(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
掘削工事地の土壌及び／又は岩石からなる土壌等に含まれるＳｅ、Ａｓ、Ｐｂの少なくとも１つ又は複数からなる重金属元素等の水系への溶出量を推定するための推定方法であって、
少なくともＳ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｃ、Ｋ、Ａｌ、Ｎａ、Ｃａ、Ｍｇを主要元素とし、前記土壌等に含まれ得る複数のノルム鉱物の存在比率から前記水系のｐＨの変化と、前記重金属元素等及び前記主要元素ごとのイオン濃度及び／又は元素濃度の変化と、を少なくとも含む水質変化を推定しこれに対応して前記重金属元素等の溶出量の推定を行う方法において、
前記ノルム鉱物の前記存在比率は、採取した前記土壌等について、前記主要元素及び前記重金属元素等の各元素の含有元素量比を化学分析し、前記含有元素量比に従って前記ノルム鉱物の各々へ分配計算して算出し、
前記分配計算は、
（１）前記重金属元素等の含有元素量比をＳの含有元素量比により前記ノルム鉱物のうちの硫化鉱物に分配し、
（１−１）残余のＳの含有元素量比のあるときは、これをＦｅの含有元素量比により前記ノルム鉱物のうちの黄鉄鉱に分配し残余のＦｅの含有元素量比を求め、
（１−２）残余の前記重金属元素等の含有元素量比のあるときは、これをＣの含有元素量比により前記ノルム鉱物のうちの炭酸塩鉱物に分配し残余のＣの含有元素量比を求めるとともに、これを前記ノルム鉱物のうちの酸化鉱物又は単体元素鉱物に分配し、
更に、
（２）（１−１）の残余のＦｅの含有元素量比のあるときはこれを前記ノルム鉱物のうちの珪酸塩鉱物に分配することを特徴とする推定方法。
【請求項２】
前記土壌等は火成岩からなることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記土壌等は堆積岩からなり、（１−２）の残余のＣの含有元素量比のあるときはこれを前記ノルム鉱物のうちの方解石、菱鉄鉱及びマグネサイトの少なくとも１つ又は複数に分配することを特徴とする請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、土壌及び／又は岩石に含まれる重金属元素等の雨水等を介しての水系への溶出量を長期的に推定するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
トンネル工事などの掘削で多量の残土が発生する。かかる残土には、ヒ素、セレン、カドミウム、鉛、クロム、亜鉛、銅、水銀などの有害な元素が微量に含まれていることがある。なお、以下において、これらの元素を単に「重金属元素等」と称する。このため、掘り返された残土が雨水や地下水等の水に曝されると、自然由来の重金属元素等が水系に溶出して自然環境を汚染することが指摘されている。そこで掘削工事の施工前の土壌及び／又は岩石（以下、「土壌等」と称する。）に含まれる重金属元素等の各種の測定が行われる。
【０００３】
例えば、非特許文献１では、土壌等に含まれる重金属元素等を特定するための測定方法について述べられている。掘削工事の施工前の土壌等から試料を採取して蛍光Ｘ線分析法や湿式分析法などで化学分析して元素を特定している。
【０００４】
また、土壌等は鉱物種の集合体であるが、非特許文献１に述べられているような化学分析の結果から、土壌等を構成する理想的な鉱物種であるノルム鉱物の存在比率を求める方法も知られている。例えば、非特許文献２では火成岩からなる土砂を構成する理想的な鉱物種であるノルム鉱物の存在比率を推定するノルム計算について、非特許文献３では粘土質を含む岩石の理想的な鉱物種であるノルム鉱物を構成する鉱物種の存在比率を推定するノルム計算について述べられている。蛍光Ｘ線を用いた化学分析などで、土砂や岩石に含まれる元素量比を測定し、代表的な元素の酸化物についての分子比に変換する。そして、珪酸塩鉱物などのノルム鉱物に順に元素分配を行って、土壌等を構成し得る各ノルム鉱物の存在比率を求め得るのである。
【０００５】
ところで、土壌等に含まれる自然由来の重金属元素等の水系への溶出量を長期的に推定することは、公定法や特許文献１に開示されたような土壌等の溶出試験だけでは困難であり、かかる溶出量を推定するために土壌等に含まれる鉱物種の溶出による水質変化シミュレーションが併せて行われる。該シミュレーションにより得られた水質変化に対応して、土壌等に含まれる重金属元素等の溶出量を推定するのである。ここで共沈現象など、特定の鉱物種の水への溶出が他の鉱物種の溶出にも影響を与えるため、かかる水質変化シミュレーションは非常に複雑である。
【０００６】
例えば、上記した非特許文献１では、このような水質変化シミュレーションの１つとして、米国地質調査所が無償供給しているＰＨＲＥＥＱＣなる地球化学用シミュレータについても述べている。かかるシミュレータによれば、土壌等の情報と水系の情報から現在の水質がどのような反応系を経て形成されたかを推定できる。詳細には、水系の形成機構モデルを構築して、これに基づいて複数の各鉱物種の化学平衡論計算を行う。化学平衡論計算によれば、複数の鉱物種の溶出量を互いの相関関係を考慮しつつ得られ、これに反応速度項を加えて計算することによりｐＨを含む水質の時間変化をシミュレーション出来るのである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２４５５７９号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】建設工事における自然由来重金属等含有土砂への対応マニュアル検討委員会、“建設工事における自然由来重金属等含有岩石・土壌への対応マニュアル(暫定版)”、87頁、［online］、平成22年3月、国土交通省、［平成23年2月4日検索］、インターネット〈URL：http://www.mlit.go.jp/sogoseisaku/region/recycle/pdf/recyclehou/manual/sizenyuraimanyu_zantei_honbun.pdf〉
【非特許文献２】都城秋穂・久城育夫共著、「岩石学ＩＩ  岩石の性質と分類」共立全書、1975年、P162-170
【非特許文献３】五十嵐俊雄著、「粘土質試料のノルム計算」、地質ニュース、1984年、No.353、P37-45
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
化学分析の結果から土壌等を構成する理想的な鉱物種であるノルム鉱物の存在比率を求め、上記したような反応速度項を加えた化学平衡論計算を用いたシミュレーションに導入することで、少なくともｐＨを含む水質の時間変化をシミュレーション出来る。このシミュレーションにおいて、重金属元素等の影響を受ける鉱物種の情報を加えて少なくともｐＨを含む水質の時間変化を得るとともに、土壌等に含まれる重金属元素等の含有量を化学分析で与えれば、重金属元素等の溶出量の変化を求め得るであろう。
【００１０】
本発明は、上記したような状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、土壌及び／又は岩石に含まれる重金属元素等の雨水等を介しての水系への溶出量を長期的に推定するための方法の提供である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による推定方法は、土壌等に含まれる重金属元素等の水系への溶出量を長期的に推定するための推定方法であって、前記土壌等に含まれ得る複数のノルム鉱物の存在比率から前記水系の少なくともｐＨを含む水質変化を推定しこれに対応して重金属元素等の溶出量の推定を行う方法において、前記土壌等に含まれる少なくともＳ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｃ、Ｋ、Ａｌ、Ｎａ、Ｃａ、Ｍｇの主要元素及び重金属元素等の各元素の含有元素量比を化学分析し、（１）重金属元素等の含有元素量比をＳの含有元素量比により硫化鉱物に分配し、（１−１）残余のＳの元素量比のあるときは、これをＦｅの含有元素量比により黄鉄鉱に分配し残余のＦｅの元素量比を求め、（１−２）残余の重金属元素等の元素量比のあるときは、これをＣの含有元素量比により炭酸塩鉱物に分配し残余のＣの元素量比を求め、一方、（２）残余の重金属元素等の含有元素量比のあるときは、これを酸化鉱物又は単体元素鉱物に分配し、前記主要元素の含有元素量比から前記ノルム鉱物の存在比率をノルム計算で推定するにあたって、（１−１）の残余のＦｅの元素量比のあるときはこれを前記ノルム計算に導入することを特徴とする。
【００１２】
かかる発明によれば、化学分析の結果から、重金属元素等を含有し得る硫化鉱物、炭酸塩鉱物、酸化鉱物、単体元素鉱物に重金属元素等を分配し、続いて、所定のノルム鉱物への各元素の分配を行うことで、ノルム鉱物を含む各種鉱物種の存在比率を求め得る。これにより、水質の時間変化のシミュレーションを行って少なくともｐＨを含む水質の時間変化を得られ、土壌等に含まれる重金属元素等の含有量の化学分析結果とともに、重金属元素等の溶出量の変化を求め得るのである。つまり、土壌等に含まれる重金属元素等の雨水等を介しての水系への溶出量を長期的に推定することができる。
【００１３】
また、上記した発明において、前記土壌等は火成岩からなることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、火成岩に含まれる重金属元素等の雨水等を介しての水系への溶出量を長期的に推定できる。
【００１４】
さらに、上記した発明において、前記土壌等は堆積岩からなり、（１−２）の残余のＣの元素量比のあるときはこれを前記ノルム計算に導入することを特徴としてもよい。かかる発明によれば、堆積岩に含まれる重金属元素等の雨水等を介しての水系への溶出量を長期的に推定できる。
【００１５】
さらに、上記した発明において、前記重金属元素等は、Ｓｅ、Ａｓ、Ｐｂの少なくとも１つ又は複数であることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、より正確に雨水等を介しての水系への溶出量を長期的に推定できる。
【００１６】
また、本発明による鉱物量推定方法は、上記した自然由来の重金属元素等の水系への溶出量推定に用いられる鉱物量推定方法であってこれを前記ノルム計算によることを特徴とする。かかる発明によれば、化学分析の結果から、土壌等に含まれる重金属元素等の雨水等を介しての水系への溶出量を長期的に推定することができるのである。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明を含む推定方法を示すフロー図である。
【図２】本発明による推定方法を示すフロー図である。
【図３】ノルム計算による鉱物への重金属元素等の分配方法を示す図である。
【図４】本発明による推定方法に用いられるノルム計算の図である。
【図５】本発明による推定方法に用いられるノルム計算の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明による土壌等に含まれる自然由来の重金属元素等の水系への溶出量、特に、Ｓｅ、Ａｓ、Ｐｂの水系への溶出量について長期的に推定する推定方法について図１乃至図４を用いて説明する。
【００１９】
まず、該推定方法の概略を図１に沿って説明する。掘削工事の施工予定地域の土壌及び／又は岩石をサンプル採取し（Ｓ１）、これに含まれる元素についての化学分析を行う（Ｓ２）。かかる化学分析により自然由来の重金属元素等を含む含有元素比を求める。そして、重金属元素等については、硫化鉱物、炭酸塩鉱物、酸化鉱物、単体元素鉱物のいずれかの鉱物に含有元素量比に従ってノルム計算により鉱物分配する（Ｓ３）。なお、単体元素鉱物とは、元素鉱物のうち単一の元素からなる鉱物を指すが、以降において単に元素鉱物と称する。更に、地殻を構成する主要元素について含有元素比に従ってノルム計算によりノルム鉱物に鉱物分配する（Ｓ４）。鉱物分配による元素量比を公知の水質変化シミュレーション、例えば、背景技術の欄で述べたＰＨＲＥＥＱＣのような地球化学用シミュレータに導入し、鉱物の溶出について反応速度項を加えた平衡濃度計算などを行って水質のｐＨや各種化学種の濃度変化などを求める（Ｓ５）。そして水質変化シミュレーションによって得られたｐＨなどの情報から重金属元素等の溶出量を求める（Ｓ６）。
【００２０】
次に、図１に沿って、図２乃至図４を併せて、各ステップの処理について、その詳細を説明する。
【００２１】
掘削工事の施工予定地域から土壌及び／又は岩石をサンプル採取し（Ｓ１）、破砕・粉砕して粉体試料を得る。
【００２２】
粉体試料は蛍光Ｘ線分析法や湿式分析法などで全岩化学分析され（Ｓ２）、土壌等の中に含まれる元素の含有元素量比を測定される。つまり、少なくとも、Ｓ、Ｆｅ、Ｃ、Ｓｉ、Ｋ、Ａｌ、Ｎａ、Ｃａ、Ｍｇの地殻を構成する主要元素と、Ｓｅ、Ａｓ、Ｐｂなどの重金属元素等の各元素の含有元素量比を求める。ここで、水質変化シミュレーションへ導入すべきデータの必要に応じて化学分析の方法が適宜、選択される。
【００２３】
次に、図２に示すように、重金属元素等について含有元素量比に従ってノルム計算により鉱物分配し（Ｓ３）、更に、地殻を構成する主要元素について含有元素比に従ってノルム計算によりノルム鉱物に鉱物分配する（Ｓ４）。
【００２４】
まず、Ｓを各重金属元素等の含有元素量比に基づいて硫化鉱物に分配する（Ｓ３１１）。この分配により残余のＳのある場合は、これをＦｅの含有元素量比に基づいて黄鉄鉱（ＦｅＳ２）に分配する（Ｓ３１２）。この分配により、残余のＦｅのある場合については、後述する。
【００２５】
詳細には、図３に示すように、Ｐｂ、Ｓ及びＦｅの含有元素量比が化学分析（Ｓ１）でそれぞれ４：１０：１０となったとする。重金属元素等の１つであるＰｂを硫化鉱物の１つである方鉛鉱（ＰｂＳ）へ分配する場合、Ｐｂ：Ｓ＝４：４で分配する。そして、残余のＰｂ：残余のＳ：含有元素量のＦｅ＝０：６：１０となる。残余のＳを黄鉄鉱（ＦｅＳ２）へ分配するが、Ｓ：Ｆｅ＝６：３で分配する。すると、最終的には、残余のＦｅの元素量比が７となるのである。つまり、ノルム計算による分配では、少なくとも１つの元素については、元素量比に残余がないように分配していく。
【００２６】
再び図２に示すように、硫化鉱物への分配（Ｓ３１）の後に、硫化鉱物に分配されない残余の重金属元素等のある場合、これをＣの含有元素量比に基づいて炭酸塩鉱物へ分配する（Ｓ３２）。更に、残余の重金属元素等のある場合、これを元素鉱物又は酸化鉱物へ分配する（Ｓ３３）。つまり、土壌等中に単体で存在し得る重金属元素等は、例えば、Ｃｕなどの元素は元素単体からなる元素鉱物として、酸化物として存在し得る元素は酸化鉱物に分配するのである。
【００２７】
続いて、主要元素のＫ、Ｃａ、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌなどをそれぞれの酸化物として珪酸塩鉱物へ鉱物分配する（Ｓ４）。つまり、硫化鉱物への分配（Ｓ３１）、炭酸塩鉱物への分配（Ｓ３２）、元素鉱物又は酸化鉱物への分配（Ｓ３３）により分配しなかった元素の酸化物をＳｉにより珪酸塩鉱物に分配するのである。よって、上記したＦｅの分配（Ｓ３１２）においてＦｅの元素量比に残余のある場合、Ｆｅの分配をここでも行う。
【００２８】
例えば、火成岩を多く含む土壌等から試料を採取した場合には、図４に示すノルム鉱物にノルム計算で鉱物分配され、これによって各ノルム鉱物の存在比率を推定する。このノルム計算は、一般的に、火成岩からなる土砂を構成する理想的な鉱物種であるノルム鉱物に主要元素の鉱物分配を行うために使われている。詳細な手順は以下の通りである。
【００２９】
ＫとＡｌは、正長石又は白雲母のうち試料に多く存在すると推定される鉱物にＳｉに基づいて分配する（Ｓ１１）。残余のＫのある場合は、これをＳｉによってメタ珪酸カリウムへ分配し（Ｓ１２）、残余のＡｌのある場合はこれをＮａとともにＳｉによって曹長石に分配する（Ｓ１３）。更に、残余のＡｌのある場合、これをＣａとともにＳｉによって灰長石に分配し（Ｓ１４）、更に残余のＡｌのある場合には、これをコランダムに分配する（Ｓ１５）。
【００３０】
曹長石への分配（Ｓ１３）において残余のＮａのある場合はこれを上記した残余のＦｅとともにＳｉによって錐輝石に分配する（Ｓ１６）。Ｎａに残余のない場合は錐輝石への分配（Ｓ１６）は行わず、Ｆｅを磁鉄鉱に分配する（Ｓ１７）。その後、残余の３価のＦｅのある場合はこれを赤鉄鉱へ分配する（Ｓ１８）。
【００３１】
上記した灰長石への分配（Ｓ１４）において残余のＣａがあり、さらにＴｉのある場合は、これらをともにＳｉによってチタナイトへ分配する（Ｓ１９）。チタナイトへの分配（Ｓ１９）を行わなかった場合など、残余のＣａのある場合はこれをＭｇとともにＳｉによって透輝石へ分配する（Ｓ２０）。この分配の後に残余のＭｇのある場合は、磁鉄鉱への分配（Ｓ１７）により残余の２価のＦｅとともにＳｉによって頑火輝石及び鉄珪輝石に分配する（Ｓ２１）。また、透輝石への分配（Ｓ２０）では、残余のＣａのある場合はこれをＳｉによって珪灰石へ分配する（Ｓ２２）。
【００３２】
なお、図示していないが、更に、残余のＳｉのある場合はこれを石英へ分配する。このノルム計算においてＳｉが不足するなどの場合は一部の分配をやり直すが、これについては説明を省略する。また、塩化物、フッ化物、リン酸塩などの土壌等に少量含まれると推定される副成分鉱物への分配についての説明も省略する。なお、図４で説明したノルム鉱物のうち、コランダム、磁鉄鉱及び赤鉄鉱は酸化鉱物であり、それ以外のノルム鉱物についてはＳｉによって分配される珪酸塩鉱物である。
【００３３】
一方、例えば堆積岩などの粘土質の鉱物を多く含む土壌等から試料を採取した場合にあっては、図５に示すノルム計算を利用できる。このノルム計算は、一般的に、粘土質鉱物を多く含む土砂を構成する理想的な鉱物種であるノルム鉱物に主要元素を分配するために使われている。このノルム計算では、珪酸塩鉱物及び酸化鉱物の他に炭酸塩鉱物への分配も行う。そのため、炭酸塩鉱物への分配（Ｓ３２）において分配されなかった残余のＣの元素量比を珪酸塩鉱物への分配（Ｓ４）のノルム計算の初期値として導入する。
【００３４】
詳細には、図５に示すように、まず、ノルム鉱物として方解石の存在が推定されている場合は、上記した残余のＣをＣａとともに方解石へ分配する（Ｓ４１）。方解石がノルム鉱物にない場合又はさらに残余のＣのある場合は、これを２価のＦｅとともに菱鉄鉱へ、Ｍｇとともにマグネサイトへそれぞれ分配する（Ｓ４２）。なお、方解石への分配（Ｓ４１）におけるＣａ、菱鉄鉱及びマグネサイトへの分配（Ｓ４２）におけるＦｅ２Ｏ３及びＭｇＯについての図５における分配を示す矢印の表示は省略する。
【００３５】
次に、セリサイトをノルム鉱物とする場合は、Ｋ及びＡｌをＳｉによってセリサイトへ分配する（Ｓ４３）。次いで、残余のＡｌをＭｇとともに、緑泥石又はモンモリロナイトのうち、多く存在すると推定されるノルム鉱物へＳｉによって分配する（Ｓ４４）。セリサイトをノルム鉱物としない場合は、Ｋと残余のＡｌとをＳｉによってマイクロクリンに分配する（Ｓ４５）。次いで、残余のＡｌをＮａとともにＳｉによって曹長石に分配する（Ｓ４６）。更に、残余のＡｌのある場合はＣａとともにＳｉによって灰長石へ分配する（Ｓ４７）。緑泥石又はモンモリロナイトへの分配（Ｓ４４）において、残余のＭｇのある場合は、これを２価のＦｅとともにＳｉによって紫蘇輝石に分配する（Ｓ４８）。なお、紫蘇輝石は頑火輝石と鉄珪輝石との１対１の固溶体とする。灰長石への分配（Ｓ４７）において残余のＡｌのある場合は、これをＳｉによってカオリナイトへ分配する（Ｓ４９）。カオリナイトへの分配（Ｓ４９）において、Ｓｉが不足した場合は残余のＡｌをギブサイトへ分配する（Ｓ５０）。カオリナイトへの分配（Ｓ４９）において残余のＡｌ及びＳｉのある場合はこれらを紅柱石に分配する（Ｓ５１）。さらに残余のＳｉのある場合はこれを石英に分配する（Ｓ５２）。ギブサイトへの分配（Ｓ５０）、又は紅柱石への分配（Ｓ５１）において残余のＡｌのある場合はこれをコランダムに分配する（Ｓ５３）。
【００３６】
また、紫蘇輝石への分配（Ｓ４８）の後に残余の２価のＦｅ及び３価のＦｅのある場合、これらを磁鉄鉱に分配する（Ｓ５４）。さらに、残余の３価のＦｅのある場合はこれを褐鉄鉱へ分配する（Ｓ５５）。さらに残余の３価のＦｅのある場合はこれを赤鉄鉱へ分配する（Ｓ５６）。火成岩を多く含む土壌等から試料を採取した場合と同様に、矛盾が生じた場合の一部の分配のやり直しや、副成分鉱物への分配についての説明は省略する。
【００３７】
以上の方法により、試料に含まれる重金属元素等を含む鉱物及び主要元素からなるノルム鉱物の種類と各鉱物同士の存在比率をノルム計算で推定することができる。特に、この方法では、硫化鉱物、炭酸塩鉱物、酸化鉱物及び元素鉱物のいずれかの鉱物への重金属元素等の分配を優先的に行う。すなわち、重金属元素等の含有されるノルム鉱物の推定を優先的におこなうことでこれらの鉱物の存在比率の推定を正確に行うことを意図している。また同時に分配されるＦｅ及びＣについて、残余のＦｅの元素量比及び残余のＣの元素量比を主要元素からなるノルム鉱物への元素分配に導入することで、重金属元素等の含有の影響を考慮したノルム鉱物の存在比率の算出ができる。つまり、試料に含まれる重金属元素等を含有する鉱物及びノルム鉱物が試料を採取した土壌等にどのくらい含まれているかをノルム計算で推定できる。
【００３８】
再び図１を参照すると、上記したノルム計算で推定される各鉱物の存在比率を用いて、鉱物溶出シミュレーション（Ｓ５）を行う。各鉱物の存在比率を公知の水質変化シミュレーションに導入することで、各鉱物の溶出についての反応速度項を加えた平衡濃度計算を行う。これによって、水質のｐＨや各種化学種の濃度変化を求め、水質の変化を長期的にシミュレートする。例えば、米国地質調査所より無償提供されている地球化学用シミュレーションソフト「ＰＨＲＥＥＱＣ」によれば、各鉱物の水への溶解速度を各鉱物の相互作用を含めて計算し、水系の少なくともｐＨを含む水質の時間変化を得ることができる。
【００３９】
次に、重金属元素等の溶出量の推定を行う（Ｓ６）。鉱物溶出シミュレーション（Ｓ５）で得られたｐＨや化学種の濃度などの時間変化の情報から、対象とする重金属元素等についての溶出量の変化を求める。つまり、対象とする鉱物の水系への溶解及び沈殿を化学平衡論計算し、土壌等に含まれる重金属元素等の雨水等を介した水系への溶出量を長期的に推定できる。
【００４０】
以上、本発明による実施例及びこれに基づく変形例を説明したが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の主旨又は添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、様々な代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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