考察

3.4.1 岩 盤 の 弾 性 波 速 度 や 比 抵 抗 に 影 響 を 与 え る 要 因

一 般 に ，岩 石 の 弾 性 波 速 度 に 影 響 を 与 え る 主 な 要 因 と し て ，温 度 ，圧 力 ，岩 質 ， 空 隙 率 ， 岩 石 中 の 飽 和 度 ， 割 れ 目 な ど の 岩 石 内 部 の 欠 陥 が 挙 げ ら れ る ． こ れ ら の 条 件 の う ち ， 温 度 に 関 し て は ， 温 度 上 昇 と と も に 弾 性 波 速 度 は 低 下 す る が ， そ の 低 下 量 は 小 さ い と 言 わ れ て い る^{1 3 )}． 実 際 に 地 下 施 設 建 設 前 の 地 上 か ら の ボ ー リ ン グ 調 査 で 行 わ れ た 温 度 検 層 と 音 波 検 層 の 結 果^{5 )}に 基 づ く と ，坑 内 で は10~2 5℃ の 温 度 変 化 が 予 想 さ れ る が ，こ の 温 度 範 囲 内 で は 大 き な 弾 性 波 速 度 の 変 化 は な か っ た ． ま た ， 弾 性 波 速 度 は 岩 石 へ の 圧 力 の 増 大 と と も に 増 大 し て い く 傾 向 に あ る こ と が 知 ら れ て い る が^{1 2 )}，珪 藻 質 泥 岩 を 用 い て 様 々 な 静 水 圧 条 件 下 で 拘 束 圧 を0.7 MP aか ら4. 2MP aま で ，0 .7 MP aず つ 増 加 さ せ て 弾 性 波 速 度 を 計 測 し た 結 果^{1 4 )}で は ，拘 束 圧 の 増 大 に よ り 弾 性 波 速 度 は 漸 増 し た も の の ，そ の 程 度 は0. 1k m/s未 満 と わ ず か で あ っ た ． さ ら に ， 今 回 弾 性 波 ト モ グ ラ フ ィ 調 査 を 実 施 し た 西 側 調 査 坑 道 で は ， 切 羽 お よ び 側 壁 面 で の 地 質 観 察 に 基 づ く と ，約4 m四 方 の 調 査 領 域 に お い て ，岩 質 や 空 隙 率 に 関 し て お お む ね 均 質 な 岩 盤 が 分 布 し て い る と い え る ．

一 方 ，飽 和 度 の 変 化 に 関 し て は ，Ga ssma nn^{1 5 )}やWh ite an d S eng bu sh^{1 6 )}が ，岩 石 中 の 飽 和 度 の 増 大 と と も に 岩 石 の 体 積 弾 性 率 が 増 大 す る こ と か ら ， 飽 和 度 の 増 大 と と も に 弾 性 波 速 度 が 増 大 す る こ と を 説 明 し て い る ． 大 久 保 ら^{1 7 )}は ， 室 内 試 験 結 果 と そ れ ら の 理 論 式 の 整 合 性 に つ い て 述 べ て い る ． さ ら に ， 窪 田 ら^{4 )}の 珪 藻 質 泥 岩 に よ る 弾 性 波 速 度 と 飽 和 度 の 関 係 の 室 内 試 験 結 果 に よ る と ， 飽 和 度 が0 -80 %の 範 囲 で は ， 飽 和 度 の 増 大 と と も に 弾 性 波 速 度 は 低 下 す る が ， 飽 和 度 が8 0 -100 %の 範 囲 で は ， 飽 和 度 の 増 大 と と も に 弾 性 波 速 度 は 増 大 す る こ と が わ か っ て い る ．

ま た ， 岩 石 中 に ク ラ ッ ク が 存 在 す る こ と に よ り 弾 性 波 速 度 が 低 下 す る こ と は ， Hudson^{1 8 )}に よ り 理 論 的 に 述 べ ら れ て い る ． ま た ， 谷 本 ・ 岸 田^{1 9 )}は ， 室 内 試 験 に よ り ， 不 連 続 面 の 存 在 に よ り 弾 性 波 速 度 が 低 下 し ， 弾 性 波 振 幅 も 減 衰 す る こ と を 示 し て い る ．

採取 位置

原位置 重量 (g)

飽和 重量 (g)

絶乾 重量 (g)

見掛 飽和度 (%)

A 44.9 46.0 29.9 93.2

B 71.6 72.2 47.9 97.5

C 107.4 108.2 72.9 97.7

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以 上 の 検 討 か ら ，図3 . 6に 示 し た 物 理 探 査 領 域 内 部 の 弾 性 波 速 度 の 低 下 に 影 響 を 及 ぼ し て い る 主 要 因 は ，岩 盤 中 の 飽 和 度 の 変 化 と 割 れ 目 の 発 達 の2つ で あ る と し て ， 弾 性 波 速 度 の 変 化 に つ い て 論 じ る ．

次 に ， 岩 盤 の 比 抵 抗 は ， 岩 盤 中 の 飽 和 度 や 間 隙 率 ， 間 隙 水 の 比 抵 抗 ， 温 度 な ど と い っ た 様 々 な 要 因 に よ り 変 化 す る^{2 0 )}． こ れ ら の う ち ，ED Zに お い て 生 じ る 主 要 な 物 性 変 化 は ， 割 れ 目 の 形 成 に 伴 う 間 隙 率 の 変 化 ， 水 分 の 蒸 発 散 や 大 気 の 流 入 に 伴 う 飽 和 度 の 変 化 で あ る ．

調 査 領 域 で は 掘 進 に 伴 う 割 れ 目 の 形 成 は 確 認 さ れ て い る が ， そ れ ら の 割 れ 目 は か み 合 わ せ が よ く ， ほ と ん ど 開 口 し て い な い こ と が 推 定 さ れ て い る^{2 1 )}． こ の こ と か ら ， 調 査 領 域 内 部 の 岩 盤 の 割 れ 目 の 開 口 に 伴 う 間 隙 率 の 変 化 は 大 き く な い と 考 え ら れ る ． さ ら に ， 割 れ 目 の 形 成 に 伴 う 比 抵 抗 の 変 化 に 関 し て は ， 岩 石 の マ ト リ ッ ク ス 部 分 の 比 抵 抗 が 小 さ い 泥 岩 で ， 割 れ 目 を 満 た す 地 下 水 の 比 抵 抗 と の 差 が 小 さ け れ ば ， 割 れ 目 の 存 在 の 有 無 に 関 わ ら ず ， 岩 盤 の 比 抵 抗 に 変 化 は 生 じ に く い と 考 え ら れ る^{2 2 )}． よ っ て ， 割 れ 目 の 形 成 に 伴 う 比 抵 抗 の 変 化 は 生 じ て い な い と 考 え ら れ る ．

飽 和 状 態 か ら 不 飽 和 帯 が 形 成 さ れ る と ，岩 石 の 比 抵 抗 は 増 大 す る^{2 3 )}．表3. 2に 示 し た よ う に ， 調 査 領 域 に お い て 採 取 し た 岩 石 供 試 体 の 見 か け 飽 和 度 は 全 て90%以 上 で あ っ た ． ま た ， 幌 延 地 域 の 珪 藻 質 泥 岩 の 供 試 体 を 用 い て 実 施 し た 飽 和 度 と 比 抵 抗 と の 関 係 を 計 測 し た 結 果^{4 )}で は ，完 全 飽 和 状 態 か ら 飽 和 度 が90 %に 低 下 す る 場 合 ，比 抵 抗 は10~2 0%程 度 増 大 す る ．さ ら に 飽 和 度 が 低 下 し て い く と ，比 抵 抗 は 数 倍 以 上 に ま で 増 大 し て い く ． こ の た め ， 飽 和 度 が90 %程 度 の 高 い 領 域 に お け る 飽 和 度 変 化 に 対 し て 分 解 能 が 小 さ い 傾 向 に あ る と 思 わ れ る ． 従 っ て ， 比 抵 抗 ト モ グ ラ フ ィ 調 査 の 結 果 に 基 づ く と ， 調 査 領 域 の 岩 盤 の 飽 和 度 の 低 下 は 大 き く 生 じ て い な い と 考 え ら れ る ．

以 上 の 検 討 を 踏 ま え ， 以 降 で は ， 壁 面 に 分 布 す る 割 れ 目 の 密 度 に 着 目 し て ， 弾 性 波 速 度 と の 関 係 を 議 論 す る ．

3.4.2 調 査 領 域 内 部 の 割 れ 目 の 密 度 と 弾 性 波 速 度 の 関 係 3.4.2.1 調 査 領 域 周 辺 の 三 次 元 割 れ 目 モ デ ル の 作 成

調 査 領 域 内 部 の 割 れ 目 の 分 布 と 弾 性 波 速 度 の 関 係 を 検 討 す る た め に ， 地 質 観 察 に よ り 得 ら れ た 割 れ 目 の ト レ ー ス と 測 定 さ れ た 方 向 の 情 報 を 基 に ， 調 査 領 域 周 辺 の 割 れ 目 の 発 達 を 三 次 元 的 に 表 す こ と が で き る モ デ ル を 作 成 し た ． 同 モ デ ル に お い て ， 割 れ 目 は 厚 さ が 無 視 で き る 円 盤 で モ デ ル 化 し た ． そ の 直 径 は ，EDZ 割 れ 目 に つ い て は ト レ ー ス 長 と し ， せ ん 断 性 割 れ 目 は ， そ の 拡 が り を 地 質 観 察 で は 把 握

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で き て い な い た め ，ト モ グ ラ フ ィ 領 域 を 内 包 す る よ う に ，直 径 2 0 m と し た ．割 れ 目 の 方 向 性 は ， 地 質 観 察 で 計 測 さ れ た 走 向 傾 斜 と し た ． た だ し ，EDZ 割 れ 目 に つ い て は 走 向 傾 斜 が 計 測 さ れ て い な い も の も あ る た め ， そ れ ら に つ い て は ， 図 3.11 (a )に 基 づ い て ， 最 頻 値 （N9 °E77 °E） を 用 い た ． 割 れ 目 の 位 置 に 関 し て は ， 図 3.10 に 例 示 す る よ う な 壁 面 の 展 開 画 像 か ら 割 れ 目 の 中 点 座 標 を 算 出 し ， 坑 道 内 に 設 け た 規 準 測 量 点 の 座 標 と 対 応 さ せ る こ と で ， 坑 道 壁 面 の 割 れ 目 の 位 置 を 計 算 し た ．

作 成 し た 割 れ 目 の 三 次 元 分 布 と 弾 性 波 ト モ グ ラ フ ィ 調 査 の 発 振 ・ 受 振 孔 ， 代 表 的 な 測 線 を 図 3 .1 2 に 示 す ． 図 3. 12 (a )に 示 す モ デ ル は ，ED Z 割 れ 目 と せ ん 断 性 の 割 れ 目 の 分 布 を 示 し て い る ． こ の 図 で は ， 調 査 領 域 付 近 に 割 れ 目 が 発 達 し て い る こ と は わ か る も の の ，EDZ 割 れ 目 が ど の 程 度 発 達 し て い る の か が わ か ら な い ．そ こ で ， 図 3. 12 (b)で は ，ED Z 割 れ 目 の み を 描 画 し た ． 図 3. 12 (b )よ り ， 調 査 領 域 周 辺 で ，EDZ 割 れ 目 が 発 達 し て い る 様 子 が わ か る ．

図 3. 12 三 次 元 割 れ 目 モ デ ル ．(a )は ED Z 割 れ 目 と せ ん 断 性 割 れ 目 の 三 次 元 モ デ ル ，(b )は EDZ 割 れ 目 の 三 次 元 モ デ ル を 示 す ．

3.4.2.2 割 れ 目 密 度 と 弾 性 波 速 度 の 関 係

弾 性 波 ト モ グ ラ フ ィ 調 査 の う ち ，調 査 領 域 か ら 切 羽 が 十 分 離 れ た 初 期 値 取 得 6 4 日 後 の 速 度 構 造 （ 図 3 .6(d)） に お け る 割 れ 目 密 度 と 弾 性 波 速 度 の 関 係 を 図 3.13に 示 す ． 割 れ 目 密 度 は ， 三 次 元 割 れ 目 モ デ ル 上 で ， 発 振 点 ― 受 振 点 間 の 測 線 が 横 切

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っ た 割 れ 目 の 数 を そ の 測 線 長 で 割 っ た 値 と し た ． 図 中 点 線 は ， 坑 道 掘 削 前 の 調 査 に よ り 得 た 岩 盤 の 弾 性 波 速 度 の 平 均 値 で あ る 1 .67 k m/s で あ る ． 図 3 .13 よ り ， 割 れ 目 密 度 の 増 大 に 伴 い ， 弾 性 波 速 度 が ほ ぼ 線 形 に 低 下 す る ．

図 3. 13に 示 す 曲 線 は ，人 工 材 料 に 割 れ 目 を 造 成 し て 弾 性 波 速 度 を 測 定 し た 室 内

試 験 に よ り 導 か れ た ， 弾 性 波 速 度 と 割 れ 目 密 度 に 関 す る 近 似 式 で あ る ． こ の 関 係 は ， 以 下 の 式 ^{2 4 )}で 表 さ れ る ．

( ) n V t

l V l

+

=

* (3.2 )

( ) n n

t

= 0 . 118

式 中 の V*は 割 れ 目 を 通 過 す る 弾 性 波 速 度 ，V は 健 岩 部 の 弾 性 波 速 度 ，l は 弾 性 波 の 伝 播 距 離 ，n は 割 れ 目 密 度 ，td(n)は 割 れ 目 を 通 過 す る 弾 性 波 の 走 時 の 時 間 遅 れ の 割 れ 目 密 度 に 関 す る 関 数 で あ る ．図 3 . 13 に お い て は ，健 岩 部 の 弾 性 波 速 度 V は ，西 側 調 査 坑 道 の 掘 削 前 の 弾 性 波 速 度 の 平 均 値 で あ る 1 .67 k m/s を 採 用 し た ．ま た ，時 間 遅 れ の 関 数 td(n)は ，割 れ 目 を 通 過 す る 波 が 伝 播 す る 走 時 と 健 岩 部 を 波 が 伝 播 す る 走 時 の 差 を と る こ と に よ り 算 出 さ れ た 走 時 の 時 間 遅 れ と ， 割 れ 目 密 度 n と の 関 係 で あ る ． 本 調 査 領 域 で は ， 割 れ 目 密 度 の 増 大 と と も に ， 概 ね 線 形 的 に 走 時 の 時 間 遅 れ が 大 き く な る 傾 向 が 見 ら れ た た め ，td(n)を 式(3 .3 )に 示 す よ う に 線 形 関 数 と し て 設 定 し た ．図 3.13 よ り ，原 位 置 試 験 に よ り 得 ら れ た 弾 性 波 速 度 の 低 下 の 傾 向 は ， 式(3 .2 )の 近 似 曲 線 の 傾 向 と 整 合 す る ．

以 上 の 結 果 か ら ，坑 道 周 辺 の 弾 性 波 速 度 の 低 下 は ，ED Z割 れ 目 の 形 成 が 主 な 原 因 で あ る と 考 え ら れ る ．

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図 3.13 割 れ 目 密 度 と 弾 性 波 速 度 の 関 係

3.4.2.3 EDZ の 経 時 変 化 と 長 期 計 測 に 対 す る 課 題

3. 3.1 節 に 示 し た 通 り ，坑 道 掘 削 後 1 年 間 は 坑 道 周 辺 の 弾 性 波 速 度 の 低 下 領 域 が 変 動 す る 傾 向 を 確 認 し た ． こ れ ら の 変 化 の 要 因 と し て は ， 坑 道 周 辺 岩 盤 内 が ， 坑 内 換 気 の 影 響 に よ る 坑 内 の 温 度 変 化 ， 比 抵 抗 ト モ グ ラ フ ィ 調 査 で は 分 解 能 の 関 係 か ら と ら え る こ と が で き な か っ た よ う な 飽 和 度 の 若 干 の 変 化 ， 水 分 量 の 変 化 に 伴 う 岩 盤 の 湿 潤 膨 張 や 乾 燥 収 縮 の 発 生 ， 岩 盤 へ の ク リ ー プ 変 位 の 作 用 に 伴 う 割 れ 目 開 口 幅 の 変 動 等 の 要 因 を 反 映 し て い る 可 能 性 が あ る ． し か し な が ら ， 現 時 点 に お い て ， 岩 盤 内 部 の 水 分 量 に 関 す る 詳 細 な 検 討 や ， 変 位 の 検 討 事 例 が 無 い た め ， 明 確 な 要 因 を 特 定 す る こ と が 不 可 能 で あ る ． ま た ， 弾 性 波 速 度 の 低 下 領 域 の 変 化 に 伴 う 岩 盤 の 透 水 性 の 変 化 を 捉 え る こ と も 重 要 と 考 え る ． こ れ ら の 問 題 を 解 決 す る た め に は ， 岩 盤 内 の 水 分 量 の 計 測 ， 定 期 的 な 透 水 試 験 の 実 施 ， 岩 盤 の 変 形 挙 動 の 計 測 ，岩 盤 内 温 度 測 定 の 実 施 な ど が 必 要 で あ る ．25 0 m 調 査 坑 道 に お け る 測 定 に お い て 見 出 さ れ た こ の よ う な 課 題 は ， 現 在 実 施 中 の 350 m 調 査 坑 道 に お け る 原 位 置 調 査 の 計 器 設 置 レ イ ア ウ ト に 反 映 さ れ て い る ． そ の た め ， 今 後 ， 力 学 ― 水 理 ― 化 学 的 な 観 点 か ら EDZ の 空 間 的 な 発 達 と そ の 状 態 に つ い て ，長 期 的 な 計 測 結 果 を 基 に さ ら に 検 討 し て い き た い と 考 え て い る ．

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