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Status of geochemical modeling of groundwater evolution at the Tono in-situ tests site,Japan In-situ Tests

東濃原位置試験場における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; Randolph C Arthu*

Sasamoto, Hiroshi; Yui, Mikazu; Randolph C Arthu*

東濃鉱山における原位置試験は、主に第三紀堆積岩を対象として行われている。新第三紀堆積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。第三紀堆積岩下部の地下水は、14C年代測定から、13,000年$$sim$$15,000年程度の年代が推定される比較的古い地下水である。比較的浅部の地下水はCa-Na-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東濃鉱山の第三紀堆積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 = -1.0・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), 白雲母(K濃度), 黄鉄鉱(硫酸濃度、Eh)しかしながら、東濃サイトの地質情報は、地下水水質形成モデルを構築する上で必ずしも十分であるとは言えない。特に、より詳細な鉱物データ(たとえば、斜長石、粘土鉱物や沸石に関する詳細なデータなど)は、モデルを改良する上で必要である。したがって、モデルの中で考慮する主要な反応については、再検討する必要があるかもしれない。本報告書では、代替モデルの一つとして、室内での岩石-水反応試験結果をもとにイオン交換平衡定数を求め、イオン交換反応を考慮した地下水水質のモデル化も試みた。しかしながら、イオン交換反応を考慮したモデルについては、今後さらに検討を要する。

Hydrochemical investigation of Tertiary sedimentary rocks at JNC's Tono in-situ tests site indicate the groundwaters are: (1)meteoric in origin, (2)chemically reducing at depths greater than a few tens of meters in the sedimentary rock, (3)relatively old [carbon-14 ages of groundwaters collected from the lower part of the sedimentary sequence range from 13,000 to 15,000 years BP (before present)] (4)Ca-Na-HCO$$_{3}$$ type solutions near the surface, changing to Na-HCO$$_{3}$$ type groundwaters with increasing depth. The chemical evolution of the groundwaters 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, Al, carbonate and sulfate) if the following assumptions are adopted: (1)CO$$_{2}$$ concentration in the gas phase contacting pore solutions in the overlying soil zone = 10$$^{-1}$$ 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), muscovite (K) and pyrite (Eh and sulfate). It is noted, however, that the available field data may not be sufficient to adequately constrain parameters in the groundwater evolution model. In particular, more detailed information characterizing certain site properties (e.g., the actual mineralogy of "plagioclase", "clay" and "zeolite") are needed to improve the model. Alternative conceptual models of key reactions may also be necessary. For this reason, a model that accounts for ion-exchange reactions among clay minerals, and which is based on the results of laboratory experiments, has also been evaluated in the present study. Further improvements of model considering ion-exchange reactions are needed in future, however.

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