高レベル放射性廃棄物の地層処分研究開発

セメントの使用を極力抑えた岩石利用セグメント支保工の開発

高レベル放射性廃棄物の地層処分施設に関し、セメント系材料の使用を極力抑えた坑道の新しい構築方法の開発に取り組み、低アルカリ性モルタルを用いた岩石利用セグメント支保工の成立性や有効性を示すための研究開発を進めている。本研究では、低アルカリ性モルタルを用いた岩石利用セグメント支保工と裏込め材の力学特性値を室内試験により取得し、得られた物性値を用いて坑道の安定性に関する検討を実施した。検討結果より、従来の吹付けコンクリートを主体とした支保工に対して、セメント使用量を大幅に低減し、かつ低アルカリ性モルタルを利用することにより、セメント影響のさらなる低減化を図った支保工の力学的な成立性、有効性を確認した。

地層処分におけるグラウト技術の高度化開発（その1） —プロジェクトの概要と開発技術の適用例—

高レベル放射性廃棄物などの地層処分に求められる性能を満足するグラウト技術の高度化開発プロジェクトに平成19年度より取り組んできた。本報告では、本プロジェクトで開発してきた地層処分に特化したグラウト技術を概括するとともに、本プロジェクトにおいて開発を行ってきた技術をわが国の地層場に適用する際の考え方、許容湧水量の目安、グラウト材料、注入工法及び注入装置等の設計技術と長期影響評価技術の適用例について報告する。

地層処分におけるグラウト技術の高度化開発（その3） —Grimsel Test Siteにおける原位置試験の目的と成果—

日本原子力研究開発機構は、地層処分におけるグラウト技術の高度化研究の一環として、深部1,000m程度までの環境下での注入技術、グラウト材料がバリア材料に与える影響の評価技術、および処分場の建設・操業時に要求される性能を考慮したグラウト材料等の開発に取り組んできた。本報告は、スイスのグリムゼルテストサイトにおいて、グラウト浸透モデルを用いて計画された原位置でのグラウト施工の実証試験結果をとりまとめたものである。同試験では、平成21年度および平成22年度に掘削した3本のボーリング孔から得られた幾何学的亀裂情報、透水試験および孔間での通水確認試験結果を基に、グラウト浸透モデルを用いてグラウト注入試験結果を策定した。それらの情報と平成23年度新たに掘削した3本のボーリング孔から得られた各種データを基に試験結果を見直すことで、グラウト浸透モデルの妥当性を評価するために有益な情報を取得した。

地層処分におけるグラウト技術の高度化開発（その5） —等価多孔質媒体モデルを用いた注入フィードバック解析—

本研究では、亀裂性岩盤における溶液型グラウトの注入・浸透過程のメカニズム解明、およびグラウト浸透範囲の推定・評価を目的として、スイス・グリムゼル岩盤試験場で実施した原位置注入試験のフィードバック解析を実施した。本解析における等価多孔質媒体モデルは、原位置におけるボーリング調査より得られた不連続面幾何学情報をもとに作成した亀裂ネットワークモデルを格子状のセルに分割し、個々のセルに単位動水勾配を3方向から作用させ、等価な透水係数テンソルを算出することにより作成したものである。また、溶液型グラウトをニュートン流体と仮定し、浸透流解析と移流・分散解析を組み合わせることでグラウト注入過程の3次元シミュレーションを実施した。グラウト注入過程は、現地で計測した粘性試験の結果より、粘性の経時変化を時間および濃度の関数として表現することで、透水係数低減関数を算出し、透水場を逐次更新することで表現する。注入圧は原位置注入試験で測定されたものを用い、グラウト注入範囲の推定を行うとともに観測孔で観察されたブレークスルーカーブと比較した。解析結果は定性的によい一致が見られ、多孔質媒体モデルによるグラウト注入解析の妥当性が示された。

地層処分におけるグラウト技術の高度化開発（その7） —結晶質岩における地震前後のプレグラウト領域の地下水流動および水質変化—

日本原子力研究開発機構は、経済産業省資源エネルギー庁からの受託研究「地下坑道施工技術高度化開発」の中で、既存のグラウチング技術の有効性や、その化学的影響に関する調査研究を、平成19年度から実施してきた。本調査研究では、グラウト材が浸透・固化した領域に、水圧・水質連続モニタリングシステムを設置して、物理化学パラメータの連続観測と採水・分析を行い、モニタリング期間中に生じた地震前後のデータの比較から、地震に伴う水圧・水質変化の有無を検討した。その結果、震度3以上の地震では岩盤中の水圧変動は観測されるものの、同一領域内での地下水水質の変化は生じないことが確認された。

スウェーデンAspo地下研究施設において実施されたPillar Stability Testの解析評価（その2） 不連続体解析手法である粒状体個別要素法を用いた解析

国際共同研究「DECOVALEX–2011」は、熱–水–応力–化学連成モデルの開発・確証を目的とした国際共同研究であり、Task B として結晶質岩における連成モデルの開発・確証を行っており、スウェーデンのAspo地下研究施設における実際の高レベル放射性廃棄物の処分環境を模擬したPillar Stability Test を対象とした連成解析を実施している。その中で、原位置試験場における花崗岩の坑道の掘削、加熱および応力解放による亀裂進展挙動に対して不連続体解析手法である粒状体個別要素法を適用した一連の数値解析を行った。解析の結果、得られた亀裂の発生および進展挙動は、原位置試験結果と定性的に一致しており、特に、拘束圧除荷および応力解放に伴う力学的挙動について詳細な検討を行うことができた。

既存亀裂を考慮した粒状体個別要素法によるHLW処分坑道の力学挙動解析

本研究では、スウェーデンのエスポ地下研究所で実施されたHLW地層処分に向けた原位置試験を対象とした、既存亀裂の存在を考慮した二次元粒状体個別要素法による熱−応力連成解析を行った。解析の結果、既存亀裂の割合が多くなるほど一軸圧縮試験および圧裂試験のシミュレーションから得られるモデル全体としてのヤング率や圧縮・引張強さが小さくなり、既存亀裂を導入することで実際の岩石における寸法効果と同様の効果を定性的に再現できることが確認できた。また、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出来、原位置試験で観測された結果と比較的良い一致を示した。

亀裂性媒体におけるセメント系グラウト材料による地下水・岩盤への影響評価手法の開発

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材料によるグラウトが用いられた場合、高レベル放射性廃棄物地層処分の観点では、岩盤の長期的な変質劣化やそれに伴う天然バリア性能への影響等が懸念される。セメント系材料による岩盤等への影響は、地層処分の性能評価において、核種の移行挙動に影響を与えるため、長期的な岩盤変質影響を評価する手法を開発した。また、セメント系材料としては、土木分野で幅広く用いられ実績も多い普通ポルトランドセメント（OPC）以外に、岩盤等への影響を最小限に抑制するためセメント浸出液のｐHを11よりも低く抑えた低アルカリ性セメント（LoAC）の利用が想定されている。そこで、地層処分システムでのセメント系グラウト材料の利用を想定し、本研究で開発した長期的な岩盤変質影響評価手法をもとに、OPCとLoACの場合での変質影響を比較し、セメント系材料の適用性評価に関わる手法や考え方の例を提案した。

Fundamental study on a Grout Penetration Model for a HLW Repository

高レベル放射性廃棄物地層処分場で仕様可能なグラウト浸透モデルとして、室内試験結果にGustafson and Stillモデルを適用し、その有効性を確認した。

Development of Grouting Technologies for HLW Disposal in Japan (2) In–situ Grouting Test Program and Site Investigation Results at the Grimsel Test Site in Switzerland

日本原子力研究開発機構は、地層処分におけるグラウト技術の高度化研究の一環として、深部1,000m程度までの環境下での注入技術、グラウト材料がバリア材料に与える影響の評価技術、および処分場の建設・操業時に要求される性能を考慮したグラウト材料等の開発に取り組んできた。本報告は、スイスのグリムゼルテストサイトにおいて、グラウト浸透モデルを用いて計画された原位置でのグラウト施工の実証試験結果をとりまとめたものである。同試験では、グラウト注入試験の計画立案にあたって、現地の水理地質構造を把握するために平成21年度に予備調査、平成22年度に事前調査と段階的に進められた。段階的なステップを踏むことで、グラウト注入試験を実施する最適箇所を決定するだけでなく、起こりうる可能性のある問題点を抽出しそれらを可能な限り軽減することで、グラウト浸透モデルの妥当性を評価するために必要なデータを所得することができた。

Development of Grouting Technologies for HLW Disposal in Japan (4) — Planning and Results of In–situ Grouting Test —

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施工実証試験を実施した。本稿では、グラウト浸透モデルを用いて計画された原位置でのグラウト施工の実証試験に関し、試験計画の立案、グラウト材料の選定および原位置試験結果について報告する。本試験では、平成21年度から平成23年度にかけて岩盤中の割れ目の幾何学特性や水理特性に関する原位置調査を段階的に進めてきた。原位置調査結果に基づいて、割れ目ネットワークモデルおよび等価透水係数分布で表現したグラウト浸透モデルを構築し、グラウト注入試験の対象とする透水性の高い割れ目あるいは割れ目帯の空間的な分布を推定し、グラウトの注入区間および観測区間のレイアウトを決定した。また、事前に実施した孔間透水試験および孔間トレーサー試験の結果から、試験に適用するグラウト材料を選定した。グラウト注入試験の結果、2つの観測区間においてグラウトの到達を確認することができた。最後に、本実証試験結果を受けて、地層処分場の建設時に適用するグラウトの設計・施工方法について考察した。

The JAEA grouting test at the Grimsel test site: Site characterization of a fractured rockmass and preparation of DFN model and its equivalent continuous porous media model

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とりまとめる。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、着目する岩体の透水性の分布、異方性、割れ目密度および水圧等の水理特性を可能な限りモデル内に記載する方針を採用したことで、グラウト挙動を再現するモデルとしてふさわしいことがわかった。

大阪府八尾市大竹西遺跡出土鉄剣の非破壊分析

大阪府八尾市大竹西遺跡より出土した弥生時代の鉄剣の腐食状態を把握するため、X線CT分析による腐食層の厚さの測定、及びX線回折・蛍光X線(XRDF)分析による腐食生成物の同定と腐食層の組成分析を実施した。その結果、腐食層の平均的な厚さはほぼ全体に均一であった。また腐食生成物として菱鉄鉱（FeCO₃)及び針鉄鉱(α-FeOOH)を確認した。

堆積岩試料における水分量と物性の変化に関する数値解析的検討

地下施設の坑道近傍における岩盤の透水性や強度等の物理特性は、坑道内の空気の循環に伴い掘削前と異なることが知られている。地層処分では、長期に亘る施設の健全性および処分施設の安全性の評価が必要となるため、これらの影響を考慮することが極めて重要となる。そこで、岩盤の水分量変化に伴う物理特性の変化の程度や範囲を評価するための手法整備の一環として、原子力機構が幌延深地層研究計画で採取した堆積岩試料を用いて乾燥変形実験等を実施し、乾燥に伴う岩石の挙動等を検討している。本稿では、実験で得られた岩石の乾燥変形挙動を、岩石の水分拡散係数やその不均質性などを考慮した数値解析によって再現できる可能性を示し、挙動をモデル化する上で重要な基礎情報を取得した。

「Se(�W)/Se(�Y)の標準電極電位に関するサイクリックボルタンメトリーによる実験的研究」の訂正記事

研究論文「Se(�W)/Se(�Y)の標準電極電位に関するサイクリックボルタンメトリーによる実験的研究」において、対象の反応の式量電位を与える式が誤っていた。本報告は、その訂正記事である。

Initial dissolution rate of a Japanese simulated high-level waste glass P0798 as a function of pH and temperature measured by using micro-channel flow-through test method

マイクロチャンネル流水溶解試験法（MCFT法）を用いて、模擬ガラス固化体の初期溶解速度（r0）のpH依存性、温度依存性を評価した。その結果、25℃においてはシングルパスフロースルー法（SPFT法）などによる既往の結果と同様にV字型のpH依存性を示すことが分かった。しかしながら、70、90℃においてはpHが中性の条件でr0が一定となるU字型のpH依存性を示し、SPFT法等と異なる結果となった。また、90℃においては、pHが8から11の範囲でSPFT法と較べてr0が大きく、pH依存性の傾きも大きいことが分かった。温度依存性についてはどのpHにおいてもアレニウス則に従うが、pHの増加に伴ってみかけの活性化エネルギーが増加するという結果となり、溶解メカニズムがpHによって変化することが示唆された。

Selenium Uptake onto natural pyrite

⁷⁹Seは放射性廃棄物の処分サイトの安全評価において重要かつ酸化還元に鋭敏な核種である。水溶液中においてセレンは易溶な陰イオン種（亜セレン酸およびセレン酸）を形成し、負に帯電する一般的な母岩鉱物にはあまり収着しない。しかしながら、セレンは硫化物と強い親和性を持ち、スイス等の放射性廃棄物処分場の母岩である粘土質岩石に微量に含まれている黄鉄鉱と相互作用することが知られている。本研究では、マイクロおよびマクロ径のX線を用いたX線吸収分光法（μ-XRF、μ-XANESおよびEXAFS）を用いて、不活性雰囲気において亜セレン酸およびセレン酸が黄鉄鉱に直接的に収着し、時間（最大8ヶ月）とともに0価に還元されることを示した。この結果は、放射性廃棄物から放出されるSe(IV)が黄鉄鉱表面に収着することで効率的に還元され難溶性となることを示唆している。

LTD Experiment - Postmortem Modelling of Monopole �T

スイスのグリムゼル原位置試験場において原位置長期拡散(LTD)試験が行われた。パッカーで区切られた試験孔内にHTO、Na-22、Cs-134を含むトレーサ溶液を循環させ、2年半の間、トレーサ濃度の減衰が観測された。拡散期間終了後に、オーバーコアリングによって、岩石中のトレーサ分布が分析された。溶液中のトレーサ濃度変化はCsの減衰が顕著であった。また、濃度分布の進展深さは、HTOで20cm, Na⁺で10cm, CS⁺ で1cm程度であった。これらのデータセットに対し、拡散・収着モデルによる解釈が、複数のチームによって、異なるコードを用いて実施され、実効拡散係数(De)と岩石容量因子（α）が導出された。複数のチームによる評価結果は、観測データを概ね再現可能であり、掘削影響による表面部分のDeとαの値が、岩石マトリクス部に比べて大きいことを示唆した。一方で、HTOの結果は実験データと解析結果に大きな乖離が認められ、この点は今後の詳細な検討が必要である。

Drying-induced deformation of Horonobe sedimentary rocks in the Koetoi and Wakkanai formations

岩石の乾燥変形特性は、地層処分の長期の安全性に影響を及ぼす割れ目の影響や掘削影響領域を理解するために必要であり、換気された地下の坑道内では避けられないものである。そこで、乾燥過程における変形挙動を調べるために、声問層および稚内層の円筒形の泥岩試料を対象としてひずみの計測を行った。水銀圧入試験の結果、稚内層は声問層に比べ細孔が占める割合が高く、このことが高い収縮性に寄与していることが明らかになった。稚内層試料はひずみ挙動により2つのグループに分けられ、異なる間隙径分布を有している。そのため、稚内層の両グループは乾燥の過程で明確に異なるひずみ挙動を示す。真密度の類似性、深度に伴う間隙率の減少および細孔が占める割合の漸増は、幌延堆積岩において硬化が進展することを支持している。

Diffusion of Ni in compacted Na- and Ca-montmorillonites: Results from in-diffusion measurements with characterization of solid phases in the system

圧縮Na型及びCa型モンモリロナイト中のNi拡散試験をin-diffusionで行った。圧縮モンモリロナイト中のNi(II)の拡散プロファイル及びXRDにより、Niの拡散機構について検討した。

Diffusion and sorption of Sr²⁺ in compacted sodium montmorillonite as a function of porewater salinity

放射性廃棄物地層処分の安全評価において重要となる圧縮ベントナイト中の核種の収着・拡散挙動を把握・評価するため、圧縮モンモリロナイト中のSrの収着・拡散挙動に及ぼす間隙水の塩濃度影響を、実験とモデルの両面から調査した。密度800kg⁄m³の圧縮モンモリロナイト中のSrの実効拡散係数(D_e)と分配係数(K_d)を、4種類の塩濃度（0.01、0.05、0.1、0.5M)の条件下で取得した。D_eは塩濃度とともに大きく減少した。K_dも同様に塩濃度とともに大きく減少し、バッチ収着試験の傾向性と整合的であった。これらの収着・拡散挙動は、イオン交換を考慮した収着モデル、狭隘間隙中の電気二重層を考慮した拡散モデルを統合した統合収着拡散(ISD)モデルによって解釈された。このISDモデルは、基本的に2価カチオンの収着・拡散挙動評価にも適用できると評価されるものの、特に低塩濃度領域におけるモデルの改良を検討する必要がある。

瑞浪超深地層研究所の建設に伴う地下水水質の変化

本研究では瑞浪超深地層研究所の地下施設である研究坑道の建設に伴う地下水水質の変化を把握するため、研究坑道内において水質モニタリングを実施した。その結果、研究坑道掘削に伴う地下水の流動状態の変化により、水質分布が変化していることがわかった。特に立坑の坑底付近においては、溶存成分濃度が高い深部地下水の上昇による"upconing"現象が生じている。また、地下水のpHは立坑壁面に打設されたセメント等と接触することにより最大で12程度まで上昇し、研究坑道内に流入している。酸化還元電位については、研究坑道掘削前の状態からの変化が推定できるものの、還元環境を維持している。これらの結果は地下施設建設時における地下水水質の変化を把握するための技術基盤が整備されつつあることを示しており、地層処分事業における精密調査を進めるための知見として活用できると考えられる。

円錐孔底ひずみ法とコアディスキングについて —土岐花崗岩における湧水孔での測定結果を例にして—

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の一環として、応力解放法による初期応力測定を実施している。本報告では、地表からの深度200ｍの花崗岩に掘削された坑道内において円錐孔底ひずみ法による測定を実施した際にコアディスキングが発生したため、その発生条件について検討した。その結果、既往のディスキング発生の条件式を支持する等の知見を得た。

瑞浪超深地層研究所における地下深部の水理地質構造調査

高レベル放射性廃棄物の地層処分やエネルギーの地下備蓄などの分野では地下深部の地下水流動に影響をおよぼす構造を適切に把握することが地下施設の設計や物質の移行などを評価するうえで必要不可欠である。地下水流動を規制する地質構造要素としては、透水性の高い水みちや地下水流動を遮るような構造などが考えられる。このうち水みちについては、複数の検層手法を比較検討した結果、電気伝導度検層が最も多くの水みちを検出できることを確認した。またボーリング孔沿いに存在する複数の水みちの連結性は、水理試験時の水圧の経時変化データの時間微分値を透水量係数の時間変化に換算した値を指標とすることが有効である見通しを得た。さらに、複数孔間の水みちの連結性については、孔間水理試験で得られる水頭拡散率が有効な指標となる可能性を示すとともに、同試験の水圧応答挙動から遮水性の構造で囲まれた領域の存在を推定可能であることを示した。

結晶質岩中の立坑掘削を対象とした脆弱部における空洞および周辺岩盤の力学的挙動に関する検討

瑞浪超深地層研究所は、結晶質岩（土岐花崗岩）を研究対象とした深地層の研究施設であり、地層処分研究開発の基盤である深地層の科学的研究の一環として、深地層における工学技術に関する研究開発を目的のひとつとして実施している。現在は、研究坑道掘削と並行し、結晶質岩を対象とした設計・施工計画技術、建設技術、施工対策技術及び安全を確保する技術の有効性を確認するための調査研究を進めている。本報告では、同研究所の立坑掘削により、地表から深度500m地点まで掘削断面を縦断するようなほぼ垂直傾斜の断層が分布する地質条件下で生じた立坑覆工の応力変化や岩盤内変位を分析し得られた、大深度の脆弱な岩盤中の空洞および周辺岩盤の力学的安定性に関する知見を述べる。

岩盤中のガス移行挙動試験計画の立案（その2） —溶存メタンが及ぼすガス移行挙動試験への影響検討—

幌延深地層研究計画では、深度GL-350m調査坑道で原位置ガス移行挙動試験を計画している。本試験は、緩衝材のみならず岩盤にも着目した試験を計画中であり、これらの原位置試験計画の検討は、幌延の地質環境条件を考慮するため地下水中の溶存メタンを考慮する必要がある。このうち岩盤中のガス移行挙動試験計画立案の一環として、幌延の地下水中の溶存メタンが本試験に及ぼす影響を把握するため二相多成分解析を実施した。検討は、はじめに溶存メタンの基本的な挙動の把握を行い、次に調査坑道からの原位置試験を模擬する検討を実施した。検討の結果、地下水中に溶存メタンが存在すると気相全体のガス圧は上昇するが、注入した窒素は分圧分しか岩盤へ移行しないため、ガス注入量に影響を及ぼすことが分かった。

地層処分事業に関わる地球化学分野の技術者が継承すべき知見のエキスパート化 —文献調査から精密調査段階における地球化学解析手順について—

高レベル放射性廃棄物の地層処分は長期にわたって世代の異なるさまざまな技術者が関わる事業であり、その技術に関わる知見の継承やプロジェクト監理に関わる意思決定過程の追跡性を担保するための情報管理の仕組みが必要となる。筆者らは、地層処分に関わる地下深部の地質環境特性調査の手順、ノウハウ、留意点などの情報管理技術としてウェブ上で情報を利用（保管・閲覧）可能なエキスパートシステムを構築した。なお、本報告では、その概要とエキスパートシステムに収録した知見の一例として、文献調査から精密調査段階における地球化学解析の手順などについて述べる。

東濃ウラン鉱床月吉鉱体の重鉱物組成

東濃ウラン鉱床月吉鉱体において、鉱体母岩の瑞浪層群の鉱石、非鉱石の砂岩および基盤の土岐花崗岩の重鉱物組成分析を行った。鉱石に含まれる重鉱物は主に黒雲母、角閃石および不透明鉱物であった。鉱石のうちの1試料にはトパーズ、錫石、ザクロ石、褐簾石が含まれる。非鉱石の砂岩の重鉱物は、主に角閃石、輝石および不透明鉱物からなる。また、基盤の花崗岩は、主に黒雲母からなる。重鉱物組成から、鉱体周辺の堆積物は、花崗岩、火山灰およびペグマタイトもしくは熱水性鉱床から供給されたと推定された。鉱石には花崗岩から供給された堆積物が多く、非鉱石の砂岩は主に火山灰起源であると考えられた。トパーズと錫石は月吉鉱体北東側に分布する苗木花崗岩に伴われるペグマタイトや熱水性鉱床から供給されたと考えられた。鉱体周辺の礫岩を構成する礫の岩種からも堆積物は北東から供給されたと考えられることから、月吉鉱体周辺の堆積物には、北東側から供給された堆積物が含まれると推察された。

北海道幌延地区における地下水中の有機酸のメタン生成微生物の基質としての可能性

北海道幌延地区の第四系と新第三系の声問層を帯水層とする地下水中で、微生物の競争排除則とメタン生成反応の非平衡度に基づき、ギ酸及び酢酸がメタン生成微生物の基質となっている可能性を評価した。微生物の競争排除則では、声問層を帯水層とする地下水中で酢酸が基質となっている可能性が示唆され、非平衡度による評価では、還元的なすべての地下水中で、両有機酸が基質となっている可能性が示唆された。これらのことから、還元的な環境では両有機酸がメタン生成微生物の基質となっていること、特に新第三系声問層を帯水層とする地下水中では、酢酸濃度は微生物の競争排除則により規定されている可能性が指摘された。

北海道北部、幌延地域西部の地すべり地形

高レベル放射性廃棄物の地層処分における安全評価シナリオの構築では、自然現象の発生傾向と規則性を理解し、それら自然現象による地質環境への影響を考慮しつつ、数万年以上の長期にわたるサイトの変遷を記述することが必要であり、このための調査・評価技術の整備が課題となっている。自然現象のうち侵食作用は、処分施設と地表との距離を減少させ、処分施設周辺の地質環境条件を変化させる可能性があり、サイトの変遷をモデル化する際に考慮すべき重要な自然現象である。そこで、本論では、北海道北部の幌延地域を事例として、侵食作用に関する調査研究のうち、地すべりと地質分布及び気候条件との関連性を検討した。地形図と空中写真の判読により作成した地すべり分布図と既存の地質情報を比較した結果、本地域の地すべりには偏在性が認められ、地層に層理面が発達し斜面表層での物理的風化が著しく、地形が中起伏をなす地域に多く分布することが明らかとなった。また、地形学的特徴から推定される地すべりの形成時期は、温暖な時期の後氷期以降から現在であり、それ以前の著しく寒冷な最終氷期には、地表面での凍結融解作用に起因する面的な侵食作用が卓越していたことが推定された。

ショートステップ工法による立坑掘削に伴う支保部材の力学挙動に関する研究

幌延深地層研究所にて新第三紀堆積岩に施工中の東立坑（仕上がり内径6.5m）の深度約220mを対象として、ショートステップ工法における覆工コンクリートと鋼製リング支保工の応力の変化や分布、発達機構を、現場計測と数値解析によって分析した。現場計測では、支保部材の初期地圧の水平面内の主応力方向の縦断面内に複数個の計器を設置し、応力計測を行った。数値解析では、立坑の施工手順を詳細に再現した三次元逐次掘削解析を実施した。その結果、覆工コンクリート内には、初期地圧の異方性と切羽の三次元的な仮支保効果の程度の差によって、10MPa以上の円周方向応力の差が生じることや、覆工コンクリートは、水平面内にて最小主応力方向を長軸とする楕円形で、上側が拡がり下側がすぼむ、すり鉢状の変形モードを呈すことを明らかにした。

Flowing Fluid Electric Conductivity Logging for a Deep Artesian Well in Fractured Rock with Regional Flow

割れ目系岩盤を対象とした核種移行解析に必要な水理特性の不均質性に関する情報を取得し得る調査技術の一つに流体電気伝導度検層がある。流体電気伝導度検層は地下水流動を伴う割れ目がボーリング孔と交差する位置が推定できる調査であるが、さらに、同検層で得たデータを用いて割れ目の水理特性(透水量係数,塩分,水頭)を得る解析手法が報告されている。しかしながら、幌延地域のように堆積岩に発達する割れ目系岩盤に対してこのような解析が適用された例が少ないため、幌延深地層研究所の換気立坑先行ボーリング孔で実施した流体電気伝導度検層のデータを対象として解析を実施し、その適用性を検討した。解析の観点からデータは必ずしも十分とは言えず、一部取得されていない情報があったものの、検層区間内で認められた17箇所の透水性割れ目の水理特性を推定した。得られた結果は同ボーリング孔で実施した水理試験や揚水試料の電気伝導度の計測結果と整合するものである。

The spatial variation of initial ⁸⁷Sr ⁄ ⁸⁶Sr ratios in the Toki granite, Central Japan: Implicationｓ for the intrusion and cooling processes of a granitic pluton

本稿は、中部日本に位置する土岐花崗岩体からストロンチウム同位体比初生値の空間分布を示し、それを用いて岩体の貫入・定置過程および冷却固化過程を提示する。7本のボーリングコアから採取された14試料に基づき、土岐花崗岩体の全岩Rb–Sr年代は71.04Maとの結果を得た。この年代は土岐花崗岩体が貫入・定置した時代を示す。また土岐花崗岩体のストロンチウム同位体比初生値は0.708507から0.709409までの幅（不均質性）を持つ。ストロンチウム同位体比初生値の不均質性と花崗岩体内の化学組成の不均質性との比較検討の結果、土岐花崗岩体は貫入・定置の際に、地殻の混成作用ならびに分別結晶作用が複合的に生じて形成されたことを明らかにした。また地殻の混成の影響の大きい場所から冷却されたという冷却固化過程に関しても言及を行った。

Influence of Rock Spalling on Concrete Lining in Shaft Sinking at the Horonobe Underground Research Laboratory

原子力機構は、幌延深地層研究計画において、深度500mまでの3本の立坑（換気立坑1本とアクセス立坑2本）を建設する予定である。これまでに換気立坑の深度250m以深の施工にて、いくつかの深度にて岩盤壁面の崩落が生じ、その崩落個所の直上に構築した覆工コンクリートに開口き裂が生じた。筆者らは、この開口き裂の原因を調査するために、三次元レーザースキャナにより、岩盤壁面の崩落形状を計測するとともに、岩盤崩落を模擬した数値解析により、崩落個所周辺の覆工コンクリートと岩盤内の応力分布の変化を分析した。その結果、立坑壁面の岩盤崩落によって、その近傍に構築した覆工コンクリート内に引張応力が発達することが明らかとなった。また、崩落の奥行深さが100cm以上となると、覆工コンクリートの引張強度を上回る引張応力が生じる結果となった。これらの結果は、後続する2本のアクセス立坑の施工時の施工管理指標として活用している。

Repetition of spectral analysis on rock permeability applied to seven years record of pore-pressure response to atmospheric loading at the Horonobe URL in Japan

本研究では、幌延深地層研究計画に基づき、地下施設近傍のボーリング孔において実施している長期水圧モニタリングのデータ解析により、地下施設の建設が周囲の帯水層へ影響を与え、鉛直方向の透水性を低下させることを明らかにした。地下施設から約130mの距離では立坑の掘削から約5年間で、鉛直方向の水頭拡散率が地下施設の建設前段階と比較して、約70%低下していたことが分かった。立坑の掘削に伴って大量の地下水が排水されるが、この透水性の変化は、地下水の排水に伴う間隙水圧の低下に因る岩盤中の間隙率の低下が要因と考えられる。本研究で提示した、透水性の時間変化の調査解析手法は、地下施設の建設が周囲の帯水層に与える水理的影響の定量的な評価に貢献できると考えられる。

Mine-by Experiment in a deep shaft in Neogene sedimentary rocks at Horonobe, Japan

坑道周辺に発生する掘削影響は、性能評価およびプラグやグラウト等の閉鎖技術の仕様に関連する重要な検討事項である。本論文では、堆積岩に設けられた坑道周辺岩盤の水理学的な変化および力学的な変化を把握するために実施された幌延深地層研究所での立坑掘削影響試験の結果について記した。BTV観察結果によると、坑道掘削に伴う側方応力解放による損傷（ブレイクアウト）が掘削後に生じた。孔内載荷試験結果によると、ボーリング孔自体の損傷に伴い全体的に弾性・変形係数が低下し、立坑壁面の1m以内で大きな低下を示した。地中変位計測では、最小主応力方向ならびに既存亀裂と平行な領域が大きく変形した。透水試験では、掘削後に立坑壁面1m以内で1オーダー増加し、力学試験から推定された掘削影響範囲と概ね一致した。

Three-dimensional fracture distribution in relation to local cooling in a granitic body: an example from the Toki granitic pluton, Central Japan

本紙は、中部日本に位置する土岐花崗岩体の割れ目頻度の空間分布を示し、それと岩体中の冷却挙動との関連について評価を行った。19本のボーリング孔のBTV情報から、割れ目頻度の空間分布は2つの傾向を示す。1つは花崗岩体の中心部分で高い頻度を持ち、もう1つは標高が下がるにつれ頻度が減少する。サブソリダス反応組織の発達の程度は、花崗岩体の冷却過程の指標となるパラメータである。隣り合う2つの位置で測定したサブソリダス組織の発達程度の差を、この2点間の距離で割った値を、局所冷却速度と定義する。土岐花崗岩体中のこの局所冷却速度の分布を明らかにしたところ、割れ目頻度の高い領域で大きな局所冷却速度を持つという相関が認められる。この相関は、割れ目の発生が熱歪という概念を通じ局所冷却速度によって説明できることを示す。故に、花崗岩体中の局所冷却速度の3次元パターンを明らかにすることは、割れ目頻度分布を評価する有用な手法である。

Development of a multi-interval displacement sensor using Fiber Bragg Grating technology

坑道周辺の長期挙動の把握は、地層処分場の性能評価や設計・施工を行う上で重要である。坑道近傍の変位計測には通常電気式の地中変位計が埋設される。従来型の電気式地中変位計は数年にわたる使用では絶縁不良を生じるなど長期計測が困難であった。また岩盤へのインパクトが小さい小口径のボーリング孔では多段化できないという問題があった。本研究では小口径で長期耐久性を有し、多段かつ高い精度での計測を可能にするために、光ファイバーを使用した地中変位計の開発を実施した。さらに開発した変位計の原位置への適用性を確認するために、幌延深地層研究所の立坑に開発した変位計を設置し、併設された電気式変位計と結果を対比した。室内検定試験によると、測定精度は測定範囲の0.5%と今回設定した測定精度を概ね満たしていた。また、原位置での性能確認試験から、ブラッグ波長の変化量から算出した変位は、坑道の掘削イベントや併設した変位計の計測結果と良好な一致を示した。また、光ファイバーを用いることで電気式変位計と比較して電気ノイズが見られず安定した結果が得られた。作業性や作業時間については、通常用いられる電気式の地中変位計と同程度であった。

Groundwater pressure changes in Central Japan induced by the 2011 off the Pacific coast of Tohoku Earthquake

瑞浪超深地層研究所とその周辺では広域地下水流動研究などのため、複数のボーリング孔で地下水観測を実施しているが、2011年東北地方太平洋沖地震発生後に明瞭な地下水圧の変化が観測された。それによると、研究所用地のごく近傍では最大約15mの水圧上昇を示したが、研究所用地から離れた地域ではすべてのボーリング孔で数十cmから数m程度の水圧低下を示した。地震直後の地下深部における地下水位変化のパターンは、地震直後の体積歪変化の分布パターンと良い相関を示すことが言われている（膨張域で水位低下、収縮域で水位上昇）。地殻変動解析ソフトCoulomb3.1による体積歪の計算結果からは、研究所周辺ではおよそ2×10^-7strainの膨張を示す。したがって、研究所用地から離れた地域におけるボーリング孔での水位低下は、東北地方太平洋沖地震に伴う体積歪の変化を反映している可能性が高い。一方、研究所用地のごく近傍で地下水位が大幅に上昇した要因としては、坑道掘削により平衡水位が低下していたところへの強制的な地下水の流入、および、研究所用地を横断する遮水性の断層に微小なクラックが発生（開口）したことによる局所的な透水性の変化が考えられる。

Analysis and Numerical Simulation of Seismic Events Recorded in the Ventilation Shaft at the Mizunami URL

原子力機構は日本において地下の研究施設の建設を伴う研究プロジェクトを進めている。本研究では、地下の研究施設内に設置した加速度計による地震動のモニタリングにより観測された6つの地震時の加速度波形の記録を分析し、地震動は地表に近くなるにつれ増幅すること、地震波の伝搬特性は南北と東西方向で異なる可能性があることが明らかになるとともに、地表構造物が地上の地震動観測に影響を及ぼしている可能性があることがわかった。さらに、SHAKEと呼ばれる数値解析法を用いた地震動解析と実測結果と比較した結果、解析結果と実測結果は良く一致し、解析手法の妥当性が概ね確認できた。

An Observational Construction Management in the Horonobe Underground Research Laboratory Project

日本原子力研究開発機構は、北海道幌延町にて幌延深地層研究計画を実施し、堆積岩を対象とした高レベル放射性廃棄物の地層処分に関わる技術の信頼性向上を目指している。同計画では、深度500mの3本の立坑と4つの深度の調査坑道からなる地下研究所を建設中である。掘削対象の岩盤は、一軸圧縮強さが20MPa以下の珪藻質泥岩と珪質泥岩の堆積軟岩であり、その地層境界に厚さ約100mの高透水性の割れ目帯が分布する。この様な深度の深い割れ目帯での立坑の掘削では、土木工学的な視点から、様々な対策が必要となる。特に、岩盤強度が低い上に、立坑の掘削径以上の不連続面（断層）と遭遇する場合には、立坑掘削に伴って壁面の崩落現象が生じることが予測された。そのため、壁面の崩落に伴う作業の安全性や工程の遅延を可能な限り抑制するために、情報化施工を実施してきた。本論文では、3本のうち最も先行する換気立坑を対象として、立坑掘削前に実施した立坑周辺の断層分布の予測と実際の断層分布の比較を述べるとともに、実際の断層と遭遇した際の立坑の支保構造の損傷とその対応策について述べた。これらは、現在割れ目帯を後続する東立坑の施工に反映されている。

日本列島における活断層の活動開始時期の空間的特徴

本研究では、日本列島の活断層を対象にその活動開始時期に関して、既存情報の収集を行うとともに、既存のデータベースを用いて活動開始時期が得られていない活断層について、計算による補間を実施し、それらの整理を行った。日本列島全体においては、3Ma頃から活動を開始した活断層の数が増え始め、その発生数は1.5Ma以降に大幅に増大し、0.5Ma前後にピークを迎える。現在の日本列島においては、同一地域内において、比較的古い時代から活動してきた系統の活断層と、約1.5Ma以降にその活動が顕在化した系統の活断層が共存し分布する。また、0.5Maのピーク以降に発生した活断層数が減少していることに関して、変位の累積が不十分なために、活断層が検出できていない、もしくは、活動開始時期の算出が困難である可能性が指摘された。したがって、活動開始時期が若く、顕在化していない活断層の活動を評価する手法の検討が今後の課題であると言える。

山陽帯東部、土岐花崗岩体の冷却史

本研究では、山陽帯東部に位置する土岐花崗岩体の熱履歴を明らかにするために、K-Ar法、およびフィッショントラック法による各種鉱物の年代測定を実施した。その結果、黒雲母のK-Ar年代は72〜74Maを示し、全岩Rb-Sr年代や年代や角閃石のK-Ar年代に一致した。また、ジルコンおよびアパタイトのフィッショントラック年代はそれぞれ64〜72Ma、 37〜40Maであった。これらの年代測定結果から、土岐花崗岩体を形成したマグマは、約70Maに地下5〜6km程度の地殻浅所に貫入し、数十万年間に母岩の温度まで冷却し、その後、岩体の隆起・削剥に伴い、約7〜10℃⁄m.y.の冷却速度で徐冷していったと考えられる。

Long-term stability of fracture systems and their behaviour as flow paths in uplifting granitic rocks from the Japanese orogenic field

高レベル放射性廃棄物の地層処分などの地下施設を建設する上では、地下水や物質の移動場の長期的な変遷を評価するために、岩盤中の割れ目ネットワーク構造を理解する必要がある。しかし、変動帯に位置する結晶質岩中における透水性割れ目の長期的な変化や定常性については、理解されていない。これらを明らかにするために、日本に分布する異なる時代に形成された岩体を対象に検討を行った。また、割れ目の形成から充填の過程を明らかにするために、瑞浪超深地層研究所の深度300mで取得したサンプルを用いて、割れ目の幾何学的特徴の整理および地球化学的検討を行った。形成年代の異なる岩体を対象とした検討の結果、割れ目の形成・充填は、1.岩体の温度低下に伴う引張割れ目の形成、2.比較的早い岩体上昇中に発生する熱水循環による割れ目の充填、3.低温の地下水の循環による割れ目の充填の過程を経ることが考えられた。また、割れ目充填鉱物としての炭酸塩鉱物の炭素同位体組成は、沈殿した地下水の水質ごとに異なり、炭酸塩鉱物沈殿時の地下環境を示している。これらに着目することで、割れ目の形成および充填に関する詳細なモデルの構築が可能であると考えられる。

Relationship between ³He⁄⁴He ratios and subducting of the Philippine Sea plate beneath Southwest Japan

ヘリウムは不活性ガスであることから地殻内の物質との化学反応を生じないほか、大気や地殻に比べてマントルのヘリウム同位体比（³He⁄⁴He比）は著しく大きいことから、マントル物質が地表に放出している地域を検出するためのトレーサーと考えられる。西南日本の地下水や温泉ガス中のヘリウム同位体の924データをコンパイルし、同位体比の分布とフィリピン海プレートの構造やテクトニクスとの関連性を検討した。その結果、ヘリウム同位体比は、プレート運動に伴って地殻変動が活発な地域を定量的に評価するための化学性指標として有効であることが示唆される。