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Hydrochemical Investigation and Status of Geochemical Modeling of Groundwater Evolution at the Kamaishi In-situ Tests Site, Japan

釜石原位置試験場における地下水水質の調査および地下水の地球化学モデリングに関する現状

笹本 広; 油井 三和; Arthur, R. C.*

Sasamoto, Hiroshi; Yui, Mikazu; Arthur, R. C.*

釜石鉱山における原位置試験は、主に栗橋花崗岩閃緑岩を対象として行われた。栗橋花崗岩閃緑岩中の地下水の地球化学的調査により、主に以下の点が明らかになった。・地下水の起源は、降水である。・深部の地下水は、還元性である。・ほとんどの地下水にはトリチウムが検出されることから、これらの地下水の滞留時間は長くとも40年程度である。一方、KH-1孔の地下水にはトリチウムが検出されず、予察的な14C年代測定から、数千年程度の年代が示唆される様な、より古い地下水が存在すると推定される。・比較的浅部の地下水はCa-HCO3型であるが、より深部になるとNa-HCO3型になるような深度方向での水質タイプの変化が認められる。上記の様な地球化学的特性を示す栗橋花崗岩閃緑岩中の地下水に関して、地下水の起源と地下水-岩石反応の進展を考慮した地球化学平衡モデルをもとに、地下水水質のモデル化を試みた。その結果、土壌中での炭酸分圧の値、岩体中での以下の鉱物を平衡と仮定することで地下水のpH,Ehおよび主要イオン(Si,Na,Ca,K,Al,炭酸および硫酸)濃度について、実測値をほぼ近似することができた。・土壌中での炭酸分圧:logPCO2=-2.0・岩体中での平衡鉱物:玉随(Si濃度)、アルバイト(Na濃度)、カオリナイト(Al濃度)、方解石(Caおよび炭酸濃度)、マイクロクリン(K濃度)、黄鉄鉱(硫酸濃度、Eh)また、海外の専門家との議論により、釜石サイトにおける、より現実的な地下水変遷モデルを構築するためには、開放系での不可逆的な岩石-水反応に関して、反応経路モデルを用いたシステマティックなアプローチを適用することが必要であると考えられた。さらに、モデルの妥当性を示すためには、釜石サイトの地質情報に関して、より詳細なデータ(例えば、割れ目充填鉱物に関する詳細なデータ等)も必要である。

The results of hydrochemical investigations of groundwaters in the Kurihashi granodiorite at JNC's Kamaishi in-situ tests site indicate that these solutions are: (1)meteoric in origin, (2)chemically reducing (at depths greater than a few hundreds meters), (3)relatively young [residence times in the Kurihashi granodiorite generally less than about 40 years, but groundwaters older than several thousand years BP (before present) are also indicated by preliminary carbon-14 dating of samples obtained from the KH-1 borehole], (4)Ca-HCO$$_{3}$$ type solutions near the surface, changing to Na-HCO$$_{3}$$ type groundwaters with increasing depth. The evolution of groundwater compositions in the Kurihashi granodiorite is modeled assuming local equilibrium for selected mineral-fluid reactions, taking into account the rainwater origin of these solutions. Results suggest it is possible to interpret approximately the "real" groundwater chemistry (i.e., pH, Eh, total dissolved concentrations of Si, Na, Ca, K, AI, carbonate and sulfate) in the Kurihashi granodiorite if the following assumptions are adopted: (1)CO$$_{2}$$ concentration in the gas phase contacting pore solutions in the overlying soil zone = 10$$^{-2}$$ bar, (2)minerals in the rock zone that control the solubility of respective elements in the groundwater include; chalcedony (Si), albite (Na), kaolinite (Al), calcite (Ca and carbonate), microcline (K) and pyrite (Eh and sulfate). Discussions with international experts suggest a systematic approach utilizing reaction-path models of irreversible water-rock interactions in open systems may be needed to more realistically model groundwater evolution at the Kamaishi test site. Detailed information characterizing certain site properties (e.g., fracture mineralogy) may be required to adequately constrain such models, however.

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