ストロンチウム同位体比及び希ガスを用いた地球化学的研究手法の確立

Development of Geochemical Monitoring Methods by Using Sr and Noble Gas Isotopic Compositions

長尾 敬介*

Nagao, Keisuke*

地下水中に含まれる極微量の希ガス及びSrの同位体比を正確に測定することにより、地下水の流動状態や起源の解析が可能である。この地球化学的手法の適用可能性評価とマニュアル化を目的として、岐阜県東濃地域と北海道幌延地域のボーリング孔から地下水を採取し、希ガス同位体とSr同位体比を測定した。また、地下水中の希ガスおよびSrの端成分を調べるため、東濃地域のボーリングコア中の希ガスやSrを測定した。希ガス同位体分析については、改良した採取方法やガス抽出装置を用いて試料を分析し、精度の向上を図った。その結果、東濃地域の地下水では、4He/20Ne比が増加すると3He/4He比が減少し、岩石中のHe、Neと大気起源He、Neとの混合でよく説明できた。これは、岩石中の放射性同位体(UやThなど)の壊変により生成した4Heの地下水へ溶解を示すものと考えられる。一方、東濃地域の調査領域南部の高砂温泉やDH-15号孔及び北海道幌延地域の水試料では、この傾向とは異なり、深部に由来するマントル起源Heが寄与している可能性があることが分かった。Sr同位体比については、東濃地域の花崗岩では、0.70990.7201と広範囲の値を示し、ばらつきが大きいことがわかった。一方、地下水中の87Sr/86Sr同位体比は0.71040.7123と岩石に比べ狭い範囲の値を示し、地下水中の87Sr/86Sr同位体比と花崗岩中の87Sr/86Sr同位体比の平均値の差は、深度が増すにつれて値が小さくなる。この結果は、地下水と岩石の反応の進行にともない、地下水中の87Sr/86Sr同位体比が、岩石中のそれに近づいていく過程であると解釈できる。このことから、87Sr/86Sr同位体比を、地下水と岩石あわせて分析することにより、ある領域内の地下水流動状態を推定できる可能性がある。また、地下水の87Sr/86Sr同位体比は、割れ目充填鉱物である方解石の値とほぼ一致した。加えて、室内での岩石-水反応試験から、岩石-水間のSr同位体交換反応は速く、特に方解石との反応が速いことが分かった。本研究の結果から、希ガス同位体及びSr同位体は地下水流動解析に有効な元素であるが、天然系への適用の際には、方解石などの有無の把握や他の地球化学的手法を組み入れることにより、より詳細な議論が可能と思われる。

Isotopic compositions of noble gases and Sr in groundwaters and rocks from Tono and Horonobe districts were analyzed to investigate the movement and origin of the groundwaters. At Tono, 3He/4He ratios decrease with increasing of 4He/20Ne ratios. This means that noble gases at Tono are a mixture of air and radiogenic He. In contrast, a Na-Cl type hot-spring (Takasago) and groundwater from well DH-15 at Tono and all wells from Horonobe show the different tendency. These groundwaters must be contributed by noble gas with deep origin. Sr isotope compositions of groundwater at Tono are far from those of rocks and close to those of carbonates in fractures, where the isotopic difference between groundwaters and rocks (*87Sr) decrease with increasing depth. These results indicate that Sr isotopic compositions of groundwater are controlled by carbonate dissolution/precipitation. Experimental results of Sr isotopic compositions on water-rock interaction support the view. In conclusion, noble gas and Sr isotopes are very useful tools to study water movements and to discuss their origins by combining other geochemical approaches.