立山カルデラ研究紀要第12号、pp.15-19（2011）

水路実験に基づく湖沼堆積物の磁化特性・粒径変動の検討
落合 伸也１），酒井 英男 2），柏谷 健二 1）

る帯磁率異方性から堆積構造を推定する手法が開発

１．はじめに近年、豪雨や地震にともなう土砂災害が多発しておされ、例えば、琵琶湖やバイカル湖の堆積物コア試り、今後の気候変動予測は大きな関心事となっている。

料について、帯磁率異方性による堆積時の流向の復

適切な気候変動予測のためには、これまでの気候の変元が行われている（Sakai et al., 2001）。また、帯磁動傾向・周期性の検討が重要であるが、近代の気象率異方性による研究手法の、堆積実験を用いた検討

観測記録は過去 100 年程度に限定されており、それや、渓流堆積物への応用が進められている（酒井ほか ,以前の水文環境変動に関する知見は非常に限られて2003; 伊藤・酒井 , 2008 など）。

いるのが現状である。こうした点に関して、陸域に存

しかしながら、これまでの帯磁率異方性の有効性を在する湖沼堆積物は、人間活動に密接に関わる陸域検証する研究は、粗粒な粒子の比較的速い水流中での水文環境変動の記録媒体として非常に適している。の堆積（河川堆積物、海浜砂など）に関するものが主流域を構成する土砂など地表物質は、降水により侵食流であった。また、湖底堆積物などの細粒な堆積物にされ、河川を運搬されて湖底に堆積し、湖沼堆積物ついて、実験によって獲得過程を議論した研究はあまとなる。こうして形成された湖沼堆積物の堆積構造やりない。そこで本研究では、人工水路を用いて流水中粒径特性は、土砂が流域から湖底に到達するまでににて人工的に作成した比較的細粒な堆積物の磁化特受ける流水環境を反映していると考えられるので、流性（帯磁率異方性・残留磁化）および粒径特性の測域・湖沼内における水文環境を復元する手掛かりとし定を行い、水文環境復元に対する湖沼堆積物の磁化て用いることができる。こうした考えに基づいて、湖特性・粒径特性の有用性を検討した。

沼堆積物の粒径特性に基づいた長期から短期の環境変動を復元する試みが行われてきている。立山カル２．実験方法デラ内の泥鰌池においても過去数十年から現在の水堆積実験は幅 15cm、長さ 6.5m のアクリル製の開文環境が議論されている（西地ほか , 2004; 犬飼ほか ,水路を用いて行った（図 1、2）
。この水路は上流端に2007）。

水流を安定させる整流用タンクがあり、そこから導入

一方、細粒な粒子からなる湖沼堆積物の堆積構造

された水は水路を通過し、水路下流端の堰から下方を直接観察することは、一般的に困難が伴う。しかしの貯水タンクへ流出する。下流タンクの水をポンプでながら、近年、堆積物中の磁性鉱物の配向に起因す上流タンクに送水することで、水を循環させ、一定条土砂供給装置

堆積層堆積層厚センサー（超音波センサー）

上流
タンク

H = 0.15 m
B = 0.15 m

下流
タンクバルブ

図１

L = 6.5 m

堆積実験に用いた実験水路

１）金沢大学環日本海域環境研究センター，２）富山大学理学部− 15 −ポンプ落合 伸也、酒井 英男、柏谷 健二

件の水流を継続的に維持することができる。この水路速度で供給し、堆積層を作成した。実験に用いた砂は、を用いて堆積層を作成し、磁化特性・粒径を調べる実硅砂 8 号（粒径 70-200μm）を使用した。堆積層厚の験をそれぞれ行った。これらの実験条件については表

測定後、粒径測定用試料を水路に沿って 50cm 毎に１に示すとともに以下に記す。

水路中央において採取した。また、水路内の水深を磁化特性の堆積実験（実験 1）では、以下の条件で10cm に保ったまま、流速を約 10 分間隔で 10cm/s と実験を行った。水路内の水深を 10cm、流量 1.9L/s、16cm/s に交互に時間変化させた実験も行った（実験

平均流速を 13cm/s で通水した。通水を開始して水流5）。給砂速度は他の実験と同じ 5g/s で行った。堆積安定後、上流端において砂を 5g/s の一定速度で供給層作成後、上流から 100 cm、150 cm の地点で、内径し、底面に堆積させた後、堆積構造を擾乱しないよう4.3 cm の塩ビパイプを押しこみ、柱状試料を採取した。

水路内の水を抜き、堆積層を作成した。実験に用いた粒径の鉛直変化を測定するため、試料は 1mm 間隔で砂は、硅砂 8 号をふるいで 106-125μm に揃えたもの

スライスし、それぞれを粒径測定用の試料とした。

を使用した。堆積層の作成後、超音波距離センサーを上述の方法によって採取した試料について、帯磁用いて、堆積層厚の流路方向の分布を測定した。磁率異方性、残留磁化および粒径を測定した。帯磁率化特性測定用試料は、厚さ 2cm 以上の堆積層がある、異方性は AGICO 社製 KLY-3S にて測定を行った。

上流端より 60cm から 140cm まで 20cm 毎に採取した。

残留磁化の測定はパススルー型超電導磁力計（760R、一辺 2.2cm の立方体形状のプラスチックケースを埋め2G Enterprise 社製）によって行った。粒径はレーザー込み、堆積構造を保ったまま採取した。このとき、各回折粒度分布測定装置（SALD-2200、島津製作所製）地点において水路の中央および左右端においてそれぞによって測定した。

れ試料を採取した（図 2c）。また、各地点の水路中央において、クリノメーターを用いて採取地点の磁場の３．実験結果方向を測定した。水路を支える鋼鉄製のレールが磁気3.1. 帯磁率異方性を帯びているため、場所によって方向が異なる。

堆積物の帯磁率異方性は、堆積物に含まれる磁性粒径の堆積実験では、以下の条件で実験を行った。

鉱物の分布（方向性や配列）によって生じる、方向に水路内の水深は 10cm とし、平均流速 12cm/s、16cm/s、よる帯磁率の差異である。堆積物中の磁性鉱物の配19cm/s の 3 通りの条件（実験 2、3、4）で実験を行っ向を反映する帯磁率異方性から、堆積時の流水環境た。磁化特性と同様に、各実験条件下で砂を 5g/s のを推定する試みが行われている。ここでは、堆積実験によって得られた試料の帯磁率異方性と流水環境の関連について検討した。図 3 は磁化特性についての堆積実験（実験 1）時の堆積層厚の分布を示している。横軸は水路の上流端からの距離を表し、縦軸は超音波セ

表１

実験条件ンサーで計測した堆積層の厚さを示している。堆積層厚は砂の供給地点に近い上流ほど厚く、離れるに従って薄くなっている。60cm より上流付近では堆積層厚の測定値が激しく上下しているが、これは砂面に形成されたリップルのために超音波が乱反射されたためと考えられる。磁化特性用の試料はこれより下流側で採取した。図中の矢印は試料の採取地点を表している。
図 4 は堆積実験によって得られた試料の帯磁率異方性の形状を示している。縦軸は帯磁率異方性の最大軸 / 中間軸比（Kmax/Kint）、横軸は中間軸 / 最小軸比（Kint/Kmin）を表している。縦軸の値が大きい図２(a) 実験水路 (b) 堆積実験の様子(c) 磁化特性測定用試料の採取の様子

ほど針状異方性が大きく、横軸の値が大きいほど層状異方性が大きいことを示している。堆積実験による試− 16 −

水路実験に基づく湖沼堆積物の磁化特性・粒径変動の検討

料はほとんど横軸に沿って分布しており、層状異方性次に、帯磁率異方性の方向と流れの向きとの関連ををもつことを示している。このことは、これらの堆積検討する。図 5 は各試料の帯磁率異方性の最大軸お物が磁化し易い平面をもつ層状構造からなることを示よび最小軸をシュミット投影したものである。円周方唆している。

向の目盛りは方位を示し、グラフ上方向 0 度が水路の下流方向を示している。直径方向の目盛りは伏角を示100しており、円周 0 度が水平、中心 90 度が真下を表し堆積層厚 (mm)80ている。図中の丸印は各試料の帯磁率異方性の最小試料採取地点

60

軸の方向を示し、三角印は最大軸の方向を示している。

40

異方性の最小軸は流れの方向である偏角 0 度、伏角20075 〜 90 度に分布し、最大軸は偏角がややばらつくも0100200300400500600700

上流端からの距離 (cm)

図３のの流れの反対方向に伏角 0 〜 15 度程度で傾斜している。このことは、層状異方性を持つこれらの試料の堆積実験（実験1）の堆積層厚の分布
図中の矢印は試料採取地点を表している

磁化しやすい平面は水平に対して流れの上流側に傾1.10

斜していることを示している。これは粒子が上流側に傾斜して重なるインブリケーションを示していること1.08を示唆しており、帯磁率異方性を用いて堆積物の堆Kmax / Kint

針状異方性積当時の流向を推定できることが示された。
1.06

3.2. 残留磁化1.04

堆積物の残留磁化は、土砂に含まれる磁性鉱物が堆積過程で地球磁場（地磁気）の方向に配向するこ

1.021.001.00とによって獲得され、堆積当時の地磁気の方向と強度を記録する。この特性を用いて、堆積物の残留磁化
1.021.041.06

1.081.10

から過去の地磁気変動が復元され、地磁気極性の逆

Kint / Kmin
層状異方性

転やその逆転史に基づく古地磁気年代研究などが実

図４ 堆積実験によって得られた試料の帯磁率異方性の形状施されている。今回の堆積実験によって得られた試料の残留磁化を検討した。水路中央で採取した試料の水流の方向

残留磁化の測定結果を図 6 に示す。横軸は水路の上流端からの距離、縦軸は磁化の水路の下流方向から0°0°の偏角を示す。また、試料採取地点の磁場の偏角を偏角合わせて表示している。水路を支える鋼鉄製のレールが磁気を帯びているため、場所によって磁化方向が異伏角
45°なるが、堆積物に記録された残留磁化の方向と試料採取地点の磁場方向は非常に良く一致している。この

270°

90°

90°

結果は、堆積物は水流がある中でも堆積時の磁場方向を記録することを示している。
3.3. 粒径
流域から湖へ土砂粒子が運搬される際、水流が強いほどより大きな粒子が運搬されることから、堆積物

180°

図５

各試料の帯磁率異方性の最大軸および最小軸のシュミット投影図の粒径は当時の流速などを反映すると考えられているパラメータである。ここでは、堆積物の粒径と流速の関係を堆積実験で検討した。図 7 は粒径についての− 17 −

落合 伸也、酒井 英男、柏谷 健二
180

算した堆積速度分布を示している。横軸は上流端か160

下流方向からの偏角 (°)

堆積実験（実験 2、3、4）時の堆積層厚の分布から計らの距離、縦軸は各地点の堆積速度を示す。堆積速度は上流ほど大きく、下流に行くほど減少している。
また、各地点の堆積速度は流速が速くなるほど大きくなっている。図 8 は水路に沿った各地点の粒径（中残留磁化
磁場140120100806040央粒径）を示している。粒径は上流ほど大きく、下流

6080100120140に行くほど小さくなっている。また、各地点の粒径は図６

流速が大きくなるほど粗粒化している。水流が強いほ残留磁化の測定結果。実線は堆積物の残留磁化、破線は試料採取地点の磁場の偏角を表す

どより大きな粒子がより遠くまで運搬されることから、

0.05

流速の増加に応じて各地点の粒径・堆積速度の増加

0.04
堆積速度 (mm/s)が起こったと考えられる。以上のことから、各地点の堆積速度、粒径は湖内の流速を反映して変動し、堆積層の粒径・堆積速度の鉛直変化から過去の流速変流速19 cm/s
16 cm/s

0.0312 cm/s

0.020.01

動を復元できると考えられる。

0上述の実験に加えて、流速を 10cm/s と 16cm/s に0100200300400500600700

上流端からの距離 (cm)交互に変動させ、湖内の流速の経時変化が、堆積物

図７の粒径の深度方向の変化として記録されるかどうかを堆積実験（実験2、3、4）の各地点の堆積速度200検討した。図 9 は上流から 100 cm、150 cm の地点

流速19 cm/s

で採取したコア試料の粒径の鉛直変化を示している。

16 cm/s

150

100cm 地点、150cm 地点ともに粒径は、下層から順粒径に細粒・粗粒と交互に変動しており、この変動は流速の時間変化と対応している。以上のことから、堆積層

12 cm/s

100の粒径変動から過去の流速変動を連続的に復元でき50ることが検証された。

0100200300

400500600700上流端からの距離 (cm)図８(a)流速の時間変化3000

160

上流端からの距離 (cm)20

堆積実験（実験2、3、4）の各地点の粒径(b)上流から100cm地点のコア(c)上流から150cm地点のコア

20

2500
15101055

時間 (s)

2000

15001000

水路底面からの高さ (mm)155000051015

流速 (cm/s)

図９200120140
粒径

流速を時間変動させた実験（実験5）の(a) 流速の時間変化
コアの粒径の深度変化− 18 −

160

180 1201401600180

粒径(b) 上流から100cm地点、(c) 上流から150cm地点の水路実験に基づく湖沼堆積物の磁化特性・粒径変動の検討

５．謝辞

４．まとめ
人工水路を用いて作成した堆積物の磁化特性（帯本研究を進めるにあたり、金沢大学柏谷研究室の磁率異方性・残留磁化）および粒径特性の測定を行い、皆様にご協力頂いた。また、堆積物試料の磁化特性

水文環境復元に対するこれらのパラメータの有用性をの測定については富山大学酒井研究室の田中惠氏と検討した。実験で得られた試料の帯磁率は層状異方

伊藤孝氏からご助力、ご助言を頂いた。ここに感謝の性を示し、磁化し易い平面は水平に対して流れの上意を表する。本研究の一部は日本学術振興会科学研

流側に傾斜していた。これは砂粒子が上流側に傾斜究費（特別研究員）、金沢大学 21 世紀 COE プログラして重なるインブリケーションを示していることを示ムの助成を受けて行っている。

唆しており、帯磁率異方性を用いて堆積物の堆積当時の流向を推定できることが示された。また、堆積物

参考文献の残留磁化を合わせて測定したところ、堆積地点の磁犬飼将成・柏谷健二・米谷正広・室井克則・松岡玉場の方向とほぼ一致しており、堆積物は水流がある中衣（2007）：立山カルデラ内の堆積物試料から見るでも堆積時の磁場方向を記録することが分かった。

泥鰌池流域環境の変化 , 立山カルデラ博物館研究

一方、同様の実験によって作成された堆積物の粒

紀要 , 第８号 , 11-14.

径は流速が大きくなるほど粗粒化する傾向が見られ、

伊藤孝・酒井英男（2008）：簡易土砂流出実験による湖沼堆積物の粒径は堆積時の流速を反映する可能性堆積物と実際の渓流堆積物の帯磁率異方性に関すがあることが示された。流速を時間変動させた実験にる研究 , 砂防学会誌 , 61, 29-34.

おいて、堆積層の粒径の鉛直変化は流速の変化と対

西地和貴・柏谷健二・室井克則・國香正稔（2004）：

応しており、過去の流速変動を連続的に復元できるこ

立山カルデラ内の泥鰌池における堆積物試料の調とが示された。

査・分析報告 , 立山カルデラ博物館研究紀要 , 第 5以上のことから、湖沼堆積物の磁化と粒径の二つの号 , 1-8.

物性を鉛直方向に測定することによって、過去の流速

Sakai H., Nomura S.,Horii M.,Araki S.,Kashiwaya

や流向などの水文環境の復元に利用できることが検K.,Tani Y.,Shibata Y.,Kawai. T., Kravchinsky

証された。今後は、帯磁率異方性の研究においては、

V., Peck J. and King J. （2001）: Magnetic

異方性から推測される粒子配向と実際の堆積構造を

susceptibility studies on surface sediments of

対比する実験が必要であろうと思われる。また、磁化Lake Baikal and Lake Biwa, Russian Geology

特性、粒径の実験においても、土砂の粒径や濃度のand Geophysics（Geologiya i Geofizika）, Vol.42,

違い、より複雑な流水環境下での実験・検討が必要

No.1, p.339-347.

であると考えられる。さらに、実験装置の中だけでな

酒井英男・小山沙由紀・岸田徹・堀井雅恵・澤田豊明・

く、実際の湖沼での磁化特性・粒径特性の獲得過程

飯田肇（2003）：流路実験装置で作成した堆積物の観測などを合わせて行うことで、より高精度な水文の構造を帯磁率異方性から探る , 立山カルデラ博環境の復元を行うことが可能になると考えられる。

物館研究紀要 , 第 4 号 , 1-6.

【要旨】

人工水路を用いて作成した堆積物の磁化特性（帯磁率異方性・残留磁化）および粒径特性の測定を行い、水文環境復元に対するこれらのパラメータの有用性を検討した。実験で得られた試料の帯磁率は層状異方性を示し、磁化しやすい平面は水平に対して流れの上流側に傾斜していた。これは砂粒子が上流側に傾斜して重なるインブリケーションを示していることを示唆しており、帯磁率異方性を用いて堆積物の堆積当時の流向を推定できることが示された。また、堆積物の残留磁化を合わせて測定したところ、堆積地点の磁場の方向とほぼ一致しており、堆積物は水流がある中でも堆積時の磁場方向を記録することが分かった。一方、同様の実験によって作成された堆積物の粒径は流速が大きくなるほど粗粒化する傾向が見られ、湖沼堆積物の粒径は堆積時の流速を反映する可能性があることが示された。

− 19 −