第３章 鳥取砂丘の繰り返し測定に基づく自然電位分布の特徴（2016 年度―2018 年度）－電位分布から地下水を探るー
塩崎一郎・畑岡 寛
Abstract
How does precipitation penetrate underground and in what form is it stored as groundwater in
the Tottori Sand Dunes? How is it related to the underground structure? To clarify these, the selfpotential method was applied in the Tottori Sand Dunes. The following two points were shown
from the results of repeated self-potential measurements carried out at the Tottori Sand Dunes.
(1) From the correlation function analysis, it was reconfirmed that the characteristics of the spatialand temporal fluctuations of the self-potential in the Tottori Sand Dunes were widely common. Inaddition, there are some points that are not related to the behavior of other points, though it is afew points, suggesting the existence of factors that disturb the groundwater flow field. (2) It was
shown that close examination of the spatial characteristics of the topographic effect is one of theimportant keys to improve the accuracy of groundwater level estimation using this method.
これまでに鳥取砂丘では，基盤構造の解明

1．はじめに鳥取砂丘に降る雨・雪，これらの降水はど研究（小玉（2007））や，砂丘堆積物の内部のように地下に浸透し，どのような形態で地構造の解明のための地中レーダ探査（田村・下水として蓄えられているのだろうか？それ他（2010））が実施された．近年，砂丘内湧と地下構造はどのように関連するのであろう水（オアシス）の起源を定量的に解明するたか？これが本調査の研究目的である．この問めに，複数の非破壊的な物理探査法ならびにいに答えるために，できれば，誰でもできる水文学的な手法を用いた，鳥取砂丘の地下構容易な手法で，砂丘景観に影響を与えること造と地下水大循環に関する調査研究（例えなく実施できる方法を提案したい．

ば，塩崎・他（2013）, 塩崎（2016），齋

この問いかけは，鳥取砂丘の起伏の象徴で藤・他（2016）, 箆津・他（2016）等）によある第二砂丘列，いわゆる馬の背の南側の凹り，そのオアシス湧水の起源や器，通路に関地に季節によりその姿を変化させるオアシスする議論が行われるようになってきた．

研究から始まった．オアシスが如何なるメカ

その一例として，筆者を含む研究グループ

ニズムで発生・消滅しているのだろうか．オ

による先行調査（塩崎・他（2013））では，「降アシスへ注がれる流入水はどこからきて，ど水が砂丘砂に浸透し，地下水となる．その一こへ流出するのかは，古くからの学術的関心

部は火山灰層を主体とする帯水層に導かれ，事項であった（赤木（1991）, 財団法人自然宙水として，オアシス湧水へ注がれる．オア美化管理財団（1995），星見（2009）など）．

シス湧水は馬の背の地下を越えて海へ注がれる．オアシス湧水と多鯰ヶ池の水には同時刻

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的・直接的関連はみられない」ことなどを示

自然電位の時間的・空間的な変動を調べた．

唆する研究成果を導いた．

また，2017 年秋以降，新たに砂丘列の横断する測線を設定し，最大傾斜例として 11 測線

この調査では非破壊的とはいえ，複数の物理探査法ならびに水文学的な手法が適用され， （J11〜N11）の自然電位分布データを用いて，探査対象の解明を測るために，人工的な信号地下水位の推定精度の向上を目的とした研究を大地に送信・受信するための特別な測定装をスタートした．

置が必要となる手法も適用された．鳥取砂丘

ここでは鳥取砂丘の広域の地下水位分布のは，その環境に人為的な影響が生じないよう

解 明 を 目 的 と し て (1)繰 り 返 し 測 定 さ れ た 自

厳しく管理されるため，井戸などの設置や大然電位を時間的・空間的に概観するとともに，型測器による地下水位探査の実施が適さず，(2)地 形 効 果 の 指 標 を 再 考 し た 砂 丘 下 の 地 下

仮に機材が導入できたとしても，制限付きの水位推定例を報告する．

調査研究を必要とされる研究対象地域といえる．そういう観点では，鳥取砂丘の全域の地

2．鳥取砂丘の地下模式柱状図

下構造・地下水研究は，新たな学術上の研究地下構造モデルとして赤木(1991)による総手法の発展が期待される分野といえよう．砂合的な地質学的研究成果を取り入れた模式柱丘という自然環境の特殊性を最大限に活かし,状図（図 1）を参照することで，鳥取砂丘の広かつ，先述の環境への配慮を考慮し，大掛か域の地下水位分布に影響を与える主要素を考りな装置を必要としない，簡便な地下構造（地下水）調査手法の開発が期待される．
後述するように，複数の非破壊的物理探査法のひとつである自然電位法を調査手法候補とした調査研究を進めている．例えば，鳥取
砂丘において自然電位法を用いて得られた一つの調査結果（塩崎（2016））は，砂丘域全体として広域的な地下水位の変動を考えた場合，砂丘に降った雨水が降下し，飽和地下水帯に完全に影響を及ぼすまでに少なくとも 3 ヶ月の期間を要すること，そして，その降雨の影響による地下水位の変動は 3〜5 ヶ月の期間持続（貯留）することなど，砂丘の広域的な地下水循環モデル像を示唆した．
2016 年度以降，この鳥取砂丘における広域的な地下水位の推定精度および地下水循環モデルをより発展させるものとして，観測杭を図 1. 鳥 取 砂 丘 の 模 式 柱 状 図 (赤 木（ 1991）)：利用した K 測線（K2〜K15）において自然電位火山灰層を中心に，砂丘は実際よりうすく示されての繰り返し測定を継続実施し，砂丘におけるい る ． 数 は 層 の 厚 さ (cm)を 示 す ．

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える．この柱状図では，基盤岩類の上，砂丘想定している．一般に，山岳地など地形に変砂中に鍵層として，上部を新砂丘，下部を古化のある場所で自然電位を測定した場合，標砂丘と識別する，主に大山火山を起源とする高が高い地域の SP は低電位になり，低い方大山倉吉軽石(DKP)他の火山灰層の存在と,そが高電位になることが知られている（地形効の火山灰層中に粘質火山灰土，粘質ローム，果）．これは地形の起伏に伴う地下水の流れに粘土等の難透水性の層と軽石等の比較的透水よって，界面動電現象をメカニズムとして発性の良い層が存在する可能性が示されている． 生することに起因すると解釈されている．
従って，保水性の良くない砂丘砂に浸透し先行調査（塩崎・他（2013））では，鳥取砂た降水が，水を通さない基盤岩の不透水層や丘において自然電位法を用いた地下水位の分透水性の悪い火山灰層の付近に地下水として布形状を推定する試みとして，自然電位と標貯留する（財団法人自然美化管理財団（1995））

高の相関関係の有無を確認し，そして，両者という概念をもとに，ここでは降水の砂丘下の線形関係を示す指標としてその傾き（地形の移動形態や，地下水位変動への影響に関す効果を表す係数）を推定し，Zlotnicki andる定量的な調査研究が求められる．

Nishida（2003）で提示された地下均質媒質中に不飽和帯と飽和地下水帯が存在するという

3．鳥取砂丘の自然電位分布の特徴と地下水単純なモデルを仮定し，地下水位深度の推定位深度推定の試みを試みた．

自然電位の概要と先行研究の成果

そして，その推定結果と，僅か数例ではあ地下水の流れ場に密接に関連する唯一の物

るものの砂丘域で実施された学術ボーリング

理量としての自然電位と，その分布の時間的・から導かれた地下水位深度とを比較し，概ね空間的変動の特徴を理解することは重要な意

地下水位の深浅の傾向は，自然電位分布から味を持つ．本節では先 行報告（例えば，塩崎・矛盾なく推定されることから，鳥取砂丘域で他（2013））にならい，石戸（1998a, 1998b）の自然電位測定が大局的な地下水位分布形状を参考に，自然電位の発生メカニズムについの推定に有効である可能性を初めて示した．

3-1て説明する．次に，この先行研究において，自然電位法を砂丘域での地下水位調査にどの3-2

繰り返し自然電位測定の概要ように適用しようとしたのかに焦点を当て，鳥取砂丘における自然電位を用いた広域的その研究成果に触れる（なお，自然電位発生な地下水位の推定精度および地下水循環モデ及び研究の進展に関する詳細な解説は，例えルをより確かなものにするために検討すべきば，西田（2013）によるレビュー論文を一読

課題とは何か？ 塩崎（2016）は，いくつかのされたい）．

候補を挙げ，その中の一つとして，砂丘にお自然電位（SP，Self-Potential）は，地中ける自然電位の時間的・空間的な変動を理解の，主として電気化学的なプロセスによってすることが重要な鍵となるとして，繰り返し発生すると考えられているが，特に，本研究自然電位測定の必要性を指摘した．その詳細

では，砂丘域での正と負の電荷を分離するメは同報告に譲るが，本節では，2016 年度以降カニズムとして界面動電現象（流動電位）をに取り組んだ繰り返し測定の概略を述べる．

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先行調査をふまえ，鳥取砂丘の大局的な自5 回ずつの測定を行う）を選定・測定を行い，然電位分布の定常性ならびに変動の特徴を確

これらの 25 個のデータの算術平均により各認するための自然電位測定地点として，鳥取測定地点の自然電位データとした．

砂丘景観保全協議会が砂の移動調査のためにこのようにして K 測線に関して得られた，設置した観測杭を利用した（図 2）．先述のよ2016 年 4 月〜2019 年 3 月までの 3 年間の繰

うに，2016 年度以降，既存の研究を発展させり返し自然電位測定結果のグラフを図 3-1,2るものとして，観測杭を利用した K 測線（K2に示す．

〜K15）上において約１ヶ月毎の自然電位の繰り返し測定を継続実施し，砂丘における自然電位の時間的・空間的な変動を調べた．また，新たに 2017 年秋以降，試験的に 11 測線を加え（2018 年度より定期的），砂丘列の横断する測線を設定し，最大傾斜方向の自然電位分布データを用いて，地下水位の推定精度の向上を目的とした研究をスタートした．
図 3-1. 繰 り 返 し 測 定 に 基 づ く K 測 線 観 測 地 点 (K2K15)毎 の 自 然 電 位 時 間 変 動 (2016 年 4 月 か ら 2019年 3 月 )：
縦 軸 は K11 を 基 準 点 と す る 自 然 電 位 の 値 を 示 し ，横軸は時間軸を示す．

図 2. 鳥 取 砂 丘 に お け る 観 測 杭 位 置 図 ：観測杭（測線の交点）は鳥取砂丘景観保全協議会が砂の移動調査のために設置したものである．

自然電位の測定には，デジタル・ボルトメ図 3-2. K 測 線 の 自 然 電 位 空 間 分 布 (2016 年 4 月 かータと電線，そして，分極による影響を少な

ら 2019 年 3 月 )：く す る た め に １ 対 の 鉛 —塩 化 鉛 平 衡 電 極 を 用

縦 軸 は K11 を 基 準 点 と す る 自 然 電 位 の 値 を 示 し ，横いた．自然電位測定システムの基準点は K11

軸 は K2 を 左 端 ， K15 を 右 端 と す る 水 平 位 置 （ 各 観地点近傍に設定した．各観測杭の南側 50cm を

測 点 間 距 離 は 100m） を 示 す ．

測定中心点とし，その周りに電極が隣接するように東西南北の 4 点の合計 5 点（各点では先行調査で既に指摘されたように，K 測線

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における大局的・空間的な自然電位分布の特a) 砂丘K測線において繰り返し測定された徴が定常的に保存されることがこの図 3-1 か

自然電位の時間的変動は，ほぼ全点で調和的ら確認できる．また，観測杭毎に時系列で自である（図3-1）．

然電位変動をグラフ化したものを図 3-2 に示b) 砂丘K測線における繰り返し自然電位測す．こちらも先行調査で指摘されたように，定結果の空間的分布形状は全期間を通してみ

観測地点毎の時系列変動を見た場合，概ね調れば，多少の変動はあるものの調和的である

和的であるものの，その特徴を詳しくみると（図3-2）．

必ずしも全地点での変動が調和的ではないこc)K9 ならびに K12 地点を除く各地点の相対とや，変動様式（変動の振幅や位相）の共通的な自然電位変動は他のすべての砂丘 K 測線するエリアが存在することなども再確認され上の地点の自然電位変動と相関が高いが，K9た．このことは，鳥取砂丘の地下水位分布やならびに K12 地点では相関が低い（表 3−1）．

地下水循環システムが，局所的には必ずしも単純なものではないことを示唆する貴重な研表 3−1. 測 定 地 点 毎 の 自 然 電 位 変 動 の 相 関 係 数 ：究資料と考えられる．

赤 色 は 相 関 係 数 が 0.7以 上 の 組 み 合 わ せ を 示 す ．

村山（2019）は，これらの点に着目し，K 測線に関して自然電位の空間的分布特性を地点毎の相関関数を推定することにより調べた．
また，別観点の調査研究として，地下水位の推定精度向上の取り組みに関して，既存の手法を発展するものとして，他の物理探査結果を利用した試験的研究（松下（2019））がなさ

橙 色 は 0.4〜 0.7， 茶 色 は 0.2〜 0.4を 示 す ．（ 村 山(2019)よ り 引 用 ）K2
K2K3K4K5K6K7K8K9K10K11K12K13K14K15
赤K3K4K5K6K7K8K9K10

0.84
0.93
0.95
0.87
0.94
0.61
0.40
0.75

0.83
0.87
0.90
0.86
0.78
0.22
0.79

0.99
0.94
0.98
0.62
0.34
0.73

0.96
0.99
0.69
0.31
0.78

0.97
0.74
0.11
0.85

0.68
0.23
0.82

0.12
0.79

-0.08

0.26
0.71
0.76
0.70

0.16
0.75
0.78
0.85

0.18
0.82
0.80
0.62

0.20
0.85
0.850.680.170.82
0.880.75

0.230.83
0.87
0.70

0.44
0.87
0.86
0.88

0.16
0.24-0.05
0.08

0.7～１

橙0.4～0.7 茶

0.2～0.4

白K110.57
0.73
0.93
0.92

K12K130.38
0.48
0.58

K140.900.70

K150.83

0～0.2

れた．これら二つの興味深い研究に関しては，
鳥取砂丘の広域の地下水位分布の解明を目的

上のa)，b)に示される特徴はこれまでの砂として実施された(1) 自然電位の繰り返し測丘調査研究で既に指摘されたことであるが，定結果を時間的・空間的に概観するとともに，c)で示される特徴は，各地点における相対的(2)地 形 効 果 の 係 数 を 用 い た 砂 丘 下 の 地 下 水

な自然電位変動の相関関係を検討した結果，位推定精度向上の検討結果を 3.3 節ならびに村山（2019）により新たに示された知見であ3.4 節において報告する．

る．これは，既存の知見a），b）で示された特徴を地点間毎の相関を調べることで定量的に3-3K測線における空間的自然電位変動の特徴表現したものといえる．K9ならびにK12地点と他地点との相関の低さは，これら２地点の地繰り返し測定された自然電位を用いて，砂下あるいは周辺域に，水の流れ場を変化させ丘K測線に関する自然電位分布（(K11基準)のることで自然電位分布を乱す要因の存在が示

時間的・空間的特徴は次の通りである．

唆される．例えば，植生分布や火山灰層の分布状況の変化，地表付近での潜在的不均質構

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造の変化などがその候補に挙げられるであろその知見に加えて，他の物理探査から推定さう．

れていないM11〜N11区間においても地下水位深度が新たに推定された．

3-4

11測線における自然電位分布を用いた地下水位推定法の精度向上に関する試み
2017年9月以降，既存のデータが活用できるK測線に関する調査研究に加え，その測線に直交する11測線においても，おおよそ１ヶ月毎の自然電位の繰り返し測定を開始した．
この11測線の選定には，オアシス湧水周辺域であり，かつ，砂丘列に直交する走向（すなわち最大傾斜）を有し，過去に実施された電気探査(太田（2010）)やレーダー探査（齊藤・他（2016）)による地下構造に関する知見の存在を考慮した．特に，ここでは自然電位の空間的な特徴に注目し，地形効果の指標を用いた砂丘下の地下水位推定精度の向上に着手した．

図 3-3.

区間毎の地形効果の係数の決定例：

2018年 12月 19日 に 測 定 さ れ た 自 然 電 位 測 定 デ ー タを 用 い て 3つ の J-K,K-L,L-N区 間 に 対 し て 決 定 さ れた 地 形 効 果 の 係 数 を 表 す ．（ 松 下 (2019)よ り 図 を 引用・加筆したもの）

松下（2019）は, 自然電位の地形効果の影響が同一である区間を検討するという中西（2018）の方法にヒントを得て，測点間隔をより短くして自然電位の地形効果の影響が同一である区間を精査した．その結果，J11からM11測線間においては，３つの地形効果の係数が存在する可能性を見出した（図3−3）．
これらの係数を用いて11測線下の地下水位を推定した．3-1で述べた手法では，地下水3つ の 手 法 に よ り 推 定 さ れ た 地 下 水 位 標 高位を推定する際に，計算上，地形効果の係数

図 3-4.とその係数が適用できる１地点の地下水位深の対比：

度データが必要となるため，地形効果の係数

松 下 (2019)の 地 下 水 位 標 高 の 推 定 結 果 を 中 西 (2018)の個数に対応した個数の地下水位データを既な ら び に 齊 藤 ・ 他 (2016)の レ ー ダ ー 探 査 結 果 と 対 比存のレーダー探査結果を参照して適用した．

したもの．同一の地形効果が及ぶ区間を精査する

その結果，推定された地下水位を図3−4に示ことでレーダー探査結果と調和する推定結果を得す．新しい手法による推定結果は，既存の電た ．（ 松 下 (2019)よ り 図 を 引 用 ・ 加 筆 し た も の ）気探査ならびにレーダー探査により得られた地下水位と良い対応関係がみられた．また，鳥取砂丘景観保全調査報告書 Reports of the surveys for landscape conservation of Tottori Sand Dunes，
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この研究成果から，鳥取砂丘においては，辺の降水量，それに起因する自然電位変動に自然電位データに含まれる地形効果の空間的関する定量的相互関連調査研究については，特徴を精査すること，すなわち，今回のよう新しい知見を提出できてない．その基礎となに測定間隔長の再検討を含めて，自然電位のる降水量と地下水位変動の定量的な関係性の空間的特徴を精査することが，地下水位の推解明に立ち返るとともに，それらの関係性に定精度向上に繋がる一つの重要な鍵になるこ

自然電位変動を結びつけることで，降水-地下とが示された．

水 位 -自 然 電 位 の 変 動 モ デ ル を 確 立 で き る よう歩を進めることが求められる．
K 測線に加えて，2017 年度の後半からは 1

4．おわりに鳥取砂丘における繰り返し自然電位測定結

1 測線の各地点においても，約 1 ヶ月毎に実果から次の２点が示された．

施された繰り返し自然電位測定データが蓄積(1)鳥取砂丘における自然電位の空間的・時間されつつある．すでに，「1.はじめに」で触れ的変動の特徴は広範囲で保存されることが再たように，自然電位研究を通して，降水-地下確認された．

水 位 -自 然 電 位 の 変 動 を 関 連 づ け る 砂 丘 の 広(2)自 然 電 位 デ ー タ に 含 ま れ る 地 形 効 果 の 空

域的な地下水循環モデルが示唆された調査報

間的特徴を精査することが同手法を用いた地告もあるが，これら降水-地下水位-自然電位

下水位の推定精度向上に繋がる一つの重要なの３項目データ間の定量的な関係性を解明す鍵になることが示された．

るためにも，位相差も含め，周期解析などのただし，(1)に関しては，K 測線上の K9 や研究手法を用いた新たな調査研究が待たれる．

K12 地点のように測定データの時間的・空間

最後に，景観保護の観点から鳥取砂丘にお的変動が他の地点の挙動と相関がみられない

ける調査研究活動は制約のもと実施されていところも存在する．同手法の適用限界を考える．一方で，鳥取砂丘を市民が親しみ，科学る上で重要な知見である．鳥取砂丘では，火学習の場として，砂丘景観を乱すことなく利山灰の露出やその潜在性，植生分布，地下構用できる空間として考えたとき，ここで紹介造の不均質性の存在などが地下水の流れ場とした調査手法は活用が期待できる．なぜなら，密接に関連し，それらに強く影響する要因と自然電位（SP）調査は，身近な道具を使って，なる可能性がある．今後研究が進められるべ

誰でもできる容易な手法で，自然環境に影響き調査対象のひとつとなるであろう．

を与えることなく，砂丘下の地下水流動系やまた，(2)に関しては，地形効果の係数を精地下水位に関する情報に触れることことがで査することは同時に，精査の結果得られた係

きる唯一の地球物理学調査手法であるといえ数に対応する個数と同数の地下水位標高デーるから．用いる電線やデジタル・ボルトメー

タを他の手法や仮定をもとに与えなければな

タはホームセンターで入手でき，電極も自作らない．このことはこの手法の限界であり，可能である．鳥取砂丘を散歩するかのような同時に，利点である簡便性を損なうことを意

感覚で自然電位を測定することにより，市民味する．今後の検討課題といえる．の手による全く新しい砂丘の姿が提示される

ところで，鳥取砂丘の地下水位変動と砂丘周ものと期待される．

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2015 年 度 ）か ら 見 え た こ と -, pp.16-23, 山

5．謝辞
2018 年度には鳥取大学技術部工学・情報系

陰海岸国立公園鳥取砂丘保全調査報告書

部門・山本真二技術職員に鳥取砂丘地形に関（ 第 ３ 号 ），（ 平 成 28 年 3 月 31 日 ）鳥 取 砂する GNSS 測量を実施していただいた。ここ

丘 再 生 会 議 （ 保 全 再 生部会 ）に記して謝意を表する．
齊 藤 忠 臣 ・ 河 合 隆 行 ・西本 貴 之 ・ 箆 津 杏 奈 ・文献

糟 谷 哲 史・猪 迫 耕 二・安 田 裕・塩 﨑 一 郎 (20赤 木 三 郎（ 1991）：砂 丘 の ひ み つ ，170pp., 青 木16):鳥 取 砂 丘 に お け る オア シ ス・地 下 水 の 水
源 と 地 下 水 分 布 ,応 用 水文 ,28, pp.29-51

書店

財 団 法 人 自 然 公 園 美 化 管 理 財 団 （ 1995）： 鳥 取箆 津 杏 奈 ・ 齊 藤 忠 臣 ・河合 隆 行 ・ 西 本貴之・

砂 丘 ，新・美 し い自 然 公園 13，財 団 法 人 自糟 谷 哲 史・猪 迫耕 二・安田 裕・塩 﨑 一郎 (2然公園美化管理財団016)： 鳥 取 砂 丘 に お け る オ ア シ ス 発 生 ・ 消
滅 と 地 下 水 位 の 変 動 ,応 用 水 文 ,28, pp.21-2

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徴に関する研究, 鳥取大学工学部社会シス
テ ム 土 木 系 学 科 平 成 30 年 度 卒 業 論 文

松 下 航 平 (2019)： 鳥 取 砂 丘 に お け る 自 然 電 位 の空間的特徴を利用した地下水位推定精度向上に関する研究, 鳥取大学工学部社会シス
テ ム 土 木 系 学 科 平 成 30 年 度 卒 業 論 文

大 田 将 平（ 2010）：比 抵 抗映 像 法 を 用 い た 鳥 取 砂
丘火山灰露出地およびオアシス周りの地
下 構 造 に 関 す る 基 礎 的研究 ，鳥 取 大 学 工 学部 土 木 工 学 科 平 成 21 年 度 卒 業 論 文

中 西 勁 (2018)： 鳥 取 砂 丘 に お け る 繰 り 返 し 自 然
電位測定と地下水位推定に関する基礎的研
究 , 鳥 取 大 学 工 学 部 土 木 工 学 科 平 成 29 年
度卒業論文

鳥取砂丘景観保全調査報告書 Reports of the surveys for landscape conservation of Tottori Sand Dunes，
59 pp. December 2020, Published by Tottori Sand Dunes Mirai Council― 27 ―