶにふさわしいシステムの確立を目指したプロジェクトを開始した。この取り組みにあたって特に留意したのは、類似のKMプロジェクトにおける成功と、とくに失敗を学びつつ、地層処分以外の分野ですでに実用に供されているアイデアや技術をできるだけ利用しようとしたことである。本KMSはなお開発途上にあるものの，インターネットを使ったプラットフォームがすでに機能しており、知識ベースや知識工学（KE）ツールへのユーザーフレンドリーなアクセスとともに、主要なステークホルダーグループを対象とした異なる技術レベルでの対話用インターフェイスを提供している。

グラウトデータベースの開発

（独）日本原子力研究開発機構地層処分研究開発部門では、高レベル放射性廃棄物の地層処分に関するグラウト技術開発において、グラウトデータベースを開発しました。グラウトデータベースとは、グラウト材料とグラウト施工に関するデータベースです。前者は地層処分のために新たに開発した低アルカリ性セメント系グラウト材料・超微粒子球状シリカグラウト材料・溶液型グラウト材料に関する物理的・力学的および化学的特性を集約したデータであり、後者は既往のグラウト施工に関する事例を、施工概要（施工目的等）・設計施工条件（地質、地下水、割れ目等）・グラウト仕様（注入工法、配合等）の観点から集約したデータです。本データベースの利用では、ユーザ管理システムを導入し、データ利用上の利便性とユーザ情報の安全性を高めています。本データベースは、原子力機構のホームページ（https:⁄⁄groutdb.jaea.go.jp⁄grout⁄)を通じて誰もが利用可能です。今後、グラウト設計、施工に関してさらに有用な経験や知見が提供できるよう、データベースの質・量を継続的に改良・更新していく予定です。

地層処分におけるグラウト技術の高度化研究（その2） —結晶質岩サイトにおける水理地質構造評価事例—

日本原子力研究開発機構は、スイスのグリムゼル岩盤研究所において、グラウトの浸透範囲を管理しつつ、グラウト施工を行う実証試験を予定している。本報告では、グラウト注入の対象範囲および注入仕様の設定を目的とした、水理地質構造の調査と評価の結果を取りまとめる。同試験場は花崗岩体中に位置し、グラウトは割れ目を主な経路として移動することから、調査・評価結果を3次元的な割れ目ネットワークモデルを用いて統合・記述した。また、着目する岩体の割れ目帯の方位や深度および水理特性を可能な限り決定論的にモデル内に記載する方針を採用したことで、同モデルを施工計画の基盤情報として活用することが可能となった。さらに、同モデルにアップスケーリング手法を適用することで、試験エリアの透水テンソル場を構築し、グラウトの浸透範囲を予測するグラウト浸透モデルへの提供情報とした。

粒状体個別要素法によるHLW処分坑道における熱–応力連成解析

本研究では、HLW地層処分において廃棄体定置後にニアフィールド環境に生じる熱–水–応力連成現象を評価することを目的とし、まずは粒状体個別要素法を用いた岩盤を対象とした熱–応力連成解析モデルの開発を行った。さらに、スウェーデンのエスポ地下研究所で実施された室内及び原位置試験結果と数値解析結果の比較により開発した熱–応力連成解析モデルの検証を行った。その結果、掘削による応力解放および加熱による岩盤内の亀裂進展をシミュレーションによって表現することができ、原位置試験で観測された結果と比較的よい一致を示すことがわかった。しかし、定量的により精度の高い解析を行うためには、今後、粒子の微視的パラメータの温度依存性などといった更なる改良が必要である。

MIX DESIGN OF LOW pH CEMENT SHOTCRETE IN HIGH LEVEL RADIOACTIVE WASTE REPOSITORIES

多様な地質環境条件に適用するため、高レベル放射性廃棄物処分場を対象とした低アルカリ性吹き付けコンクリートの一般化された配合選定手法を提案する。本手法には2つの改善点がある。一つが低アルカリ性を担保する統合材の配合を事前に選定すること、もう一つが強度を担保するために水セメント比を設定することにある。これらの手法はこれまでの吹き付けコンクリートの配合選定手法に幌延深地層研究センターの地下坑道への適用を念頭に置いた研究の成果および既往のコンクリート配合選定手法が加味されている。

Distinct element modeling for Class II behavior of rock and hydraulic fracturing

本研究では、個別要素法(DEM)を用いて新たに構築した数値解析法を示し、岩盤工学における二つの問題についての物理現象およびメカニズムの解明のためのDEM解析を実施した。まず、半径方向のひずみを制御した一軸圧縮試験のDEM解析を行い、岩石のクラスII挙動を解析した。その結果、DEM解析によりクラスII挙動が再現可能であること、岩石の載荷条件がクラスII挙動に重要な役割を果たしていることがわかった。次に流体を連成させたDEM解析により水圧破砕の解析を実施した。その結果、水の浸透挙動は水の粘性に依存することを示した。粘性が低い時は、水は亀裂にすみやかに浸透し、粘性が高い時は、亀裂の発生・伸展の後、亀裂へゆっくり浸透した。さらに従来の理論と同様にDEM解析においても引張亀裂が優先的に発生した。しかし、岩石の引張強度は圧縮強度よりも小さいため、引張亀裂から放出されるエネルギーは小さい。このような小さなAEイベントはノイズと見分けることが困難である。よってAE観察においては、大きなエネルギーのせん断型のAEイベントが優先的に観察された。

Numerical Simulations for the Coupled Thermal–mechanical Processes in Äspö Pillar Stability Experiment —Continuum and Discontinuum Based Approaches—

本研究では、スウェーデンのエスポ地下研究所で結晶質岩を対象として実施された原位置試験（Pillar stability test)を対象とし、2次元粒状体個別要素法（2D-DEM）による熱–応力連成解析を適用し、原位置における計測結果との比較を行った。解析においては、新たに熱の移動および熱–力学連成項を定式化し解析コードに導入した。また、原位置試験の解析結果は3次元有限要素法（3D-FEM）によるものと比較を行い、新たに開発した解析コードの妥当性を検討した。試験中の主応力・温度などの変化は原位置試験における観測結果および3D-FEMによる解析結果と定性的に良好な一致がみられた。また、掘削・加熱工程において試験孔壁面付近に微小亀裂が発生しており、このことから原位置試験で観察された試験孔壁面での岩盤の破砕、V字型に破壊し欠落する現象について考察することができると考えられる。

Experimental Studies on Penetration of Pulverized Clay-Based Grout

高レベル放射性廃棄物の地層処分においては、廃棄体の定置後、処分のために建設した地下構造物を埋め戻し材、プラグ（粘土、コンクリート）、グラウトといった要素技術により閉鎖し、処分場の安全性に悪影響を与えないようにする必要がある。地下空洞周辺岩盤に存在する掘削影響領域、あるいは周辺岩盤⁄支保工間などは、将来的に水みちとなる可能性がありえる。これらの水みちになりうる部分に対しては、埋め戻し材やプラグによっての対応を行うとともに、必要に応じたグラウトの施工によってこれら閉鎖要素の機能発揮を補助することも考えられている。ここでは、これまでプラグ周りのグラウト材として、釜石鉱山及びカナダ原子力公社の地下研究施設でその適用性を検討してきた粘土系グラウトに関して、浸透性の向上を目的とした、材料の微粉砕化についての基礎的検討を行った。その結果、粘土系グラウト材料の微粉砕化による浸透性の向上が認められた。

Long term integrity of overpack closure weld for HLW geological disposal Part 2 - corrosion properties under anaerobic conditions

炭素鋼オーバーパックの長期健全性を予測するため、還元条件下での炭素鋼溶接部の腐食挙動が調べられた。本研究で用いた試験片は3つの溶接方法（GTAW、GMAW、EBW)から作成された。各試験片には全面腐食が観察され、溶接部における腐食速度は母材と同等かそれ以下となった。浸漬期間中に吸収された水素量は3年間で2.48x10^-5mol⁄kg–Fe(0.05ppm)以下であり、水素脆化の影響がほとんどない値となった。水素脆化感受性は母材で最も大きく、溶接による悪影響はほとんどないことが示された。溶接された炭素鋼オーバーパックは還元条件下で期待される寿命期間中耐食性を有すると考えられる。

珪藻質泥岩の水分量変化に伴う物性変化に関する研究

地下施設建設時における坑道内の空気の循環等に伴い、坑道近傍の岩盤の透水性等の物理特性が掘削前と異なることが知られている。地層処分場を想定した場合、これらの影響を考慮することは、施設の健全性に加え長期に亘る安全性を評価する上で極めて重要となる。しかし、物理特性の変化の程度や範囲を評価する手法は確立されていない。そこで、評価手法の整備の一環として、北海道幌延町の原子力機構の地下研究施設で採取した珪藻質泥岩を用いた乾燥変形試験を実施し、乾燥に伴う岩石の変形挙動等を検討した。その結果、乾燥変形挙動が層理面に対して異方性を示すなどの挙動の特徴を確認できた。乾燥速度の温度依存性等から、物性試験時の留意点や挙動のモデル化に必要な基礎情報を取得できた。

室内試験による塩淡境界部における塩濃度分布の光学的評価

塩水系地下水が存在する場合、淡水系地下水との密度差により地下水の流動が複雑化すると考えられる。さらに放射性廃棄物の地層処分においては、緩衝材候補等人工バリアシステムの特性が塩水系地下水によって変化することが知られている。塩水系地下水が存在する場合の地下水流動挙動を、原位置調査により評価する場合、多大な調査が必要になるため、数値解析による評価が中心となっている。しかしながら浸透流に移流・分散と密度流を連成した複雑な解析を行う必要があり、定性的には十分なコードの検証が行われているものの、原位置のデータ等による定量的な検証が十分ではない。今回、塩水系地下水が存在する場合に起きる現象の一つである塩水楔現象について、楔の形状のみならず淡水と塩水の境界部の塩濃度分布を定量的に測定することができたので報告する。

POLYMER MODEL OF ZEOLITE THERMOCHEMICAL STABILITY

高レベル放射性廃棄物の地層処分において、地下坑道の掘削、施工段階での湧水対策としてセメント系グラウトが用いられた場合、岩盤の長期的な劣化等による化学場の変化が予想される。化学場の変化は、地層処分の性能評価における核種移行評価に影響を与えるため重要である。沸石類は、セメント系グラウトと岩盤との反応で生ずる変質生成物の一つである。化学場の長期的な変化を評価する場合、沸石類の様な変質生成物に対する熱力学データが必要となる。本報告では、沸石類を対象に、信頼性の高い熱力学データを整備するため、既往の経験的な計算手法を改良し、実験値との整合性の高い、より信頼性の高いデータを導出するモデルを提案した。また、本モデルを用いることで、沸石類以外の重要な変質生成物（粘土鉱物等）の熱力学データ導出への適用可能性も示唆された。

Thermodynamic Interpretation on Solubility of Neptunium, Technetium, Selenium and Palladium in Nitrate and Ammonium Solutions

硝酸およびアンモニア水溶液中におけるネプツニウム、テクネチウム、セレンおよびパラジウムの溶解度に対する熱力学的考察を、日本原子力研究開発機構が整備した熱力学データベース(JAEA-TDB)を用いて実施した。熱力学計算においては窒素の酸化還元に特に注意する必要があることがわかった。本研究で用いた実測データはJAEA-TDBを用いた熱力学計算である程度説明できることがわかったものの、硝酸が溶液系の酸化還元状態に影響を与えること、および窒素の挙動に注目した実験研究が必要であることがわかった。

Dependence of fracture geometry and spatial variation in pressure on hydraulic conductivity in rock fractures

自然の亀裂中の開口部は不均質な分布を呈するにもかかわらず、一般に均質な平行平板モデルで表現され、亀裂の透水特性の評価には三乗則が適用される。平行平板モデルで三乗則が適用されるのは、レイノルズ数が1.0以下であり、移流項が流れに影響しないことが知られている。本研究では、レイノルズ数が1以下の条件下での単一亀裂透水実験に対し、移流項を考慮したモデル（2Dモデル）による２次元浸透流解析を行った。得られた結果から、局所レイノルズ数の評価と三乗則成立に加えて2Dモデルの検証に関する検討を行った。

An Investigation of Microbial Effect as Biofilm Formation on Radionuclide Migration

高レベル放射性廃棄物についての微生物影響評価の一環として、マトリックス拡散に対するバイオフィルムの影響をシナリオと実験データにより検討した。バイオフィルム中の放射性核種の拡散としてCsについて実験したところ、実効拡散係数が自由水中の拡散係数より低いものの、岩石に比べると桁違いに大きいことが示された。バイオフィルムのマトリックス拡散への影響は少ないことが示唆された。

Consequence Analysis of Fluvial Erosion Scenarios for a HLW Repository

隆起・侵食の継続による高レベル放射性廃棄物処分場への影響は処分後の遠い将来においてのみ想定され得るものの、評価の時間枠が定められていないわが国では、隆起・侵食シナリオを評価しておくことが求められる。このため、河川の下刻による段丘の形成を含む地形の超長期の変遷に関する地質学的記録の文献調査を踏まえ、現実的な現象理解に基づく下刻侵食モデルを構築した。このモデルに基づきフラックスを指標として処分場の下刻侵食による影響を評価することにより、処分システムの有効性と頑健性を例示した。

堆積軟岩における大深度立坑掘削に伴う壁面崩落現象

日本原子力研究開発機構は、北海道幌延町に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ために地下研究施設の建設を進めている。同施設では、新第三紀堆積岩に、換気立坑(内径4.5m)と2本のアクセス立坑(内径6.5m)をショートステップ工法にて深度500m程度まで掘削する。掘削対象となる岩盤の一軸圧縮強さは25MPa以下であり、深度250m〜350mには、立坑の掘削径以上の連続性のよい不連続面が多数分布する。複数の立坑を順次掘削していく中で、作業安全性の確保や掘削工程の遅延、支保部材の損傷等の抑制のために、先行する換気立坑の施工にて、立坑掘削に伴う岩盤壁面の崩落現象を分析し、その結果を後続の東・西立坑の施工にフィードバックすることが重要となる。そこで、透水性の高い割れ目帯が分布する深度250m以深の施工前に、ボーリング調査結果とプレグラウト工の実績から3次元地質構造モデルを構築し、立坑掘削に伴う壁面の崩落危険区間を設定した。換気立坑の掘削では、立坑壁面の崩落状態を評価するために、3次元レーザースキャナーにより壁面形状を計測した。その結果、掘削に伴う立坑壁面の崩落発生区間は、崩落危険区間とよく整合し、また、断層上面にて小崩落が確認されたものの、ショートステップ工法では「高抜け」の抑制に効果的であることが明らかとなった。

瑞浪超深地層研究所での研究事例に基づいた等価連続体モデル化手法の適用に関する一考察

日本原子力研究開発機構では地層処分技術に関する研究の一環として、超深地層研究所計画を進めている。超深地層研究所計画における岩盤力学分野では、研究坑道の掘削に伴い周辺岩盤に生じる掘削影響の評価方法の構築を課題の一つとして設定して調査研究を行っている。その中で本報では、瑞浪超深地層研究所において研究坑道を利用し、等価連続体モデル化手法の一つであるクラックテンソルによるモデル化領域設定のための検討結果を報告する。クラックテンソルの算出では、坑道壁面などの曲面状の壁面に現れる割れ目のトレース長の算出が必要であり、本研究では、その算出方法を新たに提案した。また、算出されたクラックテンソルについて、岩盤等級との関係を検討した。

長期岩盤挙動評価技術への適応性検討（その2） コンプライアンス可変型モデルのパラメータ設定方法と岩盤挙動評価への適応性検討

岩盤の長期挙動の一つとしてクリープ現象があり、それを表現するモデルの一つとしてコンプライアンス可変型モデルがある。これまでの多くの岩盤クリープに関する検討は、対象とする岩質に対して一軸圧縮試験等からモデルパラメータを取得し、それを用いた2次元の解析を実施してモデルとパラメータ値の検証がなされているものが多い。そこで、本検討では主立坑建設時に実施されたパイロットボーリングの岩石コアを用いて各地質区分における一軸圧縮試験からモデルパラメータの設定を行った。さらに、同定されたパラメータを用いて3次元の掘削解析を実施して、実測値との比較を行った。検討の結果、概ね実測値を再現できパラメータの同定方法並びに解析手法の妥当性を確認した。

地盤リスクという観点からみた地質調査の意義に関する研究

本研究は、地下構造物建設プロジェクトにおける岩盤の不連続面の不確実性に起因する建設・対策工のコスト変動リスク（以下、地盤リスクと称す）に着目し、反射法弾性波探査などの地質構造を面情報として捉える地質調査、あるいはボーリング孔の観察などの点情報として捉える地質調査のそれぞれが、地盤リスク変動に及ぼす影響を事後評価の観点から定量的に評価するものである。具体的には、不連続性岩盤における立坑掘削工事事例をもとに、地盤リスクとして地下建設プロジェクトにおける突発湧水リスクをコスト次元で示すことで定量的なリスク評価を行った。その結果、地質調査を実施することにより一時的に地盤リスクは増加するが、更なる地盤情報の蓄積により地盤リスクを低減することが可能となることが示された。

水平坑道の掘削に伴う坑道周辺の間隙水圧・岩盤水分量モニタリング —幌延深地層研究所140m調査坑道での測定—

日本原子力研究開発機構では、高レベル放射性廃棄物の地層処分に関する研究開発として、幌延深地層研究計画を進めている。その中で、地下施設の建設に伴う坑道掘削影響試験の一部として、水平坑道近傍を対象に坑道の掘削前から掘削後にかけて、間隙水圧および岩盤水分量のモニタリングを約1年半にわたり実施した。その結果、水平坑道の掘削時には間隙水圧、水分量ともに明瞭な低下が認められた。坑道掘削後の間隙水圧は勾配が緩やかになりながら低下し、現時点でも正の間隙水圧を示している。一方、岩盤水分量は掘削後約半年が経過した頃から増加し、およそ5ヶ月後に再び減少するという挙動を示した。地下水中の溶存ガスの脱ガスが偏在的に生じている状況を考慮すると、坑道周辺では不均質な不飽和領域が形成されていると推察される。

岐阜県南東部に分布する中新統瑞浪層群および岩村層群のフィッション・トラック年代

東濃ウラン鉱床では、様々な地質学的事象を被りつつも長期間にわたってウラン系列核種が保持されてきている。このような天然の事例を活用し、地質学的な変動帯に位置する我が国の地質環境中における核種の保持・移行挙動についての理解を深めることは、地層処分の安全性に対する信頼性をさらに向上させる上で有益である。このためには、ウラン鉱床においてどのような地質事象が起こったか、そしてその地質事象が核種の移行・保持にどのような影響を及ぼしたかを明らかにする必要がある。東濃ウラン鉱床を胚胎する中新統瑞浪層群の堆積年代は、従来、層序学的・古生物学的研究に基づいて推定されてきたのみであり、個々の地質事象の発生時期の特定が困難であった。そこで瑞浪層群と瑞浪層群に隣接して分布する岩村層群に挟まれる凝灰岩中のジルコンを用いたフィッション・トラック年代測定を行った。その結果、瑞浪層群の堆積年代は20–15Maであると推定されるとともに、瑞浪層群を構成する各層の堆積年代が明らかになった。岩村層群についても年代測定結果に基づいて各層の堆積年代が推定された。なお、岩村層群においては年代測定値として初めての報告である。

Study on Connectivity of Water-conducting Features in a Fractured Rock Based on the Fluid logging and Hydraulic Packer Testing

亀裂性岩盤中の水みちの連結性を推定する調査解析手法を構築した。初めに水みち（WCF）を高い解像度で検出する上で最も効果的な手法の一つである流体電気伝導度検層（FFEC）を実施した。次に検出された水みちを対象に水理試験（HT）を実施した。この結果に基づいて圧力変化の時間微分に基づく透水量係数換算値であるTNP（Transmissivity Normalized Plot）で整理した。このTNPは透水量係数の時間変化とみなすことが可能である。上記の一連の手法をボーリング孔の複数の破砕帯を対象に実施した。その結果、多くの水みちのTNPは破砕帯全体のTNPとほぼ一致した。また、水みち毎の水質データについても概ね一致している。 以上により、FFECに基づいて抽出された水みちを対象に実施した水理試験結果を基にTNPで整理する方法は、水みちの連結性を評価する上で有効なツールであると結論する。

Investigation of rock mechanics at Horonobe Underground Research Laboratory — Present status and Future plan —

原子力機構は、堆積岩を対象とした地層処分技術の信頼性を向上させるために、2001年より、北海道北部の幌延町にて、幌延深地層研究計画を実施している。この研究計画は、第1段階「地上からの調査研究段階」、第2段階「坑道掘削（地下施設建設）時の調査研究段階」、第3段階「地下施設での調査研究段階」の3つの段階からなり、全体で約20年を予定している。岩盤力学および工学分野の調査においては、第1段階では、地下施設の建設対象となる岩盤の物理・力学・水理・熱などの特性に関する基礎データと地下施設エリア周辺の地圧の空間分布を把握する。第2段階では、地下施設の建設を行いながら、第1段階の結果の妥当性の評価と坑道掘削に伴う掘削影響領域の程度や発達機構を調査する。第3段階では、坑道内に定置された人工バリアの周辺岩盤や掘削影響領域の長期的な挙動の調査を行う。本紙面では、これまでに得られた第1および第2段階の結果と今後350m坑道にて実施する調査研究計画を述べた。

Interpretation of Hydrogeological Characteristics based on Data from Long-Term Cross-Hole Pumping Test

結晶質岩中の地下水流動特性は、断層の分布やその特性によって不均質を有する。そのような水理学的な不均質性の不確実性は、高レベル放射性廃棄物の地層処分における安全評価に影響を及ぼす要因の1つであることから、断層の水理特性および物質移行特性の評価は重要な調査項目と考えられる。 研究対象領域に分布する主要な断層の水理学的特性の評価を目的として、長期揚水試験を実施した。揚水試験の結果、断層の両側に位置する水圧観測孔では、大きく異なる水圧応答が観測された。水圧観測孔における水圧応答からは、水理学的なコンパートメント構造を含む既存の地下水流動の概念モデルの妥当性が確認されたとともに、新たな水理学的コンパートメント構造の存在の可能性が示唆された。
本研究によって、長期揚水試験が不均質な亀裂性岩盤の水理特性を評価するための有効な調査手法であることが示された。

STATUS OF THE HORONOBE UNDERGROUND RESEARCH LABORATORY PROJECT, HOKKAIDO, JAPAN, AND FUTURE PLAN

幌延深地層研究計画は、オフサイトの地下研究施設として、堆積岩（泥岩）と塩水系地下水を対象とし、2001年から北海道北部の幌延町で実施している。全体で20年程度の計画であり、3段階（地表、坑道掘削時及び坑道に於ける調査研究段階）に分けて進めている。第1段階は2005年度に終了し、2005年11月から第2段階を開始した。地下施設は、換気立坑と2本のアクセス立坑（東及び西）の他、複数の水平坑道（深度140m、250m、350m、500m）から構成される。2010年度の前半までに、換気と東立坑を深度250mまで掘削し、深度140mの水平坑道が完成した。また、深度250mの水平坑道が換気と東立坑間で貫通した。地下施設周辺の地層は、主に声問層（上層）と稚内層（下層）で構成される。これまでに、深度140mの水平坑道では、地質環境や工学技術に関する原位置試験やモニタリング、例えば、掘削影響（EDZ⁄EdZ)に関する測定（弾性波トモグラフィーなど）、孔間水理試験、地圧測定、低アルカリ性コンクリートの吹付け施工試験などを実施した。現在、地下水化学のモニタリング、EDZ⁄EdZに関する測定、水–岩石–微生物系での酸化還元能に関する原位置試験などを実施している。第2段階と並行して、2010年度の後半からは第3段階を開始した。第3段階の研究では、様々な原位置試験を計画している。本論文では、原位置試験の現状と得られた成果に加えて、第3段階での計画について述べる。

Technical Know-How of Site Descriptive Modeling for Site Characterization

地質環境モデルの不確実性を評価すること、及び不確実性に対する影響因子を抽出するとともに、その重要度を評価することは、調査計画を策定する上で重要である。地層処分の観点からは、地質環境モデルとしては、現時点の地質環境を対象としたものと、地質環境の長期変化を考慮したものの両者がある。この地質環境モデルを構築する上では、多くの技術的ノウハウが存在し、技術基盤整備の点からは、それらを保管・管理することが必要となる。本研究では、瑞浪における超深地層研究所計画や幌延深地層研究所計画での経験に基づき、既存情報収集から地質環境モデルの構築、調査計画立案までの包括的フローを構築するとともに、地質環境モデル構築に関する作業フローや技術的ノウハウなどについて取りまとめた。

Development of Comprehensive Techniques for Coastal Site Characterisation: Integrated Palaeohydrogeological Approach for Development of Site Evolution Models

地層処分システムの長期的な安全性の評価においては、地質環境の有する安全機能が長期にわたり維持されることを示すための解析結果や論拠の整備が不可欠である。このためには、まず対象とする地質環境特性の過去から現在に至る変遷の評価が重要であり、その結果に基づき、将来にわたる地質環境特性の変遷を考慮した安全機能の維持や両者の関係性が評価される。わが国においては、とくに地形変化や気候・海水準変動に伴う沿岸域の地質環境特性の長期変遷の評価が重要であり、このための総合的な調査・評価技術の整備が課題となっている。原子力機構では、沿岸域における地質環境特性の長期変遷をモデル化する手法の開発を目的として、北海道幌延町の沿岸域を事例として過去数百万年前から現在までの地史に基づいた古水理地質環境の概念モデルを構築し、長期の地下水流動解析に必要な地質環境特性やプロセスを抽出するとともに、初期条件や境界条件の範囲を適切に設定するための方法論を整備した。

Three-dimensional cooling pattern of a granitic pluton II: The study of deuteric sub-solidus reactions in the Toki granite, Central Japan.

本論文は、西南日本内帯の中部地方に位置する土岐花崗岩体の冷却過程を、岩体内でのサブソリダス組織の発達の程度を通して明らかにした。サブソリダス反応組織とは、結晶化が完結する温度（ソリダス）以下での物質移動により形成される組織であり、花崗岩体のソリダス温度以下での冷却過程の指標となる組織である。土岐花崗岩体中のサブソリダス組織は2つの温度ステージ（離溶期、熱水期）があること、それぞれの温度条件は地質温度計を用いることにより離溶期が780-690℃、熱水期は500℃以下であることを明らかにした。熱水期に形成されるサブソリダス組織（パッチパーサイト、ミルメカイトおよび反応縁）の発達の程度は、標高が下がるにつれ増大することに加えて、水平方向の変化についても西側縁からの系統的に増大する傾向が認められる。これは、土岐花崗岩体が熱水期において天井部境界と西側壁部境界からの系統的に冷却することを意味する。

Three-dimensional cooling pattern of a granitic pluton I: The study of exsolution sub-solidus reactions in the Toki granite, Central Japan.

本論文は、西南日本内帯の中部地方に位置する土岐花崗岩体の冷却過程を、岩体内でのサブソリダス組織の発達の程度を通して明らかにした。サブソリダス反応組織とは、結晶化が完結する温度(ソリダス)以下での物質移動により形成される組織であり、花崗岩体のソリダス温度以下での冷却過程の指標となる組織である。土岐花崗岩体中のサブソリダス組織は2つの温度ステージ(離溶期、熱水期)があること、それぞれの温度条件は地質温度計を用いることにより離溶期が780-690℃、熱水期は500℃以下であることを明らかにした。離溶期に形成されるサブソリダス組織の発達の程度は、標高が下がるにつれ増大する傾向にある。これは離溶期における土岐花崗岩体の天井部境界からの鉛直方向の系統的な冷却を示す。熱水期に形成されるサブソリダス組織の発達の程度は、標高が下がるにつれ増大することに加えて、水平方向の変化についても西側縁からの系統的な増大する傾向が認められる。これは、土岐花崗岩体が熱水期において天井部境界と西側壁部境界からの系統的に冷却することを意味する。

Thermochronology and the three-dimensional cooling pattern of a granitic pluton: an example from the Toki granite, Central Japan

花崗岩体の冷却過程の知見を得ることは、地殻の進化を考える上で非常に重要な課題である。また応用地質学的観点における花崗岩体中の割れ目の分布特性を理解する上でも重要な視点となる。なぜなら冷却に伴う応力は割れ目分布に影響を与えると考えられているためである。
本紙は、中部日本に位置する土岐花崗岩体の3次元的な冷却パターンを、閉鎖温度の異なる鉱物の年代測定を通して明らかにした。土岐花崗岩体は以下の年代値を有する：ホルンブレンドK-Ar年代74.3±3.7Ma(閉鎖温度510±25℃;n=2)、黒雲母K-Ar年代78.5±3.9〜59.7±1.5Ma(300±50℃;n=33)、ジルコン・フィッショントラック年代75.6±3.3〜51.9±2.6 Ma(240±50℃;n=44)、カリ長石K-Ar年代70.8±3.5〜57.7±1.3 Ma(150±20℃;n=21)。これらの黒雲母K-Ar年代とジルコン・フィッショントラック年代をサンプリング地点(11本のボーリングコアと7つの露頭)に3次元的にプロットおよび空間補完することで、岩体内の年代値の空間分布を得た。この結果、黒雲母K-Ar年代とジルコン・フィッショントラック年代の年代値の分布は類似したパターンを持つことを明らかにした。この年代値の分布は、それぞれの鉱物の閉鎖温度当時においての、岩体内の冷却パターンと読み替えることができる。このことは、黒雲母K-Ar年代とジルコン・フィッショントラック年代の閉鎖温度がある300℃から240℃の間に、土岐花崗岩体は天井部および西側境界部からの冷却を被ったことを示す。

緑色普通角閃石中のガラス包有物の主成分化学組成を用いた広域テフラの対比：阪手テフラを例として

阪手テフラは、近畿・北陸地方のK–Ah、AT間の堆積物中に普通角閃石・カミングトン閃石が含まれるという特徴で識別されてきた。また、両斑晶の屈折率などで識別精度を向上させているが、十分な岩石記載により対比されているとは言いがたく、給源も明確に議論されていない。テフラ層に含まれる斑晶のガラス包有物の主成分を分析することで阪手テフラと同定できれば、同テフラの識別精度が飛躍的に向上する。本研究では、阪手テフラとされた各々のテフラ、及び給源と目される三瓶浮布テフラについて詳細な岩石記載を行った。結果、個々の地点における岩石記載からそれぞれのテフラが対比でき、かつ給源を明らかにすることができた。特に、薄層・風化した阪手テフラの普通角閃石中のガラス包有物の主成分が、同テフラの同定に極めて有効であることが明らかになった。

Tectonic Tilting and Coseismic Subsidence along the Yoro Fault System Revealed from Upper Holocene Sequence in the Nobi Plain, Central Japan

養老断層下盤側濃尾平野で掘削された24の浅層コアデータの解析によって、河道の西方への移動と一時的な相対的海水準上昇が起こった可能性が示された。コア堆積物はデルタシステムとそれを覆う河川システムからなる。北部の氾濫原地域の堆積相の累重パターンと14C年代から、約2300年前に河道の西方への移動が起こった可能性が示された。南部の三角州平野地域では後背湿地堆積物中に高電気伝導度、汽水〜海水生珪藻の産出が認められ、1600〜2700年前に一時的な相対的海水準上昇が起こった可能性を示す。河道の西方への移動と一時的な相対的海水準の上昇は同時性が認められ、これらのイベントの原因として(1)養老断層の活動による傾動沈降、(2)中世の海進、の2つの可能性が挙げられる。沿岸域の断層周辺の浅層コアの堆積相解析と年代測定によって、断層運動と海水準変動の複合的な地殻変動を精度良く把握できることが明らかになった。

Quaternary volcanism along the volcanic front in Northeast Japan

東北日本の火山フロント付近の火山からのマグマ噴出量および年代のコンパイルを行い、過去200万年間の島弧スケールでの火山活動の特徴を明らかにした。その結果、約1Ma（現在から100万年前頃）を境に、1）噴火様式の変化（カルデラを伴う噴火→成層火山を伴う噴火）、2）マグマ噴出量の増大（0.19km³⁄ky→0.64km³⁄ky)、3）マグマ化学組成の変化（ソレアイト系列→カルクアルカリ系列）が認められる。また、火山フロント付近の断層運動の開始も約1Ma頃であり、逆断層の発達により第四紀火山の基盤となる脊梁山地も急速に隆起した。なお、今回の解析にあたっては第2次取りまとめの際に作成した第四紀火山カタログのデータを使用した。

DEVELOPMENT OF A METHODOLOGY FOR THE CHARACTERISATION OF THE LONG-TERM GEOSPHERE EVOLUTION (2)ESTIMATION OF THE LONG-TERM EVOLUTION OF GROUNDWATER FLOW CONDITIONS IN A TONO AREA CASE STUDY

原子力機構では、東濃地域を事例として、演繹法・帰納法に基づくアプローチを適用した地下水流動特性の長期変遷の推定に関する方法論の開発を進めている。演繹法に基づくアプローチを用いた研究では、地形変化に関する物理モデルと地下水流動解析を組み合わせた手法は、地形・気候変化に伴う将来の地下水流動特性の変化の推定に適用できることを確認した。また、演繹法に基づくアプローチを用いた研究では、幾つかの空間・時間スケールを対象とした古水理地質学的研究を実施した。このうち、広範囲を対象領域とした研究では、長期的な地形変化に伴う地下水流動特性の変化を推定するための方法として、まず広範囲を対象とした粗い精度の古地形の推定と地下水流動解析により、現地調査を含むサイト特性評価を効率的に実施する領域を選定することを提案した。これらの研究を通して、演繹法・帰納法に基づくアプローチは、地下水流動特性の長期変遷の推定に有効であることを確認した。

Identification of Pathways for Hydrogen Gas Migration in Fault Zones with a Discontinuous, Heterogeneous Permeability Structure and the Relationship to Particle Size Distribution of Fault Materials

地層処分の安全性を確保するためには、活断層からの適切な離間距離を設定することが重要な課題となる。断層破砕帯の力学的・水理学的影響を把握するための定量的な指標として、断層破砕帯から放出される水素ガスに着目し、これらの放出量と破砕物質の粒度組成の相関について検討した。その結果、水素ガス原位置測定結果は、粘土で充填された断層コアよりも、クラックの多いダメージゾーンの方が水素ガスの移行経路になりやすいことを示し、粒度分析の結果は、水素ガス濃度の高い花崗岩カタクレーサイトで細粒物質の割合が高くなることを示した。これらは、花崗岩カタクレーサイトでは粒子同士の粘着性が低く、細粒に分解されやすい、すなわち、流体の移行経路になるような微小割れ目・弱面が非常に多いことを示唆している。