地層処分と地質環境の長期安定性に関する研究
バックエンド週末基礎講座 （2012年11月18日）

地形
活火山
地温勾配
活断層
隆起速度
侵食速度
独 行政法人 日本原子力研究開発機構
独立行政法人
東濃地科学研究ユニット 自然事象研究グループ
安江 健一

わが国における地層処分の安全確保の考え方
・変動帯に位置
・地質の複雑さ考慮すべきわが国の地質環境の特徴

・地下水で飽和した地質環境

・生活環境との離間距離の短縮

影響の可能性・地下水による核種の溶解と移行（接近シナリオ）（地下水シナリオ）

対 策
・サイト選定：・工学的対策：・地層処分システムの構築：

地層処分にとって安定な地質環境を選定

天然バリア機能を有する地質環境に人工バリアを施工（多重バリアシステム）
緩衝材
岩盤

地層処分システムが備えるべき固有の性能を確保

安全性の確認・構築された地層処分システムの安全性を評価（安全評価）
ニアフィールド（人工バリアと周辺岩盤）の性能に重点， さらに確実にするための天然バリア性能の評価（注：第２次取りまとめにおける考え方）2

安全評価で考慮するシナリオの分類
安全評価で考慮するシナリオ

接近シナリオ

地下水シナリオ

高レベル放射性廃棄物と人間との物理的距離が接近することによって人間環境に影響

地下水により放射性物質が処分場から人間環境に運ばれる

例：
・マグマの処分場への直接貫入
場
直接貫・人間の処分場への直接侵入
・隕石衝突による処分場の破壊

基本シナリオ

変動シナリオ

・現在の地質環境が将来まで継続
現在の地質環境が将来まで継続
・人工バリアが安全機能を発揮
・現在の地表の環境が将来まで継続

・天然現象の影響
天然現象の影響・将来の人間活動の影響
・初期欠陥の影響（核燃料サイクル開発機構，1999）

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地層処分において考慮すべき自然現象
隆起・侵食／気候・海水準変動• 生活環境と処分施設との離間距離の短縮• 地下水の流動特性や水質の変化による放射性物質の移行への影響 等

火山・熱水活動• マグマの貫入・噴出による処分施設の破損• 地温上昇・熱水対流の発生，熱水・火山ガスの混入による地下水の水質変化 等

処分施設

地震活動・断層運動• 岩盤の破断・破砕による処分施設の破損• 岩盤の破断・破砕による地下水移行経路の形成，岩盤歪に起岩盤の破断・破砕による地下水移行経路の形成 岩盤歪に起因する地下水の水理学的変化 等

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地層処分計画の進展以降で日本原子力研究開発機構がこれまでに取り組んできた研究の一部を紹介します。

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全国レベルでの自然現象のデータベースの作成

侵食速度（mm/年）

日本の第四紀火山カタログ（日本火山学会，1999）

6

日本列島活断層図（活断層研究，2000）

全国の侵食速度の布図（藤原ほか，1999）

35万年前以降の海水準変動（核燃料サイクル開発機構，1999）

6

地質環境の長期安定性に関する研究の目標と反映先① 調査技術の開発・体系化
過去の自然現象の記録や現在の状況を調査するための体系的な技術な技術のの整備＝＞ サイトの選定や安全性の検討に必要な情報を整備するための技術② 長期予測・影響評価モデルの開発
将来の自然現象による地質環境の変動の幅を予測 評価する
将来の自然現象による地質環境の変動の幅を予測・評価する
ための手法
ための手法の整備の整備＞ 地層処分システムの安全評価に必要な技術＝＞③ 年代測定技術の開発① ②の信頼性を向上するための技術基盤としての編年技術①，②の信頼性を向上するための技術基盤としての編年技術の高度化

7①調査技術の開発・体系化の研究事例
地下深部のマグマ・高温流体等に関する調査技術

変動地形が明瞭でない
活断層等に係る調査技術

概要調査等に基づくサイト選定のイメージ

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地下深部のマグマ・高温流体等に関する調査技術
い い で

飯豊山地の例
A

A’

飯豊山地
北股岳

地震波（S波)速度構造[A－A’断面]
比抵抗構造

 北股岳の地下15km以深には地震波低速度体と低比抵抗体が存在 これらの異常体の上面は地殻内地震のcut-off depthと調和的
飯豊山地の地下には400℃以上の高温の流体が存在することを示唆
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地下深部のマグマ・高温流体等に関する調査技術
3He/4He

1RA

<8RA

大陸地殻

<0 02RA<0.02R

8 35RA
8~35R

8±1RA>35RA
大気・地殻・マントルのヘリウム同位体比の特徴

3He/4He比（RA）の地理的分布

飯豊山地周辺の温泉ガスのヘリウム同位体比は，
東北日本 火山ガ
東北日本の火山ガスの同位体比と同程度の値同位体比と同程度 値
この地域の温泉の熱源はマグマであると考えられる。

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変動地形が明瞭でない活断層等に係る調査技術
2000年鳥取県西部地震（Mj 7.3）の震源域の例★ 本震・ 余震
－ 震源断層(Fukuyama et al., 2003)

国土地理院「数値地図250mメッシュ」を基に作成

地下水中の溶存ガスのHe同位体比の分布((Umeda and Ninomiya,y , 2009))

変動地形が明瞭でない活断層の地球化学的な調査技術として有効性を示唆
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変動地形が明瞭でない活断層等に係る調査技術
糸魚川－静岡構造線の例
東隆起の逆断層小谷

北 部 逆断層成分

横ずれ断層
塩尻

中 部 左横ずれ成分

南部逆断層成分

西隆起の逆断層

甲府

地下水・温泉ｶ地下水
温泉ｶﾞｽ中のﾍﾘｳﾑ同位体比
ｽ中のﾍﾘｳﾑ同位体比の分布（Umeda et al., 2011）

北部・南部の逆断層に比べて中部の横ずれ断層周辺で特に高い値

12地質環境の長期安定性に関する研究の目標と反映先① 調査技術の開発・体系化
過去の自然現象の記録や現在の状況を調査するための体系的な技術な技術のの整備＝＞ サイトの選定や安全性の検討に必要な情報を整備するための技術② 長期予測・影響評価モデルの開発
将来の自然現象による地質環境の変動の幅を予測 評価する
将来の自然現象による地質環境の変動の幅を予測・評価する
ための手法
ための手法の整備の整備＞ 地層処分システムの安全評価に必要な技術＝＞③ 年代測定技術の開発① ②の信頼性を向上するための技術基盤としての編年技術①，②の信頼性を向上するための技術基盤としての編年技術の高度化

13②長期予測・影響評価モデルの開発の研究事例

地形変化の重要性（（Tricart,1965; Chorley et al., 1984; Meyer et al., 1992を改変）
を改変）

気候変動と地形変化の時間・空間スケール
地形が地下水流動に与える影響 （模式図）
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地形変化シミュレーション技術の開発
山地の侵食がほとんど無く，隆起のみを続けてきたケース

ケ ス① （隆起量≫侵食量≒0m）
ケース①（隆起量≫侵食量≒0 ）段丘を復元したのち，全体の標高を14万年間の隆起量(0 1mm/y)だけ低下させる(0.1mm/y)だけ低下させる
山地を現在の高さとする

解析領域内の河成段丘分布

ケース② （隆起量＝侵食量）

山地の侵食速度と隆起速度がほぼ等し
く，山地の高度が変化していないケース

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地形変化シミュレーション技術の開発

ケース① （隆起量≫侵食量）

ケース② （隆起量＝侵食量）

14万年間の地形変化シミュレーションの結果と実際の地形との高度差

16地形変化を考慮した地下水流動解析手法の開発
将来の地形変化をシミュレート → 地下水流動解析 → 変動幅の把握

地形変化シミュレーションの結果

過去～現在の地形変化 → 地下水流動解析 → 過去～現在の地下水流動特性の変動傾向を将来 外挿動傾向を将来へ外挿して変動幅を推定
変動幅を推定既存情報に基づいて作成した過去から現在の概括的な地形変化モデル
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地形変化を考慮した地下水流動解析手法の開発

地形変化シミュレーション結果＋
地下水流動解析

過去～現在の地形変化モデル＋
地下水流動解析

将来の地質環境の変動幅を予測するための評価手法
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超長期
超長期における予測・評価手法に関する検討
ける予測 評価手法 関する検討

10万年
100万年

過去～現在の地形変化に伴うダルシー流速の平均値の変化
及び将来の変化幅の推定例
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超長期における予測・評価手法に関する検討

侵食量

代表的な山地の成長曲線（町田・鎮西，2001を改変）

隆起速度一定のもとでの山地高度の変化曲線
隆起速度定のもとでの山地高度の変化曲線（Ohmori, 1978 を参考）

長期的な地質環境の変化を検討する際にはテクトニクスの転換期を考慮することが重要
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超長期における予測・評価手法に関する検討

本研究で得られた山地高度変化曲線

隆起開始時期（初期高度0m）

0-0.8Ma
0.8-1.7Ma
1 7 2 6M
1.7-2.6Ma
2.6Ma以前

日本の主な山地が現在の隆起速度で隆起を開始した時期

Ma：百万年前

地質学的現象の超長期の予測結果（変動幅等）を地層処分の安全評価にどのように反映していくかを検討することが必要

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地質環境の長期安定性に関する研究の目標と反映先① 調査技術の開発・体系化
過去の自然現象の記録や現在の状況を調査するための体系的な技術な技術のの整備＝＞ サイトの選定や安全性の検討に必要な情報を整備するための技術② 長期予測・影響評価モデルの開発
将来の自然現象による地質環境の変動の幅を予測 評価する
将来の自然現象による地質環境の変動の幅を予測・評価するための手法
ための手法の整備の整備＞ 地層処分システムの安全評価に必要な技術＝＞③ 年代測定技術の開発① ②の信頼性を向上するための技術基盤としての編年技術①，②の信頼性を向上するための技術基盤としての編年技術の高度化

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第四紀堆積物の年代測定手法の適用年代
火山灰層序
年縞堆積物
年輪年代法
238U系列法
10Be
14C

K-Ar
K
Ar
FT
TL

OSL
(U-Th)/He法

年代測定のギャップ
Stage 5e段丘

1万10万Stage 7段丘

20万

50万 100万 200万[年]藤原ほか（2005）に加筆

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年代測定技術の開発

鉱物中のメルトインクルージョン
鉱物中のルトインクル ジョン

ペレトロン年代測定装置

高分解能のテフラ同定
手法の開発

加速器質量分析計を用いた10Be年代測定法の実用化(U-Th)/He年代測定装置

K-Ar年代測定装置

各年代測定技術の適用に関する概念図
四重極型質量分析計等を用いた(U Th)/H 年代測定法の実用化(U-Th)/He年代測定法の実用化

希ガス用質量分析計等を用いた
K-Ar年代測定法の実用化

24年代測定技術の開発
ガラスが認められない
中期更新世テフラ

10Be年代を用いた河川沿いでの下刻速度の推定のイメージ

下⽅ポーラ

加速器質量分析計を用いた10Be年代測定法の実用化

ﾎﾙﾝﾌ ﾚﾝﾄ 中のﾎﾙﾝﾌﾞﾚﾝﾄﾞ中のﾒﾙﾄｲﾝｸﾙｰｼﾞｮﾝ（ ）SEM画像

高分解能のテフラ同定手法の開発

上盤

摩擦発熱
熱水循
環を伴う上盤（急冷）

断層活動に伴う熱水の影響

断層運動に伴う熱的イベントの識別

下盤

熱水

断層ガウジ中の粘土鉱物

断層の活動性の評価(Zwingmann et al., 2004)

四重極型質量分析計等を用いた(U-Th)/He年代測定法の実用化

希ガス用質量分析計等を用いたK-Ar年代測定法の実用化

下盤（徐冷）

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現在取り組んでいる研究課題（H22～26）①調査技術の開発・体系化② 長期予測・影響評価モデルの開発● 地形変化シミュレーション技術の高度化● 地質断層の再活動等に係るシミュレ
地質断層の再活動等に係るシミュレーション技術
ション技術● 地殻変動に伴う熱水活動の形成に係るモデルの開発● 超長期における予測・評価手法に関する検討● 古水理地質学的アプロ
古水理地質学的アプローチによる地質環境の変化の予チによる地質環境の変化の予測・評価手法の開発③ 年代測定技術の開発● 加速器質量分析計を用いた10Be年代測定法の実用化● 四重極型質量分析計等を用いた(U-Th)/He年代測定法の実用化● 希ガス質量分析計等を用いたK-Ar年代測定法の実用化● 高分解能のテフラ同定手法の開発

計画・成果の詳細は報告書をご覧ください。

● 変動地形が明瞭でない活断層等に係る調査技術● 断層の発達段階の評価に係る調査技術● 地下で遭遇した断層の活動性に係る調査技術● 地殻内の震源断層等に係る調査技術● 内陸部の隆起・侵食速度の算出に係る調査技術

http://www.jaea.go.jp/04/tono/antei/seika_01.html

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終わりに処分事業
成果報告書
関係機関との研究協力（写真：産総研との共同研究）

信頼性
透明性
効率性
情報・意見交換会
実験教室

高校等への講師派遣
施設見学

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