論
文
雲仙火山灰が浸透能低下を引き起 こす原因
The Mechanism Inducing the Infiltration
Rate Lowering of Unzen Volcanic Ash
恩
田
裕
一・*竹
中
千
里*水
山
高
久**
Yuichi ONDA Chisato TAKENAKA Takahisa MIZUYAMA
Abstract
The mechanism inducing the infiltration
rate lowering of the Unzen volcanicash
was studied through
permeability
tests applying varying electrolyte
concentration,
ESP (Exchangeable
Sodium Percentage)
measurement of the fallout deposits, and SEM (Scanning Electron Microscope) observation. The results of the
permeability tests showed that the permeability
decreased with the number of experiments using destilled
water, whereas the permeability kept constant using electrolyte. The ESP in the field condition is sufficiently
higher than the forest soil. These results indicate that the mechanism of infiltration lowering of the Unzen
volcanic ash is due to formation of chemical crust by physico-chemical processes of the ash. The observation
of the SEM also support the results. The experimental results suggest that infiltration rate of Unzen volcanic
ash could be increased by applying electrolyte for reducing surface runoff and debris flow initiation.
Key Words: Unzen volcanic ash, ESP, Chemical crust, SEM, Infiltration
rate
1. は じ め に 雲 仙 火 山 が噴 火 す る に伴 っ て, 多 量 の火 山 灰 が降 下 し た。 その た め地 表 で は, 浸透 能 が 急 激 に低 下 し(下 川 ・ 地 頭 薗, 1993; 池 谷, 1993; 池 谷 ほか, 1995), 土石 流 の 発 生 の原 因 とな った。 この よ うな浸 透能 低 下 は, 火 山灰 のモ ル タル化(池 谷, 1977)が 原 因 で あ る とい わ れ てい る。 最 近, 小 橋 ほか(1994), Hendrayantoetal. (1995) は, 雲 仙 火 山灰 を用 い て実験 的 に研 究 を行 った 結果, 供 試 土 が 飽和 す る と急激 に浸透 能 が 低 下 す る こ とが 明 らか に な った 。 この こ とか ら, 火 山灰 の 浸透 能 低 下 に は, 物 理 的 作 用 で は な く, 何 らか の化 学 的 作用 が 働 い て い る こ とが 示 唆 され る。 とこ ろで, 土 層 が急 激 に浸透 能 低 下 を引 き起 こす原 因 とし て, クラ ス トが知 られ て い る。 クラ ス トと は, 土 層 の表 面 が硬 化 して形 成 され る難 透 水性 の皮 膜 で, 団粒 構 造 の 破 壊 で 形 成 され る もの(衝 撃 ク ラ ス ト; Farres, 1978)の 他 に, 化 学 的 な作 用 で形 成 され る もの(化 学 ク ラ ス ト; Chen, 1980; Romkensetal., 1990)が あ る こと も知 られ て い る。 化学 ク ラス トは, 粘土 鉱 物 同 士 が凝 集 して浸 透 能 を低 下 させ る もの で あ る(Galeta1., 1984)。 そ の ため, 電 解 質 を溶 液 と して透 水 試験 をす る と化 学 ク ラス トの形 成 が妨 げ られ る とい う特 徴 が あ る(Agassiet al., 1981)。 一 方, 桜 島火 山 灰 の降 下 の原 因 として, 火 山 ガ ス に よ る火 山灰 の 石 膏 化 作 用 が 原 因 とす る説 も あ り (Obaetal., 1984), 火 山灰 降 下 に よ る浸 透能 低 下 に どの よ うな化 学 的作 用 が 影 響 して い るの か は まだ明 らか で は な い。 そ こで, 本報 で は, 火 山灰 降 下 に よ る浸透 能 低 下 の原 因 を明 らか に す る ため に, 現 地 で火 山灰 試料 を採取 し, 室 内 で様 々 な化 学 的 性 質 を測 定 した。 また, 火 山 灰 の浸 透 能低 下 が 化学 ク ラス トが原 因 か ど うか を明 らか に す る た め に, 溶 液 の濃 度 を変 え て浸 透能 試 験 を繰 り返 し行 っ た 。 さ ら に, 透 水 試 験 後 のサ ンプ ル を走 査性 電 子 顕微 鏡 を用 い て観 察 を行 った 。以 上 の結 果 を総 合 して, 雲仙 火 山 灰 の浸 透 能低 下 を引 き起 こす メ カ ニズ ム を明 らか に し よ う と試 み た。 2・ 調 査 地 点 調 査 地 域 は, 長 崎 県 深 江 町 田 中 山 付 近 の 山林 で あ る (図-1)。 試料 の採 取 は, 1994年6月9日, 10日 に行 っ た 。 この付 近 は, 中 の間 川上 流 域 に あた り, 資 料 採取 当 時 の立 入 禁 止 区域 の境 界 か ら500m程 外 部 に あ た る。調 査林 分 は, ほ ぼ平 坦 な若齢 の ヒ ノキ林 で あ る。 調 査時 に は火 山灰 が 林 内 に堆 積 して い た。付 近 の 傾斜 の あ る ヒノ キ林 で は, リル ・ガ リー侵 食 が 活 発 に発 生 して いた(写 *名 古屋大 学農 学部 **京 都大 学農学 部
砂 防 学 会 誌 Vol. 49No-1(204)May 1996 真-1)。 また, 調 査 時 に は, 小 雨 が 降 っ て い たが, 林 内各 部分 で湛 水 して お り, 浸 透 能 が 極 め て 低 い こ と が うか が え た (写真-2)。 火 山灰 は, 7cm程 度 の厚 さで 堆積 して お り, そ の内部 構 造 は, 1mm∼5mmの 厚 さで層 状 に 堆積 して い る降 灰 ユ ニ ッ ト に分 か れ てい た。 この 火 山灰 を詳 し く観 察 す る と内部 に気 泡 が 多量 に含 まれ て い た(写 真-3)。 また, 火 山灰 は層状 に堆 積 して い る ため, 火 山 灰 層全 体 で は, 堆 積 状 態 は まさ にチ ョコ レー トケー キ状 で あ った 。 サ ンプ リン グ は, この地 点 の土 層 断 面 を旧地 表面 まで 掘 り出 し, そ れ を 直 径10cmの ビニー ル パ イ プ につ め て, 不 概 乱状 態 で 行 っ た(写 真-4)。 また, 層 別 に も サ ン プ リ ン グ を 行 い, 6深 度 で(No-10-0-5 cm, No. 20. 5cm-2cm, No. 32-3cm, No.
43-4cm, No. 54-7cm, No-67cm以 深)サ ン プ ル を
採 取 し た 。 ま た, 透 水 試 験 用 に は, 火 山 灰 層 全 層 か ら,
写 真-1調 査 地 付 近 の 様 子
傾 斜 地 で は 激 し く 土 壌 侵 食 が 発 生 し て い る 。 Photo. 1 Soil erosion close to the sampling point
写 真-2 調 査 地点 の様 子(ヒ ノ キ林 地) 平 地 で は わ ず か な 雨 で 湛 水 し て い る。 Photo. 1 Sampling point
図-1 調 査 地 点
Fig. 1 Sampling point
写 真-3 調 査 地 付 近 の 降 下 火 山 灰 の様 子
内 部 は発 泡 し て お り, 浸透 能 が極 め て低 い こ とが う か が え る。
Photo. 3 The structure of fallout volcanic ash close to the sampling point
写 真-4 サ ン プ リン グ の様 子
円筒 形 に 旧地 表面 まで不 撹 乱 で土 壌 を採 取 し た。 Photo. 4 The method of core sampling
恩 田 ・竹 中 ・水山: 雲仙 火山灰 が浸透 能低下 を引 き起 こす原 因 撹乱 状 態 で 多 くのサ ンプル を採 取 した 。 3. 調 査 方 法 3.1 物 理 的性 質 電 解 質 濃 度 を変 えた透 水 試験 は, 変 水位 法 の透 水試 験 器 を用 いて 行 っ た。 電解 質 に は, 蒸 留 水(電 気 伝 導度; 2 μS/cm), 0.005N(540μS/cm), 0.05N(5.1mS/ cm), 0.5N(51mS/cm)のNaCl溶 液 を用 いた 。供 試 土 とな る土 壌 は, 風 乾 し, 100cc採 土 円筒 に ほぼ 同量 ず つ詰 め た。 そ れ ぞれ の試 料 は, 実 験 開 始前 に使 用 す る溶 液 中 に浸 し, 毛 管 飽和 させ た 。実 験 の手 順 は, JISA1218 T-1979に し たが っ て行 っ た。 透 水 試 験 は, 各 サ ンプル と も3回 以 上繰 り返 し行 な い, 各 実験 終 了 後3時 間 以上 排 水 させ, 再 び透 水 試 験 を行 っ た。 透 水 試験 は, 各 試料 ご とに二 つず つ の サ ンプ ル を用 い て, 1サ ン プル あ た り12回 の実験 を行 った 。 また, 実 験終 了 後, 6時 間 の排 水 の後 に, 山 中式 土壌 硬 度 計 を用 い て土 壌 硬 度 を測 定 した。 土 壌硬 度 は, 採土 円筒 の 中央 部 に貫 入 コー ンが刺 さ る よう に して行 った。 ま た, 供 試 土 の粒 土 分 析 は, JISA1204-1980に した が っ て行 っ た。 3.2化 学 的性 質 CEC測 定 は シ ョー ンベ ル ガ ー法 に したが って 行 っ た。 風乾 し た土 壌 試 料 を8∼10gを カ ラ ム に詰 め, 2N酢 酸 ア ンモニ ウム溶 液 を100mL滴 下 し た。 そ の溶 出液 は交 換性 陽 イオ ンの定 量 に供 し た。次 に1.3N塩 化 カ リウ ム 溶液 を100mL滴 下 し, そ の溶 出 液 中 の ア ンモ ニ ウ ム イ オ ンを定 量 した。 ア ンモニ ウム イオ ンの 定量 は, イ ン ド フェ ノー ル 青法 に よ る吸光 光度 法 に よ り行 っ た。 交換 性 陽 イ オ ンの 測定 は, 原子 吸 光 法 に よ って行 っ た。 今 回 は, ナ トリウム とカ ル シウ ム の定量 を行 った。 また試 料 中 のCaSO、 含 有 量 を調 べ るた め に, 試 料1g をlOOmLの 蒸 留 水 に 入 れ, 撹 搾 溶 解 し た。CaSO、 の 溶解 度 は20-400Cで, 0.1g/100g程 度 で あ る。懸 濁液 を No.5Cの 濾 紙 で濾 過 した後, 濾 液 中のCaイ オ ンの定 量 を原子 吸 光 法 に よ って行 っ た。X線 回 折 は名 古 屋 大学 農 学部 の島 津XD-Dlw型 を用 い, 35kV, 20mA条 件 で Cuα 線 を用 い て行 った。得 られ た デー タか ら鉱 物 判定 を 行 っ た。 3.3 電 子 顕微 鏡 観 察 浸透 能 が 低下 し た土層 の様 子 の観 察 は, 走 査 式 電子 顕 微鏡 を用 い て行 っ た。電 子 顕微 鏡 は, 日立S2150で, 800 倍 と2, 000倍 で撮 影 した。 電 子顕 微 鏡 撮影 の ため に, 実 験終 了 後 約1日 排 水 させ た後, 土 壌 の断面 を ナイ フで注 意深 く切 り取 り, 直径13mmの 資 料 台 に ドー タイ ト(導 電性 樹 脂)で 張 り付 けた。 その の ち, カ ー ボ ン蒸 着, 金 蒸着 を行 って, 顕 微 鏡観 察 の た め の試 料 とし た。 4. 測 定 結 果 4. 1 火 山灰 の物 理 的 性 質 図-2 に, 浸透 試 験 に用 い た土 層 全 層 の 粒 径 分布 を示 す 。粒 土 分12%, シル ト分70%, 砂18%で あ った。図-3に, 第2回 目の実 験 にお け る溶 液 の濃 度 の 違 い に よる 透 水係 数 の変化 を示 す 。 この よ うに, 透 水係 数 は, 蒸 留 水 の場 合, 最初6.5mm/hあ っ た透 水係 数 は, 徐 々 に低 下 し, 最終 的 に は4.66mm/hま で低 下 した。 こ れ に対 し, 電 解 質 を用 い た実 験 の場 合, 初期 の透 水係 数 に は, や や ば らつ きが見 られ る もの の, 実験 回数 の増 加 に よる 浸 透能 の低 下 は, 蒸 留 水 ほ ど顕 著 で はな い。 表-1に, 第9回 目∼12回 目の 平均 値 に よる溶 液 の濃 図-2 供 試 土 粒 度 分 布
Fig. 2 Grain size distribution of the samples
図 一3 雲仙火山灰 における電解質 濃度 ・実験回数 と透水係数 の関係
Fig. 3 The relationship among electrolyte concentration, number of experiments and premeability of the Unzen volcanic ash
-○-蒸 留水
-◆-0.005NNaCl -△-0.05NNCl -▲-0.05NaCl
砂 防 学 会 誌 Vol. 49No. 1(204)May1996 度 と透水 係 数 に つ いて 示 す。 第1回 目 と2回 目 の実 験 で はや や異 な る もの の, 蒸留 水 で は透 水 係 数 は明 らか に低 いの に対 し, 電解 質 溶 液 で は, や や透 水 係 数 が高 い こ と が わ か っ た。表-2に, 実験 終 了 後 の土 壌 表 面 の堅 さの違 い をkgf/cm2で 表 示 した。電 解 質溶 液 で透 水 試験 を した 場 合 に比 べ, 蒸 留 水 で 実験 を した場 合, 明 らか に土 壌表 面 硬 度 が高 い こ とが わ か る。 以 上 の結 果 か ら, 火 山 灰 中 に蒸 留水 を通 水 した場 合, 透 水 係 数 が徐 々 に低 下 し, 土 壌 の硬 度 も高 くな っ てい くの に対 し, 電 解 質 を通 水 した 場 合, 透水 係 数 はあ ま り低下 した い こ とが わ か っ た。 4. 2火 山灰 土 の化 学 的性 質 4. 2. 1陽 イオ ン交換 容 量 お よびESP 測 定 結果 を表-3に 示 す。 土 壌 中 の 陽 イオ ン交 換容 量 (CEC)は, 火 山灰 で0.51-1. 04meq/100gと 低 いの に 対 し, 埋 没A層 で は8.00meq/100gと 大 き な値 を と る。 これ は, 森 林 土壌 で は, 陽 イオ ン交換 容 量 が 大 きい とい う従 来 の指 摘 と矛 盾 しな い が, 一 般 の森 林 土壌(10-50 meq/100g; 熊 田, 1979)と 比 較 す る と, や や 小 さ い値 で あ る。 一 方, 火 山灰 は, 火 山 ガ ラス の砕 片 か ら形 成 され て い るた め, CECが 小 さい とい うの は妥 当 な結果 で あ ろ う。 同 時 に交 換 性 ナ トリウム や交 換 性 カ ル シ ウム の量 を測 定 し たが, 交 換性NaはSample2を 除 くとほ ぼ 同様 な 値 で あっ た。 また, 交換 性 カル シウ ム は表土 と埋 没A層 で高 い値 を示 した が, 他 の 火 山灰 の層位 で はほ ぼ一 定 の 値 を示 した。 とこ ろで, 陽 イ オ ン交 換容 量 に対 す る交 換性 イ オ ンの 割 合 を 百 分 率 で 表 し た も の をESP(Exchangeable Sodium Percentage)と 呼 ぶ(Agassietal., 1981)。 す なわ ち, ESP=交 換 性Na/CEC×100 (1) で表 され る。ESPの 値 は, 火 山灰 で は高 い値 を示 す 。特 に0.5∼2.0cmは 極 め て高 い(76. 5)値 を示 し, 再 検 討 の余 地 が あ るが, 他 の層 位 で もお お よそ10前 後 の値 を示 す。 これ に対 して, 土 壌A層 で は0. 9と 有 意 に低 い値 を 示 し た。 4.2.2 CaS。4含 有 量 CaSO4含 量 の指 標 とな る水 溶 性Caの 値 を表-3に 示 した。水 溶 性Caの 値 は, 火 山 灰 層 で0-30μeq/100gで あ り, 非 常 に少 ない値 を示 した。 各 試料 お よび 有珠 山の 火 山灰 につ い て のX線 回析 パ ター ンを図-4に 示 す 。火 山灰 試料No. 1-6お よび 有珠 山お よび火 山 灰 で は, 2θ 28. 付 近 に, 斜 長 石(Plagioclase; P1)に 特 徴 的 な ダ ブル ピー クが認 め られ る ものの, CaSO4の ピー ク は認 め られ なか った 。 4. 2. 3走 査正 電 子顕 微 鏡 に よ る観 察 写 真-5に, 蒸 留水 に よ り形 成 さ れ た ク ラ ス トの走 査 式 電 子 顕微 鏡(SEM)写 真 を示 す。 鉱物 粒 子 が 密 に隙 間 な く配 列 して お り, 透 水 性 が非 常 に低 い ことが うかが え る(写 真-5(a))。 また, 拡 大 写真 を見 る と(写 真 一5(b)) 大 きな鉱物 粒 子(20μm程 度; シル トサ イ ズ)に 小 さ な粒 子(5μm以 下; 粘 土 サ イ ズ)が 多 数 付着 して い た。 この こ とは, 細 粒 粒 子 が何 らか の 力 に よ り吸 い寄 せ られ た こ とを示 唆 して い る。 また, 細粒 粒 子 は, 大 きな鉱 物 粒 子 の隙 間 を埋 め る よ うに配 列 して い た。 5. 考 察 お よ び 結 論 従 来 の化 学 ク ラス トに関 す る研 究 に よる と(Galetal., 1984), ESPが1. 5以 上 の土 壌 で は化 学 ク ラ ス トが 形 成 され浸 透 能 が低 下 す る とい う こ とが 知 られ てい る。 本 調 査火 山灰 に つ い て は, ESPが10前 後 と化 学 ク ラ ス トを 形 成 す るに十 分 なESP値 を示 してい る。また, 火 山灰 中 に 石 膏(Gypsum; CaSO4 2H20)が ほ とん ど み られ な か っ た。従 来, 火 口付 近 でGypsumが 生 成 す る こ とは指 摘 され て い たが(Obaetal., 1984), 本 研 究 試料 の よ う に降 灰 後 あ る程 度 時 間 が経 過 して い る火 山灰 につ い て は, 既 に溶 出 して しま った可 能 性 が あ る。 表-1溶 液 の 濃 度 の 違 い に よ る 透 水 係 数(mm/h)の 違 い (7回 目 ∼9回 目 の 平 均 値)
Table l The permeability tests using varying electrolyte of the ash
表-2溶 液 の 濃 度 の 違 い に よ る土 壌 表 面 の 堅 さ の 違 い(kgf/cm2)
Table 2 The difference in the strength of the soil surface after 12 permeability tests
表-3 土 壌 の 陽 イ オ ン 交 換 性 とESP
恩 田 ・竹 中 ・水 山: 雲 仙 火 山 灰 が 浸 透 能 低 下 を引 き起 こす 原 因 以 上 の 測定 結 果 を総 合 す る と, 火 山灰 に よ るモ ル タル 状 皮 膜 の原 因 は, 火 山灰 の高 いESPの た め と考 え られ る。 ま た, この こ と は, 電解 質 溶 液 で浸 透 能 が下 が らず, 蒸 留 水 で 浸透 能 が 下 が る こ とか ら も支持 され る。 そ して, 高 いESPを 持 つ 火 山灰 は水 と反 応 す る こと に よ り, 鉱 物 粒 子 同 士 高 い凝 集性 を発 揮 し, 粒 子 同士 が 密 着 す る ので あ ろ う。特 に細 粒粒 子 は空 隙 の隙 間 を埋 め る に吸着 を も た らす た め, 浸 透能 低 下 に効 果 的 で あ ろ う。 この こ とは, 火 山灰 の うち特 に粘 土 サイ ズ の割 合 が高 い ほ ど浸 透 能 が 低 下 す る(Hendrayanto etal., 1995)こ と と調 和 的 で あ る。 火 山 灰 に被 覆 され た地域 で, 浸 透能 の低 下 が原 因 で 土 石 流 が 発 生 す る こ とは 広 く知 られ て い る(山 本 ほ か, 1980; Collins & Dunne, 1988; 下 川, 地 頭 薗, 1993; 池 谷, 1993な ど)。この よ うに, 土 壌 の物 理 化 学 的凝 集 作 用 に よ って雲 仙 火 山灰 の浸透 能 低 下 が説 明 で き る とす る と, 現 地 にお い て浸 透能 を増加 させ, 土 石 流 の 発 生 を防 止 す るた め の対 策 は考 え得 る。 す で に, 乾 燥地 域 の 農地 にお い て, 高 いESPを 持 っ 土壌 で も, phosphogypsum等 の 改 良剤 を用 い る こ と に よ り, 浸透 能 が 向上 で き る こ とが 指 摘 さ れ て い る(Agassi, 1981; Kazmanetal-, 1983)。 この こ とは, 火 山灰 地 で, 電 解質 を散布 す る こ とに よ っ て 浸透 能 を向上 させ る こ とが で きる可 能性 が示 唆 し, 今 後 の更 な る研 究が 必 要 で あ ろ う。 謝 辞 本研 究 は, ㈹ 砂 防 学 会 が 剛 砂 防 ・地 す べ り技 術 セ ン ター を通 じて建 設 省 雲仙 復 興 工事 事 務所 よ り受 託 した研 究 の一 部 と して行 わ れ た。 図-4X線 回 折 パ タ ー ン(No-10-0.5cm, No. 20.5-2
cm, No. 32-3cm, No. 43-4cm, No. 54-7
cm, No. 67cm以 深)
長 石 の い く つ か の ピ ー ク が 見 ら れ る が(pl>, 石 膏 の
ピ ー ク は 認 め ら れ な い 。
Fig-4X-ray analysis chart of the Unzen volcanic ash (No. 10-0.5cm, No. 20.5-2cm, No. 32-3cm,
No. 43-4cm, No. 54-7cm, No. 67cm-).
pl. Plagioclase
写 真-5蒸 留 水 に よ り形 成 さ れ た ク ラ ス トの 走 査 式 電 子
顕 微 鏡(SEM)写 真(a)×800倍, (b)×2, 000倍
Photo. 5 The SEM images of the Unzen volcanic ash (a)x800, (b)x2, 000 参 考 文 献 池 谷 浩(1977): 1977年 有 珠 山 噴 火 に伴 う火 山噴 出物 の分 布 とそ の影 響 土 木 技 術 資 料20-10, pp. 40-45 池 谷 浩(1993): 雲 仙 ・水 無 川 の 土 石 流 発 生 機 構 に つ い て, 砂 防学 会 誌Vol-46, No. 2, pp. 15-21 池 谷 浩 ・ヘ ン ドロ ヤ ン ト・小 杉 賢一 朗 ・水 山 高久(1995): 火 山 灰 の 被 覆 に よ る 浸 透 能 の 減 少-雲 仙 に お け る 比 較 試
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