亀裂性岩盤を対象とした孔間水理試験に基づく水理地質構造の推定

(1)

─ ─95 （）41 リング孔を用いた調査は，地下深部の地質環境のデータを直接取得できることから有効な手法である。岩盤中の地下水流動を把握するための水理調査のうち，1 本のボーリング孔を用いた水理試験は，ボーリング孔を中心とした領域の平均的な岩盤の水理パラメータや流れの場を推定することが可能である。しかしながら，地下水流動を規制する不連続構造などの位置を把握することは容易ではない。一方，複数のボーリング孔を利用する孔間水理試験では，観測孔の水圧応答の分布や大きさの違いなどから，孔間に存在し地下水流動に影響を与える水理地質構造の位置など概略的な把握が可能と考えられる。孔間水理試験については，これまでに多くの実施例が報告されており，孔間の透水性や貯留性の把握，水みちや遮水性構造など水理地質構造の分布の把握を目的とした調査・解析が実施されている3），4），5），6），7）_{。さらに水み} 1．はじめに地下深部における地下水流動を適切に把握することは，エネルギー資源の地下備蓄や放射性廃棄物の地層処分などの分野において必要不可欠である。このような分野ではプロジェクトが長期にわたって実施されることから，段階的に取得される調査データに基づいて地下水流動のモデル化解析が実施されることになる。地下水流動を明らかにするためには，調査データに基づく地下水流動の概念モデルの構築と流動概念に影響を与える水理地質構造を適切に表現された水理地質構造モデルに基づき，地下水流動解析を実施することが必要である1），2）_。また，このプロセスは段階的な調査の進展にしたがって繰り返し修正・改良が行われることになる。地下水流動を明らかにするための調査としては，表層水文調査やボーリング調査などがある。このうち，ボー

竹内真司

＊

_{・竹内竜史}

＊＊

_{・安藤賢一}

＊＊＊

The compartment structure of a fractured granite rock has been investigated using long-term pressure monitoring and cross-hole interference tests. The boreholes used ranges from several hundred meters to over 1000 meters in depth. A site scale compartment structure has been estimated based on observations of natural pressure changes, including earthquakes, and the characteristics of the interference test observed drawdown. Following the removal of tidal and baro-metric pressure effects, clear pressure responses were identiﬁed at a monitoring well located about 1km away from the pumping well. Remarkable high hydraulic diffusivity has been estimated from fractional dimensional analysis and this cor-relates with the velocity indicator. The methods applied in this study appear effective in estimating the hydrogeological conceptual model for the site.

Keywords : Fractured rock, Cross-hole hydraulic test, Compartment structure, Water-conducting feature

亀裂性岩盤を対象とした孔間水理試験に基づく水理地質構造の推定

Study on Hydrogeological Conceptualization in a Fractured Rock

Based on the Cross-Hole Hydraulic Test

Shinji TAKEUCHI

＊

_{, Ryuji TAKEUCHI}

＊＊

_{and Ken-ich ANDO}

＊＊＊

（Accepted November 14, 2012）

＊_{Department of Geosystem Sciences, College of Humanities and} Sciences, Nihon University: 3−25−40 Sakurajosui, Setagaya-ku, Tokyo, 156−8550 Japan

＊＊_{Tono Geoscientific Research Unit, Atomic Energy Agency: 1-64,} Yamanouchi, Akeyo-cho, Mizunami-shi, 509-6132 Japan

＊＊＊_{Nuclear Waste Technology Department, Obayashi Corporation:} Shinagawa Intercity Tower B, 2-15-2, Konan, Minato-ku, Tokyo, 108-8502 Japan ＊ _{日本大学文理学部地球システム科学科:} 〒156−8550 東京都世田谷区桜上水3−25−40 ＊＊ _{（独）日本原子力研究開発機構東濃地科学研究ユニット}_: 〒509−6132 岐阜県瑞浪市明世町山野内1−64 ＊＊＊ _{（株）大林組原子力本部：} 〒108−8502 東京都港区港南2−15−2 品川インターシティB棟日本大学文理学部自然科学研究所研究紀要 No.48 （2013） pp.95−110

(2)

竹内真司・竹内竜史・安藤賢一 ─ ─96 （）42 ちの連続性については，数値解析により仮想の水理場を構築し，水圧の応答性を示す水頭拡散率と水みちにおける流量や水圧応答時間などとの関係を検討した事例がある8），9）_{。しかしながら，これらの事例は，数メートルか} ら百メートル程度の孔間距離で実施されたものが多く，また水みちの連続性に関して水頭拡散率の詳細な検討については，現場データに基づく詳細な検討事例は存在しないのが現状である。地下深部に坑道などの地下施設を建設する際には調査や評価の対象範囲が数キロメートル四方におよぶことから，広い領域を対象とした地下水流動場の把握が重要となる。孔間水理試験においては，孔間距離が長い場合や透水性が高い場合，観測孔での水圧応答が小さくなり，応答を確認することが困難となる。このため，圧力センサーの精度を向上させたり，取得されたデータから地球潮汐や気圧変動などのノイズを除去したりすることにより，微小な水圧応答を抽出することが必要となる。また，得られた水圧データに基づいて，地下水流動の境界条件や透水性の割れ目および遮水性構造などの水理地質構造を推定する手法を確立することが必要である。本論では，地下数百メートルから千メートルを超える長さの深層ボーリング孔に設置した複数区間での水圧観測が可能な装置を用いて実施した孔間水理試験の結果と，これに基づいて推定した水理地質構造の概念モデルおよびその推定手法について論ずる。 2．研究実施領域の地質およびボーリング孔の概要研究実施領域は，岐阜県瑞浪市にある超深地層研究所用地（以下，研究所用地）とその周辺である。この地域図 1 研究実施領域周辺の地質図

36 図－ 1 研究実施領域周辺の地質図

(3)

─ ─97 （）亀裂性岩盤を対象とした孔間水理試験に基づく水理地質構造の推定 43 の主な地質は，白亜紀後期の花崗岩（土岐花崗岩）を基盤とし，これを新第三紀中新世の堆積岩（瑞浪層群）が不整合で覆っている10）（図 1）。瑞浪層群は，下位より土岐夾炭累層，明世累層，本郷累層および生俵累層に区分される。花崗岩は，深度約300 ∼ 500m 程度の間の領域に水平方向から30 °以下の低角度傾斜を有する割れ目が卓越する岩盤領域（以下，上部割れ目帯）とその下位の比較的割れ目密度が低い領域（以下，下部割れ目低密度帯）が分布する。さらに，上部割れ目帯中には低角度傾斜を有する割れ目の集中帯（以下，LAFZ）が存在することが推定されている11）_{。また，上記以外の主要な構造と} して，北北西走向で高角度傾斜を有する断層（NNW 断層）が研究所用地中央部に分布することが予測されている1）_。研究所用地には深度1,000m 以深までの地質環境を把握するために掘削された，掘削長約1,300m のボーリング孔（MIZ−1号孔），および主として堆積岩中の地質環境を把握するために花崗岩上部まで掘削した掘削長約 100 ∼ 200m の浅層ボーリング孔（MSB − 1 ∼ MSB − 4 号孔）が存在する。さらに今回は，広域の地下水流動を把握するための技術開発を目的として掘削されたボーリング孔（DH−2号孔とDH−15号孔）の水圧モニタリングデータも活用した。DH − 2 号孔は研究所用地の南側境界の外側に位置する深度約500m のボーリング孔であり，またDH−15号孔は研究所用地から約500m南東方向に掘削された深度1,000mのボーリング孔である（図 2）。上記ボーリング孔のうち，MIZ − 1 号孔以外には，パッカーによって多区間の間隙水圧計測や地下水採水が可能な長期モニタリング装置が設置されている。これまでの各ボーリング孔における調査やモニタリング装置を用いた観測により研究所用地中央部を通るNNW 断層と瑞浪層群中の本郷累層の基底礫岩付近の泥岩層が低透水性を有する地質・地質構造としてそれぞれ存在することが確認あるいは推定されている12），13）_。 3．試験概要孔間水理試験は， MIZ − 1 号孔の深度 191 ∼ 226m および深度662 ∼ 706m の区間に存在する割れ目帯を対象にダブルパッカーによる揚水試験を行い（以下，それぞれ試験1 および試験 2 ），その水圧応答を周辺のボーリング孔で観測した。それぞれの試験区間は，事前の孔内調査（流体検層や水理試験）により高い透水性を有することが分かっており14）_{，研究所用地周辺に広く分布する} と予測される比較的規模の大きな割れ目帯や断層を含む区間である。試験1 は，研究所用地周辺に広く分布することが予測されている上部割れ目帯中のLAFZ に相当する区間である。また，試験2 は MIZ − 1 号孔と DH − 2 号孔の間で連続性が予測された透水性の割れ目帯であ

37 図－

2 調査位置図

図 2 調査位置図

(4)

竹内真司・竹内竜史・安藤賢一 ─ ─98 （）44

38 図－ 3 試験区間（

M I Z - 1 号孔）の透水性割れ目の分

布（下半球投影）

N=4 _N=8 試験１試験₂

39 図－

4 地質の概要および試験区間の配置

図 4 地質の概要および試験区間の配置

Test no _{( drilling depth :m )}Test section Pumping rate_{( L/min )} Pumping time_{( day )} Total volume_{( m}3 ₎ 1 191.00- 226.41 10.8 10.2 157.6 2 662.20- 706.23 5.2 14.8 110.9

図 3 試験区間（MIZ−1号孔）の透水性割れ目の分布

(5)

─ ─99 （）亀裂性岩盤を対象とした孔間水理試験に基づく水理地質構造の推定 45 4．試験結果 4．1 水圧応答の概要 2 回の試験において明瞭な水圧応答が確認された区間を図 4 中に黒丸で示した。測定値の変動幅は 2kPa 程度（水頭換算で約20cm）で地球潮汐の変動幅に相当する量であり，水圧応答の有無の判断が困難なことから，得られたデータから地球潮汐や大気圧などのノイズ成分などを除去16）_{した。この結果，図 5 に示すように，揚水試} 験に同期した水圧応答を明瞭に抽出することができた。 2 回の試験で水圧応答が確認できたのは MSB − 1 号孔の5 つの観測区間のうち，深部の 3 つの区間および DH −15 号孔の 10 の観測区間のうち，センサーの不具合等があった数点を除くほぼ全区間であった。観測された水圧応答の特徴として，揚水中の水圧低下挙動が直線的であることや回復過程での水圧が試験開始前の圧力まで回復しない傾向が認められた。一方，NNW 断層の西側および堆積岩中の本郷累層の基底部付近に存在する低透水性の層よりも上位に観測区間があるDH − 2 号孔や MSB −3号孔およびMSB−1号孔の上部の 2 区間では水圧応答は確認されなかった（図 6）。なお，上述の水圧観測孔では日本近海などで発生した規模の大きな地震（北海道十勝沖地震，紀伊半島沖地震，る。流体検層（電気伝導度検層15）_{）によって抽出したそ} れぞれの試験区間に分布する透水性割れ目の走向傾斜を図 3にステレオプロットで示す。試験 1 の区間では 4 箇所の透水性割れ目が抽出され，低角度および高角から中角度の割れ目が分布する。このうち，低角度の割れ目が LAFZ に相当すると推定される。また，試験 2 の区間では8 箇所の透水性を有する割れ目が抽出され，そのうち 6 箇所は高角度の 2 箇所は低角度の傾斜を有する割れ目が分布する。揚水試験の開始に先立ち，本ボーリング孔を掘削した際に使用した泥剤が孔壁および孔近傍の透水性割れ目を閉塞し，岩盤本来の透水性を低下させていることが懸念されたことから，これを除去する目的で100m 程度の大きな水頭差によるパルス試験，スラグ試験および短時間の揚水試験を事前試験として実施した。MIZ − 1 号孔での揚水にともなう水圧応答の観測はMSB − 1 号孔， MSB − 3 号孔，DH − 2 号孔および DH − 15 号孔で実施した。試験区間および観測区間の位置関係と主要な地質・地質構造の概要を図 4 に示す。また，揚水試験の試験条件を表 1 に示す。試験1，試験 2 における平均揚水流量は，ぞれぞれ10.8（L/min），5.2（L/min），揚水時間は，それぞれ約10日，約15日である。

41 図－

5 観測孔における水圧応答（ D H - 1 5 区間 5 の

ノイズ除去の例）

Y/M/D

Pressu

re

（

kP

a

）

　

85.0

85.5

86.0

86.5

87.0

87.5

88.0

88.5

89.0

89.5

90.0 2004/12/1

2004/12/21

2005/1/10

2005/1/30

2005/2/19

ノイズ除去後

ノイズ除去前

Pre test Pumping

Test 1

Test 2

Recovery

Before filtering

After filtering

(6)

竹内真司・竹内竜史・安藤賢一 ─ ─100 （）46 スマトラ島沖地震）に同期した水圧変動が観測された（図 6）。図 6 の下半部には花崗岩最上部に設置した観測区間の水圧変化を示した。これによると，MSB−3号孔やDH − 2 号孔では地震発生直後に急激な水圧の上昇が認められるのに対し，MSB−1号孔や不定期に水圧計測を実施しているMSB − 4 号孔では地震に動機した水圧変動は認められない。このことから，用地中央部の NNW 断層を境として北東側と南西側の観測区間で挙動が異なることが推定される。 4．2 流れの次元を考慮した水理パラメータの検討今回試験の対象とした花崗岩に代表される亀裂性岩盤の亀裂は，水平方向の孔間距離が100 ∼500m程度であったり，割れ目面上には凹凸があることなどを考慮すると，一枚の平行平板で連続しているとは考え難い。すなわち，平行平板で代表される二次元放射状流れ以外の流れの形態を呈していることが想定される。そこで，観測区間の圧力変化データに基づいて，流れの形態を理論解を用いて一次元から三次元で近似するタイプカーブマッチングにより，流れの次元および透水量係数と貯留係数の比（T/S）である水頭拡散率（η）を求めた。水頭拡散率 は水頭の変化が周辺にいかに速く及ぶのかを示す一つの尺度として考えることができる18）_{。すなわち，水頭拡散} 率が大きい区間は水みちとしての連結性が良い区間とみなすことができる。また，流の次元は水理試験結果に基づく圧力の時間微分プロットの傾きの形状から推定することが可能である19），20）_。

Barker（1988） 21）_{やDoe and Geier（1991）} 22）_は流れの

次元を評価する際の流動面積を，流動方向に直交する面の面積として表現した。すなわち，一次元はパイプ状の管路の両端の断面積，二次元は平行平板状の円筒の周長と平板間の幅との積，三次元は球の表面積として定義される。流動面積（A）は，放射距離の関数として以下に定 義される23）_。

( )

[

( )

]

1 1 2 3−

₂

_π

2

_Γ

− −

=

_b

n n

_r

n

r

A

n ...（ 1 ）ここでb は試験区間長，Γ はガンマ関数，n は流れの 次元である。上式で一次元（n =1）の時の流動面積（ A ） は2b2_{となる。これは，}_b2_{の断面積を有する管路を流れ}

42 図－

6 揚水試験による観測孔の水圧応答

MSB-1 shallow DH-2

Mizunami city map (1:2,500)

MSB-1 deep

X

Sum atra

Jan 2003 July 2003 Jan 2004 July 2004 Jan 2005 156 157 158 159 Pi ez om et ric le vel , m MSB - 2 MSB - 3 DH-2 Open System DH-2 Closed Kii Tok achi X’ Tok

achi KiiSumatra

Jan 2003 July 2003 Jan-04 July 2004 Jan 2005

151 152 153 154 Pi ez om et ric L evel , m MSB - 4 MSB - 1 DH-15

Response to earthquakes

T1-P T1-R T2-R 249 245 Pr es su re ( kPa ) 247 2808 2796 Pr es su re ( kPa ) 2802 Earthquake 1037 Pr es su re ( kPa ) 1035 85 Pr es su re ( kPa ) 87 89 Main shaft Ventilation shaft 154 151 159 156 Pre ss ure (m) Pre ss ure (m) T2-P Nov. 27 Dec . 25 Jan. 22 Feb. 19 Mar . 19 Nov. 27 Dec . 25 Jan. 22 Feb. 19 Mar . 19 Nov. 27 Dec . 25 Jan. 22 Feb. 19 Mar . 19 Nov. 27 Dec . 25 Jan. 22 Feb. 19 Mar . 19 1033 T1-P T1-RT2-P T2-R T1-P T1-RT2-P T2-R

T1-P: Start for test 1 pumping T1-R: Start for test 1 recovering T2-R: Start for test 2 recovering T2-P: Start for test 2 pumping T1-P T1-RT2-P T2-R

(7)

─ ─101 （）亀裂性岩盤を対象とした孔間水理試験に基づく水理地質構造の推定 47 の時間微分プロットへのタイプカーブマッチングを実施した（図 8）。同図に示すように，解析値は実測値をよく再現していることが分かる。表 2 にタイプカーブマッチングに基づいて得られた透水量係数（T ）と貯留係数（S ） および両者の比である水頭拡散率（η），流れの次元（FD） を示す。この結果，流れの次元については二次元よりも低い値を示した。さらに水頭拡散率については，試験1 ではDH − 15 号孔が MSB − 1 号孔に比べて高い値を示した。さらにDH−15号孔では，区間 5 が他の区間に比べて特に高い値（8.11）を示すことが分かる。一方，試験2 では試験 1 のようなボーリング孔間による水頭拡散率に大きな違いは認められないものの，DH − 15 号孔の区間3 が他の区間に比べて特に高い値（14.41）を示した（表 2）。る形態として表現される。また，二次元（n =2）の時の流 動面積（A ）は 2πrb となり，半径 r の円周長と幅 b の積 として表現される。さらに三次元（n =3）の時の流動面積 （A ）は 4πr2_{となり，球の表面積として表現される}21）_。さらに流れの次元を考慮した一般式は以下のように示される21）_。

)

,

(

4 )

,

(

_/₂2 ₃

v

u

Kb

qr

t

r

p

=

_n −n ₋_n

Γ

−

π

...（ 2 ）ここで，K は透水係数，ν=1 - n/ 2，u=r2_{/4ηt である。} Mishra（1992） 24）_{は ν が圧力と時間を軸とした両対数グ} ラフにおける，圧力の時間変化曲線の時間微分プロットの後半部分の傾きとなることを示した。これに基づくと，一次元流れでは時間微分の傾きが+1/2 に，二次元流れでは傾きは0（すなわち水平）に，三次元流れの場合は-1/2 の傾きとなる。図 7 に示すように，一次元流れは割れ目内の単一チャンネル状の流れ，あるいは割れ目の交差部でのパイプ状の流れの形態として概念化できる。また，二次元流れはボーリング孔に直交する単一割れ目，あるいは割れ目がネットワーク状に平面的に分布した流れの形態として概念化できる。さらに，三次元流れは割れ目のネットワークが三次元的に密に連結して広がった球状の形態として概念化される。観測区間での水圧応答データに基づき，圧力変化とそ

43 図－

7 圧力変化と時間微分，および流れの次元の概

念（上から

1 次元流れ， 2 次元流れ， 3 次元流れ）

図 7 圧力変化と時間微分，および流れの次元の概念（上から1 次元流れ，2 次元流れ，3 次元流れ）

(8)

竹内真司・竹内竜史・安藤賢一 ─ ─102 （）48

44 図－

8 流れの次元を考慮したタイプカーブマッチ

ング（横軸は時間（

h ），縦軸は圧力変化と時間微分

（

k P a ）上：試験 1 ，下 : 試験 2 ）

1.0E-03 1.0E-02 1.0E-01 1.0E+00 1.0E+01

1.0E-01 1.0E+00 1.0E+01 1.0E+02 1.0E+03 1.0E-03

1.0E-02 1.0E-01 1.0E+00 1.0E+01

1.0E-01 1.0E+00 1.0E+01 1.0E+02 1.0E+03

1.0E-03 1.0E-02 1.0E-01 1.0E+00 1.0E+01

1.0E-01 1.0E+00 1.0E+01 1.0E+02 1.0E+03

DH-15_1 DH-15_2 DH-15_3 1.0E-03 1.0E-02 1.0E-01 1.0E+00 1.0E+01

1.0E-01 1.0E+00 1.0E+01 1.0E+02 1.0E+03

DH-15_5 1.00E-03 1.00E-02 1.00E-01 1.00E+00 1.00E+01

1.00E-01 1.00E+00 1.00E+01 1.00E+02 1.00E+03

DH-15_7 1.0E-03 1.0E-02 1.0E-01 1.0E+00 1.0E+01

1.0E-01 1.0E+00 1.0E+01 1.0E+02 1.0E+03

DH-15_8 1.0E-03 1.0E-02 1.0E-01 1.0E+00 1.0E+01

1.0E-01 1.0E+00 1.0E+01 1.0E+02 1.0E+03

DH-15_9 1.0E-03 1.0E-02 1.0E-01 1.0E+00 1.0E+01

1.0E-01 1.0E+00 1.0E+01 1.0E+02 1.0E+03

MSB-1_3 1.0E-03 1.0E-02 1.0E-01 1.0E+00 1.0E+01

1.0E-01 1.0E+00 1.0E+01 1.0E+02 1.0E+03

MSB-1_4 1.0E-03 1.0E-02 1.0E-01 1.0E+00 1.0E+01

1.0E-02 1.0E-01 1.0E+00 1.0E+01 1.0E+02 1.0E+03

MSB-1_5