(57)【要約】【課題】地下の鉄鉱物の生成年代を測定することによって、地下環境の長期的な安定性評価を可能とする地下環境変化推定方法を提供する。【解決手段】地層に含まれる複数種の鉄鉱物に対する宇宙線の曝露によって前記鉄鉱物中で生成される放射性核種の濃度を測定し、前記鉄鉱物の量と、前記放射性核種の濃度に基づいて前記鉄鉱物の生成年代を推定し、前記鉄鉱物が含まれる地下環境の変化を検知する。これにより、地層中の任意の位置での鉄鉱物の年代を推定することができ、地下環境の長期的な安定性評価を行うことが可能となる。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
地層に含まれる複数種の鉄鉱物に対する宇宙線の曝露によって前記鉄鉱物中で生成される放射性核種の濃度を測定し、前記鉄鉱物の量と、前記放射性核種の濃度に基づいて前記鉄鉱物の生成年代を推定し、前記鉄鉱物が含まれる地下環境の変化を検知することを特徴とする地下環境変化推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、宇宙線曝露によって生成される長半減期放射性核種を用いた、地下環境変化推定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、放射性廃棄物、有害廃棄物等を処分する際に、非常に長期に亘って処分サイトの地下環境が化学的に安定しているか等のように、地下環境についての長期に亘る環境評価が求められることがある。
地下水中には鉄が溶解しており、溶解している鉄は地下水の酸化・還元条件の違いによって、種々の鉄鉱物を二次鉱物として地層中に沈殿析出させる。また、地層中に鉱物として固相として存在する鉄が溶解し、地下水中の鉄濃度が変化する。鉄鉱物は、生成された場所の酸化還元条件と地下水中の鉄濃度やその他の溶存イオン種によって、生成される鉄鉱物が異なる。この様子を図１に示す。図１において、総溶存炭酸濃度は１モルであり、溶存硫酸イオン濃度は10-6モルである。また、ダイアグラム内固相の右側の線は総溶存鉄濃度が10-6モルの場合を示し、左の破線は10-4モルの場合を示す。
【０００３】
放射性廃棄物、有害廃棄物等の処分施設が将来建設される可能性が高い、堆積岩のような堆積環境下では、鉄鉱物の種類・量と地下水中の鉄濃度を測定すれば、概ねその深度における地下の化学環境が推定できる。この地下の化学環境の一例を図２に示す。図２において、太字ゴシックで示すものは優勢な鉱物種であることを示す。また、［  ］内の共生関係は高塩濃度の場合をあらわす。シャモサイトとは、堆積珪酸鉄鉱物を意味する。
現状においては、宇宙線による曝露時間と石英中で生成される核種の濃度(生成速度)から、地層の年代測定法に関しての提案が本発明者によってなされている。堆積岩中の各種鉄鉱物と共存する他鉱物を基に自然の地下化学条件を推定するための地下化学環境センサー分布図は、非特許文献１において開示されている。
【０００４】
【非特許文献１】ガレルズ  アール  エム  アンド  クリスト  シー  エル（Garrels  R.M.and  Christ  C.L.）(1965)、ソリューションズ  ミネラルズ  アンド  イクイリブリア（Solutions,  minerals  and  equilibria）,  ハーパー  アンド  ロウ（Harper  and  Row）,ニューヨーク（New  York）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、これらの情報に基づいても、時間の経過に伴う長期に亘る環境の安定性評価を十分に行うことはできず、現状では、地下環境の長期的な安定性評価の手段は確立されていない。
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、地下環境の鉄鉱物の生成年代を推定することによって、地下環境の長期的な安定性評価を可能とする地下環境変化年代測定法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以上の課題を解決するために、本発明は、地層に含まれる複数種の鉄鉱物に対する宇宙線の曝露によって前記鉄鉱物中で生成される放射性核種の濃度を測定し、前記鉄鉱物の量と、前記放射性核種の濃度に基づいて前記鉄鉱物の生成年代を推定し、前記鉄鉱物が含まれる地下環境の変化を検知することを特徴とする地下環境変化推定方法である。
宇宙線曝露により鉄鉱物中で生成される放射性核種の濃度を測定することによって、地層中の任意の位置での鉄鉱物の生成年代を推定することができる。この生成年代と、鉄鉱物の存在量とに基づいて、その位置における地下環境がいつ頃から変化して現在に至っているか、あるいは、現在の地下環境が安定な状態にあるのか、また将来地下環境がどのように変化していくのかを判断することが可能となる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によると、宇宙線曝露により鉄鉱物中で生成される放射性核種の濃度を測定することによって、地層中の任意の位置での鉄鉱物の年代を推定することができ、地下環境の長期的な安定性評価を可能とする地下環境変化推定方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に、本発明をその実施形態に基づいて説明する。
本発明の実施形態は、地下の化学環境変化に応じてその化学形態(鉱物相)が変化する鉄に着目し、宇宙線曝露により各種鉄鉱物中に半減期３７０万年の長半減期核種である53Ｍｎが生成されることを利用し、53Ｍｎの量に基づいて各種鉄鉱物の生成年代を推定するものである。溶存状態での鉄では密度が低いため宇宙線曝露による長半減期核種の生成効率が低いが、鉄鉱物として固体となることで鉄密度が上昇して長半減期核種の生成効率が上昇することがその背景にある。
【０００９】
まず、本発明における測定原理について説明する。
図３に示すように、宇宙線が地表面に降り注ぐと、各種鉄鉱物にふくまれる元素(Ｆｅ，Ｏ，Ｓ等)と宇宙線の間で核反応が発生する。この核反応には、核破砕（Cosmic-ray Spallation）、ミューオン  キャプチャー（Muon capture）、ファースト  ミューオン  インデュースト  リアクション（Ｆast muon induced reactions）があり、これらの核反応によって、図４に示すように、10Ｂｅ、14Ｃ、53Ｍｎ、26Ａｌ等が生成される。
【００１０】
図５に、深度によって、上記の３種の核反応のいずれが支配的であるかを示す。
宇宙線との核反応のうち、地表面から１０ｍ.ｗ.ｅ(岩石層では３〜４ｍ)の深度までは、どの核種の生成においても、核破砕（Cosmic-ray  Spallation）が卓越している。地表面の隆起、風化浸食が著しく大きくない場合、例えば、風化浸食速度が１μｍ/ｙ程度以下の場合には、宇宙線の到達深度は１千万年程度ではそれほど変化しないので、ほぼ一定の核種生成機構が卓越する。地表付近では核破砕（Cosmic-ray  Spallation）が卓越し、これより少し深いところではミューオン  キャプチャー（Muon capture）が卓越し、さらに深いところではファースト  ミューオン  インデュースト  リアクション（Ｆast muon induced reactions）が卓越する。
【００１１】
それぞれの深度では、その深度での酸化・還元条件の違いに応じて種類の異なる鉄鉱物が生成され、その深度に応じた宇宙線曝露が一定条件で続くと仮定すると、曝露時間に応じて鉄鉱物中に半減期３７０万年の53Ｍｎが生成される。また、鉄鉱物を構成する酸素と硫黄の中に天然の放射性核種である14Ｃ、10Ｂｅ、26Ａｌが生成される。
【００１２】
図６に基づいて、生成された放射性核種である、53Ｍｎ、14Ｃ、10Ｂｅ、26Ａｌの濃度を基に、鉄鉱物の生成時間を推定する方法について説明する。図６は、宇宙線曝露時間の長さと、53Ｍｎ、14Ｃ、10Ｂｅ、26Ａｌの核種濃度との関係を示す。
宇宙線の曝露時間の増加に伴って、核反応によって生成される核種の量は増加し、14Ｃでは４万年程度、26Ａｌでは５００万年程度、10Ｂｅでは１０００万年、53Ｍｎでは３０００万年程度経過すると、一定の放射能に達する。図６に示される、宇宙線曝露時間と生成される放射性核種量との関係に基づいて、任意の深度における曝露時間の長さを推定することができる。
【００１３】
曝露される宇宙線強度が時間的に変化しないと仮定すると、一定の宇宙線強度下で任意深度にある鉄鉱物中で、宇宙線曝露時間の長さと、53Ｍｎ、14Ｃ、26Ａｌ、10Ｂｅの生成される放射能濃度Ｃは、それぞれの飽和放射能濃度（無限時間曝露されたときに持つ放射能濃度）Ｃｏで規格化して表すと、それぞれの半減期の長さの違いによって、この図に示す曲線上に沿って生成され、最終的には飽和放射能濃度に等しくなる（Ｃ／Ｃｏ＝１）。半減期の違いによってＣ／Ｃｏ＝１に達するまでに要する時間に違いが生じる。
【００１４】
地層中では、図１、図２に示すように、地下環境に応じて、赤鉄鉱、磁鉄鉱、菱鉄鉱、硫化鉄、シャモサイト等の、複数の鉄鉱物が存在する。この鉄鉱物に対して宇宙線が曝露すると、上述したように、鉄鉱物中に放射性核種が生成される。同じ深度であれば宇宙線曝露の影響は基本的には変わらないと考えられるため、どの鉄鉱物中において、宇宙線曝露によって生成された53Ｍｎやその他の核種（例えば14Ｃ、26Ａｌ、10Ｂｅ）が多いかを測定すれば、鉄鉱物が生成された年代の順番を推定することが可能となる。特に、53Ｍｎの半減期は極めて長いため、鉄鉱物中で宇宙線曝露によって生成される放射性核種のなかでも、鉄鉱物の生成年代を推定するための時間測定手段としての機能を十分に備えているということができる。
【００１５】
このように、地表面から任意の深度において、これらの鉄鉱物中に宇宙線曝露よって生成される53Ｍｎ濃度と鉄鉱物量とから、それぞれの鉱物種の生成年代の関係を基にして、鉱物の安定性を決定して地下環境の安定性を推定することができる。
例えば、ある鉄鉱物種の存在量が多く、かつその鉄鉱物種に含まれる53Ｍｎ濃度が高ければ、その鉄鉱物種は古い年代から現在に至るまで大量に生成されたことになり、その鉄鉱物種を生成する環境条件が長く支配的であったと判断される。また、ある鉄鉱物種の存在量が非常に多いが、その鉄鉱物種に含まれる53Ｍｎ濃度が低ければ、その鉄鉱物種の生成年代は若いことになり、近年になってその鉄鉱物が生成される環境が支配的になってきたと判断される。また、ある鉄鉱物種の存在量は少ないが、その鉄鉱物種に含まれる53Ｍｎ濃度が高いときには、その鉄鉱物種の生成年代は古いが、その後環境変化が起こったことを示しており、この鉄鉱物種の生成が支配的であった環境が変化しつつあることが推定される。
【００１６】
このような手法によって、鉄鉱物の生成時間を推定し、生成順番を決定することにより、鉄鉱物が生成された地下環境の変化を推定することができる。特に、鉄の核反応によって生じる53Ｍｎの半減期が極めて長いため、長期間に亘る地下環境の安定性を評価することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００１７】
本発明は、地下環境の長期的な安定性評価を可能とする地下環境変化推定方法として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】酸化還元条件と地下水中の鉄濃度やその他の溶存イオン種によって、生成される鉄鉱物が異なる様子を示す図である。
【図２】地下の化学環境条件を各種鉱物の共存関係から推定した一例を示す図である。
【図３】各種鉄鉱物にふくまれる元素と宇宙線の間で核反応が発生する様子を示す図である。
【図４】核反応によって、10Ｂｅ、14Ｃ、53Ｍｎが生成される様子を示す図である。
【図５】地下深度によって３種の核反応のいずれが支配的であるかを示す図である。
【図６】宇宙線曝露時間の長さと、53Ｍｎ、14Ｃ、10Ｂｅ、26Ａｌの核種濃度との関係を示す図である。
【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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【図６】
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