フィッション・トラック

ニュースレター 第25号

28-31

2012年

幌延地域における堆積岩中の元素の存在形態
鳥潟一文*・本多照幸*・岩月輝希**・村上裕晃**

Speciation of trace elements in sedimentary rocksin Horonobe area, JapanKazuhumi Torigata*, Teruyuki Honda*, Teruki Iwatsuki**and Hiroaki Murakami*** 東京都市大学大学院工学研究科, Graduate School of Engineering, Tokyo City University** (独)日本原子力研究開発機構, Japan Atomic Energy Agency
1.はじめに

岩石試料は，北海道天塩郡幌延町にある(独)日原子力発電所の使用済み燃料の再処理過程で生

本原子力研究開発機構(JAEA) 幌延深地層研究セ

じる高レベル放射性廃棄物(HLW)は，長半減期核ンターにおいて，地下140mの調査坑道から水平種(マイナーアクチノイド：MA)を含み,数万年と方向に掘削されたボーリング孔(07-V140-M03

いう長期間の安全性を確保する必要があるた孔：3.7-4.0m)から採取した．同深度の地層は新め，深度300m以深に地層処分を行うことになっ第三紀の海成層(声問層:約3.9〜2.0Ma(FT年代測ている.

定法：石井・安江，2005; 石井ほか，2008))から地層処分では，千年後以降にHLWから放射性成り，岩質は珪藻質泥岩である．この試料をたが核種が溶出し，溶出した放射性核種が，ベントねとハンマーで6分割した．また，ベントナイトナイト(人工バリア)と周囲の岩石(天然バリア)にはクニゲルV1(Na型：クニミネ工業)を用いた．

収着されながら，地下水とともに移動していくこ

岩質は粘土鉱物から成る．岩石・鉱物試料のプロとを想定している．そのため，地層処分の安全性ファイルを表1に示す．

を評価する際に放射性核種がどのような条件で，どの程度収着されるのかという基礎的知見が重要となる．
本研究では，放射性核種のアナログ元素となる

3.実験

3.1試料

岩石及び鉱物試料をメノウ乳鉢を用いて粉砕

希土類元素やウラン(U)，トリウム(Th)の収着実し，篩がけにより100メッシュ以下に粒径を揃験を行うのに先立ち，試験に用いる岩石とベンえ，分析試料とした．

トナイトの基礎データを得るために，それぞれの試料の鉱物同定と微量元素の定量などを行った．

3.2分析

試料中の主要元素の定量には蛍光X線回折分析(XRF)を，主要鉱物の同定にはX線回折分析(XRD)，微量元素(アナログ元素)の定量には中性

2.試料

子放射化分析(NAA)を用いた．また含有元素・鉱表1 岩石並びに鉱物試料のプロファイル
深度(m)
水平距離(m)岩相岩質*HP13.70-3.75
健岩部 珪藻質泥岩*HP23.75-3.80
健岩部 珪藻質泥岩*HP33.80-3.82
健岩部 珪藻質泥岩
140m
HP43.82-3.87
健岩部 珪藻質泥岩
HP53.87-3.95
健岩部 珪藻質泥岩
HP63.95-4.04
健岩部 珪藻質泥岩
BV1―――
ベントナイト***逐次溶解法適用試料 **粘土鉱物

地質
声問層
声問層
声問層
声問層
声問層
声問層
―

28
表2 逐次溶解法に用いる試薬と評価対象

目的

抽出試薬

評価対象

140m
HP4HP5HP6BV1―*逐次溶解法適用試料

3.82-3.87
3.87-3.95
3.95-4.04―**粘土鉱物健岩部 珪藻質泥岩
健岩部 珪藻質泥岩
健岩部 珪藻質泥岩―
ベントナイト**

声問層
声問層
声問層
―

表2 逐次溶解法に用いる試薬と評価対象
目的

抽出試薬

評価対象

step1

弱酸による抽出

CH3COOH

炭酸塩態,イオン交換態,有機物態

step2

還元剤による抽出

NH4OH-HCl

水和酸化物態

step3

酸化剤による抽出

H2O2 CH3COONH4

硫化物態,リン酸塩態,有機物態

残渣――

珪酸塩態

物の存在形態を把握するために行った逐次溶解410m付近)の岩石試料データ(堀井，2007)であ試料の分析に対してもNAAを用いた．

る．

3.3逐次溶解法

図1より，HPグループは断層部(HDB-6-8)では
表1 岩石並びに鉱物試料のプロファイル
表1 岩石並びに鉱物試料のプロファイル

岩石試料に含まれる鉱物や化学種の存在形態毎

深度(m)
水平距離(m)
岩相
岩質
地質
なく，健岩部(HDB-6-6)と似たプロットを示し*HP1
3.70-3.75
健岩部 珪藻質泥岩
声問層

深度(m)

水平距離(m)

岩相

岩質

地質

*HP1
3.70-3.75
健岩部 珪藻質泥岩
声問層*HP23.75-3.80
健岩部 珪藻質泥岩
声問層
た．また，HPグループはどれも同じ位置にプ*HP23.75-3.80
健岩部 珪藻質泥岩
声問層*HP33.80-3.82
珪藻質泥岩
健岩部
声問層
*HP3
3.80-3.82
健岩部 珪藻質泥岩
声問層
140m
140m
ロットされた．これらのことから，HPグループ
HP4
3.82-3.87
健岩部 珪藻質泥岩
声問層
HP43.82-3.87
健岩部 珪藻質泥岩
声問層
HP53.87-3.95
健岩部 珪藻質泥岩
声問層
HP53.87-3.95
健岩部
珪藻質泥岩
声問層
は二次的な粘土鉱物の生成が少なく，健岩部と見HP6
3.95-4.04
健岩部
声問層
HP6
3.95-4.04
健岩部 珪藻質泥岩
珪藻質泥岩
声問層
BV1―
―
ベントナイト**―なせる．――
BV1――
ベントナイト**―*逐次溶解法適用試料*逐次溶解法適用試料 **粘土鉱物**粘土鉱物のアナログ元素の存在量を把握するために，既報の逐次溶解法の手順(木川田・本多ら，2007)に順じて逐次溶解処理を行った．表2に逐次溶解法で用いる試薬と評価対象とする鉱物等をまとめる．

次に,HPグループが採取された場所の酸化還元
表2
表2 逐次溶解法に用いる試薬と評価対象
逐次溶解法に用いる試薬と評価対象

逐次溶解法は，試料に対して特定の存在形態を状態を推測するために，Ce/U-Th/Uダイアグラム

とる物質の溶解抽出を目的とする試薬を段階的にを図2に示す．CeとThは共に，酸化環境であれば処すことで行われる．すなわち，酢酸による抽出 step1

CH3COOH
弱酸による抽出
炭酸塩態,イオン交換態,有機物態
不溶性の沈殿物を生成するため，その値は増加す

step2(step1)，塩化ヒドロキシルアンモニウム溶液にstep2

NH
還元剤による抽出
水和酸化物態
NH44OH-HCl
OH-HCl
還元剤による抽出
水和酸化物態
る．逆に，酸化環境でUは可溶性となり溶液に溶

step3
よる抽出(step2)，過酸化水素水および酢酸アンstep3

酸化剤による抽出
硫化物態,リン酸塩態,有機物態
H22O
O22 CH
CH33COONH
COONH44
酸化剤による抽出 H
硫化物態,リン酸塩態,有機物態
け出していくため，その値は減少する．このダイ目的
目的

step1

弱酸による抽出

モニウム溶液による抽出(step3)，これらのstep 残渣残渣

並びにイオン交換態(step1)，酸化物態(step2)，

0.7
0.7
0.6
0.6
0.5
0.5
0.4
0.4
0.3
0.3
0.2
0.2
0.1
0.1
0.0
0.0

炭酸塩態,イオン交換態,有機物態

――

珪酸塩態
珪酸塩態

BV1(ベントナイト)
HDB-6-8(断層部)

TiO2(%)TiO2(%)

硫化物態および有機物態(step3)，ケイ酸塩態(残では， HP1，HP2，HP3及びBV1を選定し，逐CH3COOH

HPｸﾞﾙｰﾌﾟ(健岩部)
HPｸﾞﾙｰﾌﾟ(健岩部)HDB-6-6(健岩部)HDB-6-6(健岩部)

それぞれのstepで抽出される成分の比を酸可溶態形態とその割合を類推することができる．本研究

評価対象
評価対象

――で抽出されなかったもの(残渣)を逐次的に行い，渣)に割り当てることで，試料中の各成分の存在抽出試薬抽出試薬次溶解処理を行った．

60
60

4.結果と考察4.1主要・微量元素の定量結果について岩石試料の風化度を判断するために，風化作用を受けづらいとされているSiO 2 とTiO 2 のハー4.0
4.0

カー図を，図1に示す．
なお，比較のために幌延深地層研究センター周65 SiO2(%) 70
65
図1 SiO2とTiO2のハーカー図
SiO2とTiO2のハーカー図
図1

HPｸﾞﾙｰﾌﾟ(健岩部)
HPｸﾞﾙｰﾌﾟ(健岩部)HDB-6-6(健岩部)HDB-6-6(健岩部)7575

BV1(ベントナイト)
BV1(ベントナイト)
HDB-6-8(断層部)
HDB-6-8(断層部)

Th/UTh/U

3.0
3.0

辺で掘削された深層ボーリング(HDB-6孔: 太田

2.02.0ら, 2007)から得られたHDB-6-6(健岩部)と1.0
1.0

HDB-6-8(断層部)のコアのデータを併記した．

0.00.0

HDB-6-6はHPグループと同じ声問層(深度90m付近 ) の 岩 石 試 料 デー タ ( 入 江 ， 2 0 1 0 ) で あ り ，HDB-6-8は声問層の下位層である稚内層(深度2900

10102020Ce/U
Ce/U
図2 Ce/U-Th/Uダイアグラム
図2 Ce/U-Th/Uダイアグラム

3030

step2

還元剤による抽出

NH4OH-HCl

水和酸化物態

step3

酸化剤による抽出

H2O2 CH3COONH4

硫化物態,リン酸塩態,有機物態

残渣――

珪酸塩態

アグラムでは，左下ほど還元環境を示し，右上ほされた．

ど酸化環境であることを示している．

さらに，HP3のstep3(■)において，Feが選択

図2より，HPグループはHDB-6-6と同様に還元的に抽出されている．

環境を示す位置にプロットされていることが分か

step3は，硫化物態，リン酸塩態，有機物態をる．また，酸化環境にあった試料(HDB-6-8)は，抽出する段階である．LnやU，Thも同様に抽出

HPグループやHDB-6-6よりも右上にプロットさされていることから，LnやU，Thは硫化物態等れている．これらのことは，HPグループが健岩の鉱物等と挙動を共にしている可能性が示唆され部であり，風化を受けていないことを支持していた．これは，XRDの結果が黄鉄鉱の存在を示しる．ていることや，XRFの結果がリン酸の存在を示し4.2鉱物中の主要・微量元素の化学的形態についていることにより裏付けられる．てBV1においては，HP3とは異なった抽出傾向が逐次溶解法を適用した結果を，図3に示す．図みられた．特に，Ca，Mn，Fe，Ln，U及びTh中にある“抽出率”は，(1)式により算出した．

におけるstep3(■)の抽出が選択的であった．
Ln，U及びThに選択的な抽出がみられたのは，抽出率(%) = {(各stepまたは残差の抽出量) / (全黄鉄鉱等の硫化物態やCa, Mn, Fe等を含むリンstep及び残差の抽出量)}

酸塩態と挙動をともにしていることに起因してい・・・(1)るのではないかと推測される．
5.結論

図3より，HP3，BV1のどちらの試料も主に残渣が占めていることが分かる．これは主要元素及本研究により以下の知見が得られた．

び微量元素が珪酸塩態として存在している可能性

健 岩 部 と 仮 定 して 採 取 さ れ た 試 料 は ，が大きいことを示している．

SiO2­TiO2ハーカー図，Ce/U­Th/Uダイアグラ

次に，HP3のstep1(□)においても選択的な抽出

ムより，健岩部であること，及び元素組成の均一が見られる．step1は，炭酸塩態やイオン交換性を確認できた．

態，有機物態を抽出する段階である．よって，逐次溶解法の適用結果より，主要元素

Na及びMnはそれぞれ炭酸塩態やイオン交換態，( 11 Na~ 26 Fe)は主に珪酸塩態として存在するほ有機物態として存在している可能性が高い．同様

か，炭酸塩態やイオン交換態等としても存在しての傾向が，HP3のランタノイド(Ln)及びUにも見いることが示唆された．

られるため，Ln及びUも炭酸塩態やイオン交換逐次溶解法の適用結果より，微量元素態，有機物態として存在している可能性が示唆さ(57La~71Lu、90Th、92U)は珪酸塩態のほか，炭酸れた．

塩態やイオン交換態，水和酸化物態，硫化物態，また，HP3のstep2(■)において，Mg及びCaがリン酸塩態として存在していることが示唆され選択的に抽出されている step2は，酸化物や水和た．また，それらの割合を把握することができ酸化物を抽出する段階である．Lnもstep2で抽出た．

されていることから，LnはMg，Caの酸化物等が6.参考文献

沈殿するときに挙動を共にしている可能性が示唆30

石井英一，安江健一 (2005)：幌延地域における

太田久仁雄，阿部寛信，山口雄大，國丸貴紀，鮮新世〜前期更新世テフラ層序とFT年代. 核石井英一，操上広志，戸村豪治，柴野一則，

燃 料 サイク ル 開 発 機 構 技 術 資 料 ， J N C

濱克宏，松井裕哉，新里忠史，高橋一晴，丹TN5400 2005-006

生屋純夫，大原英史，浅森浩一，森岡宏之，

石井英一，安江健一，大平寛人，古沢明，長谷舟木泰智，茂田直孝，福島龍朗 (2007): 幌延川健，中川光弘 (2008)：北海道北部，大曲

深地層研究計画における地上からの調査研究

断層近傍の背斜成長の開始時期. 地質学会

段階（第 1段階）研究成果報告. JAEA-誌，114，286-299

Research 2007-044.

木川田喜一，早津岳宏，前川裕子，本多照幸，

入江寛和 (2010)：平成22年度修士論文，東京都

大井隆夫 (2007)：逐次溶解法を用いた火山

市大学大学院工学研究科.

性海底堆積物の微量元素形態別分析. 日本海

堀井翔一 (2007)：平成19年度卒業論文，武蔵工水学会誌61(5)，286-292(2007)

業大学工学部.

31