2_2_2 ボーリング孔を利用した水圧・水質モニタリング技術

達成目標

瑞浪超深地層研究所の建設・維持管理に伴う地下水の水圧・水質環境の変化を把握し，地球化学モデルの更新に反映させることを目標とします。

方法・ノウハウと東濃地域における実施例

(1) 地上からの地下水の水圧・水質モニタリング

方法・ノウハウ

具体的な手法については，1_12_8を参照してください。

瑞浪超深地層研究所における実施例

地上からのボーリング孔を利用した地下水の水圧・水質モニタリングとして，1_12_8に示したモニタリング技術を適用し，研究坑道の掘削前に開始した地下水の水圧・水質モニタリングを継続しました。地下施設の建設・維持管理期間における地上からの地下水の水圧・水質モニタリング地点を図1に示します。

地上からのボーリング孔を利用した地下水の水圧・水質モニタリングでは，超深地層研究所計画の第1段階（地表からの調査予測研究段階）で掘削したボーリング孔に加えて，立坑の掘進に伴う立坑近傍の水圧変化を観測するため，新たに地上から05ME06号孔（深度304.36m）を掘削し，深度100m以深での観測を対象とした水圧モニタリングを実施しました。

水圧観測の結果の一部を図2に示します。全水頭の初期値が明世層・本郷層とそれより下位の地層で異なっていることから，両者の間に水理境界が存在していると示唆されます。また，研究坑道の掘削に伴う全水頭の低下は，この境界より浅部ではほぼ認められませんが，それ以深では大きく低下していることが分かります。この結果から，第1段階で推定した遮水構造の分布（1_10_3）が妥当であることが確認されました。

地下水の水質観測の例として，MSB-2号孔の結果を図3に示します。水質観測の結果，水理境界と推定された明世層中の泥岩層を境に，それより上位（MSB-2号孔の場合は区間1と2）では無機炭素（IC）やSO₄イオンに富み，それ以深ではClイオンに富む地下水が分布していました。また，区間1はCaイオン，Mgイオン，Feイオンなどの濃度変化が他区間と異なっていました。区間1は最も地表に近いため，降水量の変化を受けて鉱物の風化・溶解度合いが変化した可能性があると考えられました。また，瑞浪層群と花崗岩の境界部付近（MSB-2号孔の場合は区間6）以深での観測区間はCl濃度が上昇する傾向が認められ，立坑からの排水に伴って，地下深部に分布する塩濃度が相対的に高い地下水が浅部へ上昇し，各区間へ混合していることを示唆しています。

（2) 坑道からの地下水の水圧・水質モニタリング

方法・ノウハウ

地下施設の建設・維持管理期間では，坑道から掘削されたボーリング孔を用いて，坑道近傍の地下水の水圧・水質モニタリングを実施します。

坑道内に設置した地下水の水圧・水質モニタリングシステムの概念図を図4に示します。このシステムは，ボーリング孔内に設置したパッカーシステムと，坑道に設置したモニタリング装置で構成されています。このシステムでは，ボーリング孔内でパッカーによって区切られた観測区間と坑道に設置したモニタリングシステムがモニタリング用チューブでつながれており，このチューブに水圧センサーを接続することで地下水の水圧が計測できます。また，坑道部のモニタリング装置に備えられているステンレス製サンプラーボトルとモニタリング用チューブを接続することで，地下水を被圧・嫌気状態で採取することができます。

水圧センサー部にガスが溜まると水圧が正確に測定できなくなるため，溶存ガス濃度が高い地下水の場合は，意図せず脱ガスして発生した溶存ガスを観測区間から吐出できる仕組みにする必要があります^例えば1)。また，地下水の採水時は，孔内やチューブ内に溜まっていた地下水を洗い流すため，オーバフローさせて古い地下水を排出することが重要です。

瑞浪超深地層研究所における実施例

研究坑道からの地下水の水圧・水質モニタリングの位置を図5に示します。

地下水の水圧観測では，坑道近傍の詳細な水圧分布を把握するため，深度300mの換気立坑ボーリング横坑内において，換気立坑壁面から3mごとに3本の鉛直孔（09MI17-1号孔，09MI18号孔，09MI19号孔）を掘削し，地下水の水圧を継続的に計測しました。その結果，立坑近傍の水圧は換気立坑の掘進とともに低下しているものの，立坑切羽が深度-500m（標高-300m）に到達してから5年以上経過した2019年12月の時点においても，換気立坑の壁面から数mの位置（09MI17-1号孔）で立坑切羽深度に対して約260mの水頭差を維持しています（図6）。この結果に基づき地下水流動解析を行った結果，覆工やグラウトなどの人工構造物による流入量の抑制や，掘削損傷領域（Excavation Damaged Zone (EDZ)）の形成による坑道近傍の流入量の増加などの水理学的影響を加味することで，実測値を精度よく再現できる水理地質構造モデルを構築することができました²⁾。

また，研究坑道内で，隣接するボーリング孔の掘削や水理試験に伴う水圧応答を観測することで，岩盤の不均質性を評価する上で重要な情報の一つである，割れ目の水理学的な連続性に関する情報を取得できました（例えば，図7）。

さらに，再冠水試験³⁾においては，坑道の冠水・排水に伴う地下水の水圧・水質の変化（図8）と，ボーリング孔や坑道の割れ目に関する情報などから，坑道周辺の割れ目分布を概念化し，坑道周辺には水理学的連結性が乏しい数m～数十m規模のコンパートメント構造の存在が推定されました（図9）。また，坑道冠水時の周辺の水圧応答（図8）からは，透水不均質性を有し，坑道掘削に伴う水理学的な擾乱の程度が異なる岩盤であっても，坑道閉鎖に伴い初期状態まで回復する可能性があることが分かりました。これらの詳細な結果は，2_2_8に示しています。

地下水の水質観測では，深度200m～500mの水質の経年変化を観測しました。最初に，溶存イオン濃度の変化を観測した結果から説明します（図10，図11）。

立坑周辺には，深部に相対的にNa，Ca，Cl濃度の高い地下水（以下「深部地下水」）が，地下浅部に相対的にこれらの濃度の低い地下水（以下「浅部地下水」）が分布していました（1_11_3および本章の「(1) 地上からの地下水の水圧・水質モニタリング」参照）。地下施設の建設・維持管理期間を経た結果，主立坑断層の南側（深度200mの07MI07，深度300mの09MI20，深度400mの10MI26）では，Cl濃度やNa濃度が低下する傾向が確認されました。これらのボーリング孔では，観測開始時には立坑の排水に伴い地下深部から湧昇してきていた深部地下水が分布していたものの，その後も排水を継続した結果，浅部地下水によって徐々に置換されたと考えられました。一方，主立坑断層の北側（深度300mの09MI21，深度500mの12MI33と13MI38）では，いくつかの区間でCl濃度やNa濃度が上昇を続けていることから，浅部地下水の引き込みが小さく深部地下水の影響が続いていると推察されます。一方，Cl・Na濃度が低下したボーリング孔は花崗岩の上部割れ目帯（UHFD），Cl・Na濃度が上昇しているボーリング孔は下部割れ目低密度帯（LSFD）に位置することから，主立坑断層との位置関係に加え，UHFDとLSFDの水理学的な連続性の違いによる浅部の地下水の引き込み程度の違いを反映していると考えられました。

次に地下水のpHの変化については，どの区間もおおむね8～9を示し，顕著な変化は確認されませんでしたが，孔口を含む観測区間（07MI07号孔の区間6と09MI21号孔の区間1）ではpHが10～11の高いアルカリ性を示しました（図12）。これは，観測孔の掘削時に打設されたセメントの影響と考えられました。07MI07号孔では，坑道壁面から数mの範囲でグラウト施工試験が行われており，この試験で使用されたセメント材料が徐々に溶脱することで，孔口近傍の区間（区間6）の地下水のpHが時間とともに上昇したと考えられました。09MI21号孔では，ボーリング孔の掘削時に孔口にセメントが打設されており，観測初期にはこのセメントが溶脱して高アルカリ性の地下水が観測されましたが，それが坑道に排水されることでpHが時間とともに低下していると推察されました。

最後に酸化還元電位の変化については，値のばらつきが大きいものの-200～-100mVで推移しています。ただし，孔口を含む区間の一部（07MI07号孔の区間6と09MI21号孔の区間1）では，徐々に酸化還元電位が上昇する傾向が認められます。これは，坑道から浸透した大気の影響を受けている可能性があります（図12）。

地下水の水質の変化から，時間とともに浅層地下水の混合割合が増加すると示唆されたボーリング孔（07MI07，09MI20，10MI26；図10，図11）においても，pHや酸化還元電位については，浅層地下水の浸透による影響は明瞭には確認されませんでした。

これら水圧・水質モニタリング結果の詳細については，参考文献4～24^4-24)を参照してください。

(3) 技術の有効性・留意点²⁵⁾

地下施設の建設・操業中の地下水の水圧・水質の経時的変化をモニタリングすることで，地下施設建設に伴う施設周辺の地下水環境の擾乱に係る情報を取得可能であることが確認できました。これらの情報は，施設周辺の環境影響の評価のみならず，水理地質構造や水理学的な連続性，地下水水質の経時変化プロセスの検討に有効であることを確認しました（詳細は2_2_3，2_2_7を参照）。

瑞浪超深地層研究所での実施例のように，地下施設と水理学的に連結性が高いと想定される地質・地質構造に遭遇したボーリング孔では，地下施設の建設・維持管理による地質環境の擾乱の範囲や程度を把握するための重要なデータが取得できます。このため，地下施設の建設場所やレイアウトを考慮に入れ，地下施設の建設・維持管理による地質環境の擾乱を把握することを視野に入れた地上からのボーリング孔の配置計画を立案することが，重要なデータを効率よく取得するためにも必要になります。

また，岩盤の天然バリアとしての能力を乱さないことを目指すには，地下施設の建設・維持管理期間に，岩盤の初期状態を把握した上で，できるだけ水理学的・地化学的な初期状態を乱さないように施工・維持管理を行う必要があります。例えば，地下施設と高透水性の地質・地質構造との遭遇地点を予測し，グラウト打設などの止水対策を坑道掘削前に行うことで，擾乱の程度を低減できると考えられます。

参考文献

1. 南條功，天野由記，岩月輝希，國丸貴紀，村上裕晃，細谷真一，森川佳太 (2012): 幌延深地層研究センター東立坑140m調査坑道における地下水の地球化学モニタリングに関する研究開発，JAEA-Research 2011-048，162p.
2. 尾上博則，小坂寛，竹内竜史，三枝博光 (2015): 超深地層研究所計画（岩盤の水理に関する調査研究）第2段階におけるサイトスケールの水理地質構造モデルの構築，JAEA-Research 2015-008，146p.
3. （編）松岡稔幸，濱克宏 (2019): 超深地層研究所計画における調査研究－必須の課題に関する研究成果報告書－，JAEA-Research 2019-012，pp.87-105.
4. 尾上博則，竹内竜史 (2020): 超深地層研究所計画における地下水の水圧長期モニタリング(2017～2019年度)，JAEA-Data/Code 2020-010，112p.
5. 毛屋博道，竹内竜史，岩月輝希 (2019): 超深地層研究所計画における地下水の水圧長期モニタリング; 2015-2016年度，JAEA-Data/Code 2018-019，107p.
6. 毛屋博道，別府伸治，竹内竜史 (2018): 超深地層研究所計画における地下水の水圧長期モニタリング; 2013-2014年度，JAEA-Data/Code 2018-011，112p.
7. 別府伸治，狩野智之，竹内竜史，尾方伸久 (2014): 超深地層研究所計画における地下水の水圧長期モニタリング; 2012年度，JAEA-Data/Code 2013-023，94p.
8. 狩野智之，竹内竜史 (2013): 超深地層研究所計画における地下水の水圧長期モニタリング; 2011年度，JAEA-Data/Code 2013-007，100p.
9. 狩野智之，竹内竜史 (2012): 超深地層研究所計画における地下水の水圧長期モニタリング; 2010年度，JAEA-Data/Code 2012-002，110p.
10. 狩野智之，毛屋博道，竹内竜史 (2011): 超深地層研究所計画における地下水の水圧長期モニタリング; 2009年度，JAEA-Data/Code 2011-002，62p.
11. 毛屋博道，竹内竜史 (2010): 超深地層研究所計画における地下水の間隙水圧長期モニタリング（2005年度～2008年度）データ集，JAEA-Data/Code 2009-030，74p.
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13. 福田健二，渡辺勇輔，村上裕晃，天野由記，林田一貴，青才大介，熊本義治，岩月輝希 (2019): 超深地層研究所計画における地下水の地球化学に関する調査研究; 瑞浪層群・土岐花崗岩の地下水の地球化学特性データ集(2017年度)，JAEA-Data/Code 2018-021，76p.
14. 渡辺勇輔，林田一貴，加藤利弘，久保田満，青才大介，熊本義治，岩月輝希 (2018): 超深地層研究所計画における地下水の地球化学に関する調査研究; 瑞浪層群・土岐花崗岩の地下水の地球化学特性データ集(2016年度)，JAEA-Data/Code 2018-002，108p.
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