バックエンド勉強会
1118

地下環境と物質移動—地下環境の特徴とバリア機能—
地下環境の特徴とバリア機能—

名古屋大学博物館資料基盤研究系
環境地質学専攻吉田英一
dora@num.nagoya--u.ac.jp
dora@num.nagoya

1地下環境と物質移動
地下環境と物質移動◆地下環境を利⽤するとは？（⽬的 背景）◆地下環境を利⽤するとは？（⽬的・背景）◆⾃然に学ぶ物質移動現象（アナログ事例を通して⻑期的挙動を理解する）◆物質移動経路（断層･割れ⽬・岩⽯マトリクス等）の構造的特徴と元素移動反応-移動経路の特徴と構造発達（断層と割れ⽬の相関）-地下岩盤変質・割れ⽬充填鉱物形成と元素移動-砂岩型ウラン鉱床に⾒る岩⽯マトリクス（堆積岩）中の元素移動
砂岩型ウラン鉱床に⾒る岩⽯ トリクス（堆積岩）中 元素移動

◆地下環境の機能を検証するための地下研の役割
超深地層研究所（MIU） 結晶質岩
-超深地層研究所（MIU）…結晶質岩-ベルギー・モル地下研究所（SCK/CEN）…堆積岩◆ これからの地下環境研究-⻑期的現象評価における理学と⼯学の境界領域研究の重要性-我が国の地下環境の特徴と機能の理解にむけて2

地下環境を利用するとは？
地下環境を利用するとは？（要素と期待される機能）
地下環境の利⽤（地層処分・（地層処分・LPG
LPG備蓄・備蓄・CO
CO2貯留など貯留など））

地質環境：岩⽯+地下⽔

割れ⽬

⻑期的な地下環境をどう理解するか？
⻑期的な地下環境をどう理解するか？

地下数百m以深が対象（還元状態）

物質循環
断層

期待される地下地質環境の機能
還元（嫌気的）状態
遅い地下⽔流動
物理的隔離（距離）

空洞掘削前（平衡的状態）

地下研究所の重要性 ⽔性：⽔理・⽔質・岩⽔質 岩
盤⼒学などの⾮平衡状態形成の理解

掘削による酸化状態の形成

物質循環の加速

EDZ/不飽和領域

岩⽯-地下⽔-微⽣物反応処分場地下空洞掘削による⾮平衡状態の形成

研究⽬的 地下地質環境中での岩⽯ - 地下⽔連携相互作⽤とそれに伴う物質 (元素) 移動メカニズムの理解と応⽤

3

地下環境での理解
地下環境での理解すべき現象
すべき現象（Japan specific：変動帯地質における物質循環と地下地質環境）
調査研究対象領域
地表〜地下数千m

長期的な物質移動プロセスは自然に学ぶしかない
ナチュラルアナログ

Crystalline rocks

Redox front

Pollution

Repository &Storages

Fault

Sedimentary rocks

Fracture◎割れ目・空隙形成プロセス◎割れ目・空隙シーリング◎断層と割れ目との形成相関◎割れ目等充填鉱物形成履歴◎充填鉱物年代測定◎地下深部岩盤変質履歴◎断層・割れ目内物質循環

岩石（岩種・構造など）

物質循環

地下水（流動・水質など）

Nodule◎水質形成履歴解析
変質質◎地下岩石の変質と水質分布◎地下空洞掘削による水質の安定性・緩衝作用解析◎岩石と地下水反応プロセス・反応速度◎地下水流動系との相関／年代測定-酸化還元反応-変質・充填鉱物形成-水質変化-微生物活動◎地下空洞掘削による環境変化と速度

研究対象とゴール（Japan specificな地下環境機能を提示する）◆物質循環に伴う相互作用のあり方と主たる反応を抽出し理解すること◆緩衝作用（Self-healing or sealing）及び許容量（Capacity)の提示◆変動帯地下地質環境に合致した技術による地層処分の実施
4地質環境中での長期的な物質移動現象
地質環境中での長期的な物質移動現象

自然に学ぶ長期的な物質移動プロセス

油⽥開発への応⽤

55

物質移動を規制する構造的物質移動を規制する構造的特性
特性（断層・割れ目・岩石マトリクス（断層・割れ目・岩石マトリクス))
地下岩盤中における地下水と物質の移動する経路

結晶質岩類（割れ目媒体）
断層

Redox front
Repository &Storages 割れ目

堆積岩類（均質媒体）

Pollution
ウラン鉱床

地下深部に貫入したマグマがゆっくりと冷えて固化してできる岩石（深成岩）

凝灰質砂岩

風化した砕屑物が堆積し続成作用でできる岩石（堆積岩）
動水勾配による地下水
砕屑物粒子の移動

動水勾配による地下水の移動

マトリクス

地下700mから採取した地下水の湧水割れ目

断層・割れ目花崗岩

東濃ウラン鉱床のウラン濃集部（空隙率20〜30％）6結晶質岩中におけるバックグランド割れ目の形成について
地下深部花崗岩中の割れ目の産状（釜石栗橋花崗岩；−750mレベル）

国内の異なった形
成年代の結晶質岩中の割れ目密度・形態などを調査
葛根田

割れ⽬頻度 : 1.8本 / m

釜石

土岐万成
倉敷

滝谷

割れ目はどのように形成されるのか？

今治

どの岩体においても平均1〜2本／mの割れ目頻度を有することが確認されている(After Yoshida et al.,2000, 2005)7

結晶質岩中バックグランド割れ目の形成モデル (After Yoshida et al., 2005)
異なった年代の岩体中の割れ⽬頻度
割れ⽬頻度

1Ma,60Ma,120Ma
若い岩体 古い岩
若い岩体〜古い岩体中の割れ目形
態・頻度を調査 葛根田
釜
釜石

滝谷
(1Ma)

土岐(67Ma)

岩体の隆起

釜石(120M )(120Ma)

年代が異なっていても岩体中の割れ目頻度にほとんど変化はない.

バックグランドの割れ目頻度

葛根田
土岐( ) 充填鉱物成長型
亀裂蓄積型 年 代(Ma)モデル
モデル
異なるのは割れ目充填鉱物の厚さ万成
倉敷（サンドイッチ構造の成長）

滝谷
今治

割れ⽬充填鉱物（サンドイッチ構造）の成⻑

岩体の貫入

Takidani Granodiorite
滝⾕花崗岩（100万年）(ca.1Ma ;The Youngest Pluton)8

物質移動経路としての割れ目性状と長期的挙動解析
透⽔性割れ⽬（地下８００mより）過去の流体との反応履歴を記録した‘化石’◆充填鉱物から何がどこまでわかるのか？
◆サイト特性調査で何をどこまで実施可能か？

割れ⽬充填鉱物

変質

直径６cm

割れ⽬から何が⾔えるのか？

◎割れ目形成プロセス◎割れ目形成プ
セ◎割れ目シーリング◎断層と割れ目との形成相関◎割れ目充填鉱物形成履歴◎充填鉱物年代測定◎地下深部岩盤変質履歴◎断層・割れ目内物質循環◎水質形成履歴解析◎地下岩石の変質と水質分布◎岩石と地下水反応プロセス・反応速度◎地下水流動系との相関／年代測定

透水性割れ目の長期的挙動を評価
を評価・予測9地下環境における透水性割れ目の長期的挙動評価（LPGサイト）
現在瀬⼾内海海底下に２基建設中

地下200メートルにLPGを約100年以上貯蔵（地下⽔の⽔圧を利⽤した⽔封⽔システム）

地上

⾼さ40,幅25m,⻑さ400m

地下備蓄
空洞部分
(海底下約200ｍ）

貯蔵レベル（-180〜200m)
10LPG地下備蓄の基本的考え方（気体を液体で貯蔵する方法）
⽔封式地下岩盤貯蔵⽅式….地下⽔圧により常温のLPGを液体として貯蔵する⽅式◆ LPGが気化する圧⼒2≒ 85m以深）よりも少（（0.85MPa=85kg/m以深）よりも少し⾼めの地下⽔圧となる地下に貯槽を設けて、⻑期にかつ⼤量の貯蔵する瀬⼾内海の海底下に建設中◆地下⽔圧を安定化させることが必要なた
め、⽔封⽔（すいふうすい）を供給するためのトンネル、ボーリングを配置し、地下⽔圧をコントロールする⾼さ40,幅25m,⻑さ400m

11海底下-140m平面構造）
140m平面構造）
地下備蓄（倉敷）サイトにおける地質構造
地下備蓄（倉敷）サイトにおける地質構造（海底下半島からの斜坑でアクセス

陸地；⽯油コンビナート
備蓄サイト

地下岩盤中に格⼦状に断層・地下岩盤中に格⼦状に断層割れ⽬（帯）が発達する

瀬⼾内海（⽔深約20m）
300m

12

結晶質岩中の割れ目（帯）詳細分布の事例
割れ目密度の高い部分

断層

割れ目頻度
断層近傍：5〜10本／m
母岩中：1.5〜2.5本／m1313

断層・割れ目充填鉱物による割れ目（水みち）の形成履歴解析
割れ⽬充填鉱物

断層中の充填鉱物

⺟岩中の⾚褐⾊変質（Stage II）
沸⽯類の充填（Stage III~IV)
カルサイトの充填（Stage IV)

マイロナイトの破砕粒⼦（Stage I)
カルサイトの充填（Stage IV)

水みちの充填鉱物について
岩⽯マトリクス中の充填鉱物

カルサイトの充填（StageIV)’構造をなす（流体反応履歴）◆’サンドイッチ◆応力開放に伴う結晶成長が基本（変動帯花崗岩の特徴）

コアで見る水みち（スケールは0.5ミリメート
ル）14

充填鉱物による岩体内構造の形成・流体反応プロセスの推定
I
貫入当時の先堆積岩

III

不整合時の表層風化

酸化変質帯(1)岩体の貫入

貫入・冷却((2)断層・割れ目形成)断層 割れ目形成(9)酸化帯の形成

貫入花崗岩(3)熱水変質(8)風化

Sheeting joint

熱水赤色変質
深度数Km

地表への露出・酸化

断層・割れ目II
隆起と浸食＆応力解放に伴う割れ目(帯）形成

IV（海）
未固結堆積物(4)岩体の隆起(10)沈降(5)断層ガウジの発達(11)Caの浸透と沈殿沈降と堆積物の沈殿
酸化帯
還元帯(12)Fe,Mnの供給(6)Shear crack?

(13)Fe-oxidesの保持(7)Sheeting joint

隆起・熱水反応
隆起
熱水反応

深度数百
沈降・還元化沈降
還元化m15

断層・割れ目（帯）の分布による地下環境の不均質化

断層 割れ目（帯）による水質断層・割れ目（帯）による水質分布のブロック化が認められるClに富む領域（還元状態）

Caに富む領域に富む領域
（酸化的）

400m

断層周辺の割れ⽬（帯）の透⽔性が⾼く、断層⾃体は⽔質の境界として機能する場合が多い
1616地下環境の形成判読と長期挙動の予測（結晶質岩の例）
瀬戸内海（水深約20m）
未固結堆積岩還元帯

Na, Cl rich

~50m

白亜紀
花崗岩

酸化帯 Na, Cl rich

(1)Fe,Mn rich

上部変質部からのCaの供給（Calciteの沈殿形成へ）(２)

Fe,Mn rich

断層
Fe,Mn rich

割れ目
備蓄サイト（長さ400m）
Fe,Mn rich

~250m
250

(３)

(1)海水起源のNa,Clの上部透水性堆積層から供給(2)有機質難透水層からのFe,Mnの供給(3)深部の還元状態地下水の貯留

熱水変質帯

断層・割れ⽬等分布の不均質性が地下環境の不均質性を規制⇒地下環境利⽤に伴う物質移動もこれらに規制される
17

物質移動経路としての割れ目性状と長期的挙動解析（充填鉱物と変質）
透⽔性割れ⽬（地下８００mより）過去の流体との反応履歴を記録した‘化石’◆充填鉱物から何がどこまでわかるのか？
◆サイト特性調査で何をどこまで実施可能か？

直径６cm

岩盤変質から学べるもの◎割れ目形成プロセス◎割れ目シーリング◎断層と割れ目との形成相関◎割れ目充填鉱物形成履歴◎充填鉱物年代測定◎地下深部岩盤変質履歴◎断層・割れ目内物質循環◎水質形成履歴解析◎地下岩石の変質と水質分布◎岩石と地下水反応プロセス・反応速度◎地下水流動系との相関／年代測定

透水性割れ目の長期的挙動を評価を評価・予測18

透水性割れ目周辺岩盤の変質から見えてくるもの…
URL:変動帯地下環境を知る上で重要な施設

地下深部⽔みち割れ⽬周辺での元素移動を調べる

MIU site

Sed.

Sed.

Cry.

Cry.
割れ⽬⺟岩変質帯

2cm

19割れ目充填鉱物形成と周辺母岩からの割れ目充填鉱物形成と周辺母岩からの元素移動プロセス
元素移動プロセス
熱⽔(地下⽔)との反応に伴ってどのように充填鉱物は形成されるのか？

溶 解沈殿＊Nishimoto & Yoshida (2010) Lithos◆⺟岩からのCa,K,Feの供給と地下⽔との反応による充填鉱物の形成

20

充填鉱物・変質から
充填鉱物・変質から推測推測される結晶質岩中長期流体反応モデルされる結晶質岩中長期流体反応モデル
Stage I

Stage II

Stage III

Stage IV

葛根⽥花崗岩の例など

岩体 貫⼊
岩体の貫⼊
割れ⽬の未発達と斜⻑⽯や有⾊鉱物の未変質
地下⽔による変質

熱⽔変質（割れ⽬発達と地熱系成⽴）

1cm

割れ⽬にイライト・⽯英が充填
斜⻑⽯：Ca溶脱・イライト化
⿊雲⺟：K溶脱・緑泥⽯化

地下⽔による変質（還元⽔の浸透）

斜⻑⽯：Ca溶脱・スメクタイ
ト化⿊雲⺟：Fe溶脱（酸素に富む⽔の浸透）

割れ⽬に⽔酸化鉄の沈殿
⿊雲⺟のバーミキュライト化

割れ⽬充填鉱物は 割れ⽬を⽣じた際の物理化学条件を反映する
割れ⽬充填鉱物は、割れ⽬を⽣じた際の物理化学条件を反映する

1cm
吉⽥ (2012）地学雑誌

21

最新情報；粘⼟状充填鉱物を介在する透⽔性割れ⽬の詳細解析
最新情報；粘⼟状
充填鉱物を介在する透⽔性割れ⽬の詳細解析◆300mレベルでの粘⼟状の充填鉱物の確認

当初、断層粘⼟あるいは断層破砕物と誤認

これまで報告事例なし
れま 報告事例なし

標⾼(m)Clイオン濃度(mg/L)

図中の数値は塩化物イオン濃度を⽰す ⻘灰⾊を呈してフィルム状に割れ⽬内を埋める
 現在も透⽔性を有している
 当初、ボーリングコアにおいても確認されていたがカッティングス等との認識
22

粘⼟状充填鉱物の産状
Fracture surface

0.5mm

0.2mm

1cm
020.2mm0.2mm

粘⼟充填割れ⽬の特徴◆断層運動による破砕ではない◆級下構造などの堆積性（流動に伴う）構造を伴う◆ʻ圧⼊ʼに伴う構造を有する◆
圧⼊ に伴う構造を有する
23

粘⼟状充填鉱物の産状

SEM & XRD

24

粘⼟状充填鉱物の形成履歴と形成年代の推定
充填組織に⾒る形成順番◆粘⼟（状）充填鉱物の充填は最も遅い時期と推定◆粘⼟状充填鉱物中の炭酸塩鉱物に対してC-14年代測定を実施
実施の背景：地下⽔との反応時期が推定可能では。。
結果。。。 2~10pMC（地下坑道の５カ所の粘⼟状充填鉱物より）Clay minerals
CalFracture

Chl
0 5mm
0.5mm

Qz0.1mm25

変動帯結晶質岩中
変動帯
結晶質岩中の透水性割れ目・変質形成モデルの透水性割れ目・変質形成モデル
Stage II

Stage I

Stage III

Stage IV
粘⼟状充填鉱物の形成場

深度

岩体の貫⼊

粘⼟状充填鉱物の形成ステージとその特徴◆破砕組織は伴わない（断層の可能性は低い）
割れ⽬の形成◆年代の若い炭酸塩鉱物を有する◆割れ⽬充填組織として最終段階による可能性が⾼い

割れ⽬の未発達と斜⻑⽯や有⾊鉱物の未変質
地下⽔による変質

熱⽔変質（割⽬発達と地熱系成⽴）
割れ⽬にイライト・⽯英が充填
斜⻑⽯：Ca溶脱・イライト化
⿊雲⺟：K溶脱・緑泥⽯化

地下⽔による変質（還 ⽔ 浸透）（還元⽔の浸透）斜⻑⽯：Ca溶脱・スメクタイ
ト化⿊雲⺟：Fe溶脱（酸素に富む⽔の浸透）

割れ⽬に⽔酸化鉄の沈殿
⿊雲⺟のバーミキュライト化

時 間（K-Ar, Rb-Sr, C-14年代測定を実施中）

⻑期
的な
地
下
環
境における
移⾏
経路
機
能の評
価26

⼯学への応⽤：地下環境に⼯学への応⽤：地下環境における透⽔性割れ⽬おける透⽔性割れ⽬湧⽔対策（グラウトの事
湧⽔対策（グラウトの事◆湧⽔量：50ℓ／分

Singleg ffracture
約30m0.5mm
通常 ⽌⽔グラウト
通常の⽌⽔グラウト◆⻑さ約30m◆数m~10m間隔/本

0.5mm

全体で約10本程度が平均的

グラウト材
27

粘⼟状充填鉱物を有する場合の施⼯事例
粘⼟状充填鉱物を有する場合の施⼯事例

全体で150本

3cm

全体で50本単⼀割れ⽬
単割れの約５〜１０倍以上のボ リング
ボーリングと掘削等の時間を必要とする

0.5mm◆湧⽔量：数百ℓ／分
◆湧⽔量
数百ℓ／分
◆グラウトによる⽌⽔効果が⾮常に低い
28

ニアフィールド周辺岩盤における物質移動と地球化学的反応プロセスとの相関
掘削影響領域
コンクリート及びグラウト材等

ベントナイト

⼈⼯バリア

岩

盤

坑道近傍岩盤での現象◆コンクリートによる周辺環境のアルカリ化◆操業期間中の岩盤鉱物（主に鉄鉱物）の酸化◆坑道掘削に伴う⼆次的割れ⽬形成による透⽔性変化

粘⼟状充填鉱物の影響把握

割れ⽬

オーバー
オ
バ
パック

酸化還元フロント（酸化物の形成と拡散）

ガラス
固化体

酸化還元反応に伴う現象◆透⽔性割れ⽬内への酸化物形成◆酸化物沈殿（⽬詰まり効果）による透⽔性の変化◆酸化物沈殿による割れ⽬周辺核種遅延効果（割れ⽬表⾯吸着やマトリクス拡散など）の変化◆地球化学的状態変化に伴う透⽔性割れ⽬の⻑期的形態および鉱物学的変化

処分坑道（処分ピット）

変質岩盤のバリア機能評価
変質岩盤
リア機能評価ベントナイトに関する現象◆コンクリートとの接触に伴う変質◆オーバーパックとの接触に伴う変質天然バリア29変動帯結晶質変質岩盤と変動帯
結晶質変質岩盤とバリア機能の評価
バリア機能の評価
⼟岐花崗岩；
300mまで掘削
変質帯

瑞浪MIU サイトにおける変質帯 存在状態
変質帯の存在状態

結晶質岩
地下300m
以深処分場

MIU site

Fractures

Fault
変動帯地下地質環境において、変質岩盤を避けて処分場等の地下空洞を設けることは不可能

地下岩盤において必ず変質帯に遭遇する以上 変質地下岩盤において必ず変質帯に遭遇する以上、変質岩盤が有する物質移動の遅延機能（天然バリアとしての働き）を評価することは不可欠である

将来の処分場において、変質岩盤を天然バリアの一部として新鮮な岩盤同様に扱うかどうかで処分場パネル等のレイアウトにも影響を及ぼす可能性有り
Conceptual view of panel allocation

30

新鮮岩盤 vs 変質岩盤（鉱物・組織・物性）
新鮮 Gr.
G変質 Gr.
GA

B

K-FeldChlFe-ox

Bt

Qz

Qz
K F ldK-FeldMicro-fracturea4

K-FeldK
Feld

Ser

K-FeldBt
Ca

Differential pore volume ［cc/g/nm
Dm]

KFeCa
◆ マイクロフラクチャーの形成／発達◆ 鉱物の溶解あるいは二次鉱物の沈殿（K, Ca, Fe-ox)
KFe

6ｘ10-6(b)変質 Gr.

Granite III

5ｘ10-6
4ｘ10-6

Density/g cm-3

3ｘ10-6
Granite II

2ｘ10-6

新鮮 Gr.

Granite 0

1ｘ10-6000.002040

Pore diameter [nm]

空隙サイズ

6080

Specific Adsorption
Porositsurfacecapacity
Average of porey2
3area/m (STP)/cmdiameter/nm(%)-1-1ggFresh G.

2.58

0.7

0.064

0.015

10.9

Altered Gr

2.55

1.8

1.3

0.293

12.7

各種物性値(⽐重、空隙率、⽐表⾯積、平均空隙孔サイズ)
Yoshida et al. (2009) Engineering Geology

31

新鮮岩盤 vs 変質岩盤（吸着能による評価；Cs）
新鮮 Gr.

変質 Gr.
Gr
1

Grain size
<100um吸着試験に用いた溶液の成分・試験条件[mol L-1]
Cs
NaHCO3
CaSO4 +5H2O
KClMgSO4

1.0 x 10-5
3.6 x 10-3
1.1 x 10-46 2 x 10-55
6.25 x 10-5

試験溶液 pH
試験の固体／液体⽐試験に⽤いた容器

8.5
10 cm3 g-1
30 mL of Poly(propyrene) bottle

吸着試験期間（⽇）
試験温度（K）

109 days with shaking
298 K

Kd [m3 kkg-1]

0.135

0.158

0.182

変質 Gr1

変質 Gr20.1

0 01
0.010.001

新鮮⺟岩

Csを⽤いた吸着試験結果

新鮮母岩と変質岩石の吸着能に大きな相違は見られない（変質岩盤の方が吸着機能の高い場合も考えられる）バッチ式吸着試験の諸条件
32

新鮮岩盤 vs 変質岩盤（透過試験による吸着能評価；CsCs））
Core sample
φ1.5cmx2.0cm
3000rmpKd' [dm3 g-1]

1b)

0.8

Altered Gr0.6

バッチ式吸着量とほぼ同等の値を⽰す

0.40.20円⼼機を⽤いた加速透過試験装置
1(1×10-5 mol L-1 Cs)

0Csが吸着されたと考えられる場所は？

200400600800Pore volume [PV]1000

破過曲線から導き出される⾒かけ状の吸着能（Kd’）

K-FeldK-Feld

Bt

C/C0

0.8
0.6Qz

0.4Qz

0.20015.6 mm
200400 600 800 1000
Pore volume [PV]加速透過試験機を用いた変質花崗岩のCsの吸着試験

EPMAによって確認した変質岩盤中の微⼩空隙構造。タングステン溶液を円⼼機を⽤いて岩⽯内部に浸透させた後に、薄⽚を作成し、内部空隙構造を同定したもの。 ⽮印の部分により多くのタングステン溶液が能集。(3Na2WO4・9WO3; sodium metatungstatesolution).. K-Feld;Potasium-Feldspar, Qz;Quartz, Bt;Biotite.
(After Yoshida et al., 2009)33

物質移動の観点からみた地下環境の機能（結晶質岩の場合）
物質移動の観点からみた地下環境の機能（結晶質岩の場合）
変動帯結晶質岩の断層・割れ目特性
変質帯
結晶質岩
地下300m
以深処分場

Fractures

Fault
変動帯地下地質環境において、変質岩盤を避けて処分場等の地下空洞を設けることは不可能◆断層：隆起とともに断層ガウジが発達⇒必ずしも「水みち」となるわけではない◆割れ目：バックグランド割れ目の発達⇒単一割れ目が平均１〜２本／mの割合で存在（欧米の安定陸塊は日本の約１／１０）⇒割れ目密度はあまり変化しない（初期段階に形成された割れ目に依存）◆隆起に伴う応力解放とサンドイッチ状充填鉱物の形成／シーリング⇒安定陸塊に比して相対的に早い隆起速度による開孔割れ目の形成◆変質地下岩盤（母岩）の普遍的存在◆変動帯地質環境で育まれてきた結晶質岩体としての特徴◆現在の状態を指標とした長期的安全評価のフレームワークが維持可能であることを示唆

Conceptual view of panel allocation

34

地下環境と物質移動（岩石マトリクス／鉱物粒界における物質移動）
地下岩盤中における地下水と物質の移動する経路

結晶質岩類（割れ目媒体）
断層

Redox front
Repository &Storages 割れ目

堆積岩類（均質媒体）

Pollution
ウラン鉱床

地下深部に貫入したマグマがゆっくりと冷えて固化してできる岩石（深成岩）

凝灰質砂岩

風化した砕屑物が堆積し続成作用でできる岩石（堆積岩）
動水勾配による地下水
砕屑物粒子の移動

動水勾配による地下水の移動

マトリクス

地下700mから採取した地下水の湧水割れ目
花崗岩

岩石マトリクス
東濃ウラン鉱床のウラン濃集部（空隙率20〜30％）

35

岩石マトリクス中の物質移動アナログ（ウラン鉱床を活用した物質移動の理解（ウラン鉱床を活用した物質移動の理解))
東濃ウラン鉱床（砂岩型鉱床）⇒地下水によって運ばれたウランが吸着・濃集した鉱床
Redox front

ウラン鉱床

Repository &Storages 割れ目
断層

凝灰質砂岩

東濃ウラン鉱床の事例
解析事例
地下⽔の動き1km
36

ウランの吸着・濃集状態（岩⽯マトリクスと濃集の相関）
ウ ン鉱床を⽤ た研究 結果から⾔え
ウラン鉱床を⽤いた研究の結果から⾔えること..とウラン濃集部分：オートラジオグラフ
ウ
濃集部分 オ ト ジオグ（⽩い部分がウランの濃集ケ所）

調査・分析結果
微⼩領域 分析結果から 鉄を多く含微⼩領域の分析結果から、鉄を多く含む鉱物（⿊雲⺟や⻩鉄鉱）に選択的に濃集し、顕著な⼆次的な移動は⽣じていないことがウラン系列核種の放射⾮平衡分析から⽰される（地層の核種固定機能）
37

ウランの吸着・濃集状態（鉱物と濃集の相関）
ウラン濃集状態（天然環境では酸化還元反応に伴うウランの濃集プロセスが重要となる）
⿊雲⺟⿊雲⺟のへき開にそって、地下⽔に溶解したウランが浸透し、⿊雲⺟のFeとの酸化還元反応を経て沈殿／濃集球顆状⻩鉄鉱球顆状⻩鉄鉱が形成されるときの酸化還元反応に伴って沈殿／濃集ウラン鉱床を⽤いた研究の結果から⾔えること..⿊雲
⺟や粘⼟鉱物、鉄鉱物などの堆積岩中に普遍的に存在する鉱物が吸着素材として機能していること

核種吸着・遅延機能をどのように定量的に評価するか？

38

天然バリア機能を把握するための核種移⾏原位置試験
ベルギー・モル原⼦⼒研究所（1980年代初めから建設）

地下230メートルの粘⼟層中に建設

地下⽔⾯は-1~2m-180m

地 環境（岩地下環境（岩⽯や地層）の持つ核種隔離地 ） 持 核種 離機能をどのように定量的に評価するか？
Boom clay（ブーム粘⼟層：厚さ約100m）◆約20Maの未固結堆積層（ほぼ⽔平に堆積）-224m◆Major mineralogical composition (%)
Illite 20~30, Smectite 10~20, Chlorite 5~20,
Organic matter 5.0◆Granumetric composition (%)μ 50~60，， 2μm<d<60μm
μμ 40~45，>60μm，μ 2~8<2μm◆Hydraulic conductivity 4x10-12m/s◆Porosity 30~40 %-246m

39ベルギー・モル地下研究所原位置試験研究シャフト部分Boom clay

地下230メートルの粘⼟層中に建設

凍結⼯法による
掘削4040

Boom clayの堆積学的特徴◆浅海内湾性の堆積物。⻑期に渡って穏やかな堆積環境が継続していたことを⽰唆。

0.01mm
0.1mm
Chemical composition (%)
SiO2 60， Al2O3 15， Fe2O3 5.0， K2O 3.0，
CaO 0.7， Na2O 0.5， MgO 1.3， TiO2 0.8
Loss of weight at 1000℃ 10.0
Organic matter 5.0
Porewater chemistry pH=8.5-9.0，
pH=8 5-9 0 Eh=Eh=~-250mV-250mV
Major mineralogical composition (%)
Illite 20~30， Smectite 10~20， Chlorite 5~20
Granumetric composition (%)<2μm 50~60， 2μm<d<60μm 40~45，>60μm 2~8
2 8
Hydraulic conductivity 4x10-12m/s
Porosity 30~40 %◆微視的な堆積構造を有する（粘⼟鉱物の堆積による異⽅性の存在）◆有機質である（粘⼟層といった堆積物には普遍的に存在）◆難透⽔性層を評価する場合の重要ポイント（その１）0 01mm0.01mm41

放射性元素(吸着性トレーサーU-233)を⽤いた原位置試験

試験コア

地下⽔の流れ

Boom clay層坑道への間隙⽔圧差を利⽤した
動⽔勾配による移動評価試験

U-233

U-233を粘⼟層中にトレーサーとして注⼊し注⼊し、２年かけてその動きを調査
年かけ そ 動きを調査
U-233を使⽤する理由◆放射性廃棄物の重要核種（化学的アナログ）◆α線を出し、天然ウラン系列核種との区別可能
42放射性元素(吸着性トレーサーU-233)原位置試験：解析⽅法
試験後の解析⽅法
◆試験コアをオーバーコアリングで採取試験コアをオ バ コアリングで採取（軟岩であることからオーバーコアリングが必須）◆コアを半分にカットし、⼀⽅では岩⽯薄⽚を作成し、もう⼀⽅の資料で透過した放射線量の測定を実施

43

放射性元素(吸着性トレーサーU-233)原位置試験：結果（プロファイル）
結果（重要ポイント）◆トレーサー封⼊位置からほぼ対称的なウランの濃度分布を⽰す
動⽔勾配10000以上であるにも関わらずウランの動きは拡散⽀配である

試験期間456⽇
U233◆約１年半の間でのウランの動きは1cmに満たない粘⼟層中におけるウラン 動きは粘⼟層中におけるウランの動きは⾮常に遅い

坑道からの地下⽔の流れ⽅向44

放射性元素(吸着性トレーサーU-233)原位置試験：結果（吸着ヶ所）
結果（重要ポイント）◆ウランの主な濃集ヶ所→有機物→鉄鉱物→粘⼟鉱物

αトラックによる同定
岩⽯薄⽚写真（Anatase）

岩⽯薄⽚写真（有機物）◆有機物や鉄鉱物への吸着は酸化還元反応によるU(IV)としての固定が考えられる◆粘⼟鉱物への吸着は、ウラン鎖体の物理化学的吸着が主な原因と考えられる◆トレーサー試験による結果と⾃然界でのウランの濃集産状はおおよそ⼀致する
致す

αトラック写真

5μm

5μm
45

これからの地下環境研究の考え方（地層処分の場合）の違いを⽰す

B？
操業期間

地球化学的平衡状態
態態

曲 線
線線

これらを有する地下環境総体としてのバリア機能（緩衝作⽤）の把握が最も重要

態◆透⽔性割れ⽬の特異的性
質（粘⼟状充填物の存在：グラウトなどへの影響）

衡 状◆断層や割れ⽬（帯）に伴う変質帯を必ず有する処処分場閉鎖処平平平

削削処分場掘削

おおよその割れ⽬形成や地下変質形成プロセスを理解（将来のサイト特性調査へも適⽤可能）
地下環境の特徴として
A~C:地質環境の緩◆断層・割れ⽬（帯）を避衝作⽤の程度によAる平衡状態の形成
けることは不可能

⼈⼯材料と天然素材との反応

C◆どの時空間までのどの現象の追跡を⾏うか？

100 101 102 103 104 105 106
処分坑道掘削・操業・閉鎖後の経時状態変化（時間：年）46