1_12_7 地球化学特性の調査技術
達成目標
ボーリング孔を利用して深部地下水の地球化学調査を行う場合，品質の高い水質データを取得するため，圧力解放による溶存ガスの脱ガスや大気による酸化などの影響を最小限にすることが必要です。採水を実施するボーリング調査は，掘削，パッカーの設置，掘削水の排除，採水の手順で作業が進められます。これらの採水方法や経験に基づく留意点などの技術的知見を整備することを目標としました1)。
方法・ノウハウ
採水方法
①裸孔でのベーラーによる採水：
調査地域内の既存の浅層井戸では，表層水，浅層地下水を井戸から採取するためにベーラーを利用します。
②パッカー式地下水サンプラー（バッチボトル式採水）：
深層ボーリング孔においては，複数の帯水層もしくは湧水割れ目から採水する深度を選定し，他の帯水層・湧水割れ目の地下水が混入しないように，パッカーを採水区間の上下にセットし採水区間を隔離する採水方法が用いられます（図2-①）。なお，パッカーを用いる採水様式は次のMPシステム，揚水試験に伴う採水においても共通しています。ローカルスケール領域での地下水調査では，採水のために深度1,000m対応地下水の地球化学調査機器2-5)を製作しました。この技術では，揚水による掘削水の排除，原位置でのボトル式採水，物理化学パラメータの測定などが可能です。
③MPシステム：
複数の帯水層もしくは湧水割れ目を複数のパッカーにより隔離し，それぞれの区間毎に掘削水の除去，原位置でのボトル式採水ができる方法です（図2-②）6)。
④揚水試験に伴う採水：
水理試験の一種である揚水試験の実施に伴い地上に揚水される地下水を採取するものです（図2-③）7-9)。原位置でのボトル式採水とは異なり，地上部での採水となるため減圧により溶存ガスが脱ガスするなどの問題がある反面，水中ポンプにより迅速に掘削水を除去できる利点があります。
採水方法の選択
長期モニタリングを行う計画がないボーリング孔での採水では，パッカー式地下水サンプラーもしくは水理（揚水）試験に伴う採水を行い，調査後にボーリング孔を埋め戻します。地質環境調査では，通常，岩盤の透水性を把握するための水理試験が行われるため，揚水試験に伴う採水は，パッカー式地下水サンプラーを挿入する方法に比べ，調査費，工程を短縮することができます。この場合，原位置でのpHや酸化還元電位の測定データは得られないため，地上でフローセルを用いた測定による参考値の取得と化学成分濃度から理論的に計算されるpH，酸化還元電位による妥当性確認を行うことになります10-13)。
事業予算額に依存しますが，調査費，工程を効率化するためには，ローカルスケール領域において揚水試験に伴う採水を行い，サイトスケール領域において，原位置でのpHや酸化還元電位の測定が可能な地球化学調査機器を使い，最終的に地下水の地球化学特性を確認することが考えられます。
また，サイトスケール領域においては，地下施設建設時の周辺環境影響の把握や水圧応答に基づいて地下施設に連続する水理地質構造を推測するためMPシステムなどのモニタリング装置を設置して採水を行うことが想定されます。ただし，地下施設閉鎖後にモニタリング装置を撤去できなくなる可能性があり，その撤去方法の開発が課題として残されています。
採水に関わる品質管理
「採水方法」に示した装置を用いた地下水の採水時には，ボーリング孔掘削時の掘削水による汚染程度が小さい地下水を採取するため，掘削水に添加したトレーサーの濃度が元の濃度の0～数%程度まで十分に低下した地下水を採水します（図3）。トレーサーとして蛍光染料を使用する場合は，
- 蛍光スペクトルの濃度依存性
- 蛍光スペクトルのpH依存性
- 蛍光染料の岩石に対する吸着特性
- 複数の蛍光染料を含む試料の定量法
比較的長く排水したにもかかわらず掘削水が除去できない地点は，ボーリング孔の掘削終了から排水開始までに時間がかかっていることが多く，掘削により汚染された水が岩盤中に拡散し，排水時に回収しきれなくなったと考えられます（図5）。加えて，トレーサーが十分に抜けなかった理由には，総排水量が少ない，採水区間長が長い，揚水速度が遅い，揚水時間が短いといった点も挙げられます。採水調査時は，余裕のある工程，短い採水区間の設定，高い能力のポンプを使用し，速やかな採水作業への移行が必要です。
なお，採水時の品質管理に関わる項目には表1のような項目が挙げられます。
| 品質項目 | 整理方法 | 品質に与える影響 |
|---|---|---|
| (1) 掘削水の汚染率 | トレーサー濃度から算出される汚染率 |
|
| (2) 採水区間長 | パッカー区間長 |
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| (3) 陽イオンと陰イオンの当量関係 | （陽イオン-陰イオン）/総イオン当量 |
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| (4) 採水から分析までの時間 | 採水から分析までにかかった時間 |
|
| (5) 試料の保存方法 | 水圧保持容器か否か | |
| (6) 採水場所 | 原位置または地上 | |
| (7) 物理化学パラメータの測定 | 測定場所（原位置，地上の閉鎖型電極 or 開放型電極），孔壁の状況 |
|
東濃地域における実施例
東濃地域ではボーリング調査により地下水の採水・分析が行われてきています（1_5_6, 1_10_4）。これらの採水調査において方法・ノウハウに示した採水方法と一連の品質管理手法を適用した結果，データの品質を確認しつつ採水が可能であったことから，構築した一連の手法が有効であることを確認しました。これらの調査の経験に基づいて，以下のような点が留意事項・課題があげられます。
- 花崗岩中で採水ができるのは透水性の高い割れ目部であることが多く，透水性の低い健岩部の地下水の採水は困難です。得られる諸データは，相対的に高透水性の場所の特性を示すものであり，岩体全体の代表的な特性とは異なる可能性があります。
- 割れ目部で長期的に揚水を行うと，割れ目を介して水質の異なる地下水を遠方から引き込むことがあります。揚水中の定期的な水質分析により得られる水質変化の傾向が，掘削水と地下水の2成分の混合割合の変化で説明できない場合は，水質の異なる第3成分の地下水の引き込みを想定する必要があり，この場合，調査に関わらない解析担当技術者とそれらの情報を共有することが不可欠です。
参考文献
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