亀裂を有する軟岩中の流れと移行現象に関する研究

Study on Flow and Mass Transport through Fractured Soft Sedimentary Rocks

下茂 道人*; 山本 肇*; 熊本 創*

Shimo, Michito*; Yamamoto, Hajime*; Kumamoto, So*

高レベル放射性廃棄物の地層処分サイトの性能評価にあたっては、天然バリアを構成する岩盤中における物質移行特性を適切に評価することが重要である。核燃料サイクル開発機構では、岩盤中の物質移行特性に関し、硬岩(古い時代の堆積岩や結晶質岩)と軟岩(新しい時代の堆積岩)に分けて研究を行ってきた。その中で、軟岩では粒子間間隙を主な移行経路として考えてきた。しかし、亀裂が発達した軟岩においては、亀裂が粒子間間隙よりも卓越した水みちを形成する可能性がある。本研究は、亀裂を有する軟岩中における物質移行特性の解明を目的とし、文献調査等により我が国の軟岩の基本物性について整理するとともに、軟岩コア試料を対象とした室内試験を行なったものである。室内試験では、北海道幌延町にある核燃料サイクル開発機構の幌延深地層研究センターの試錐孔(HDB-4号孔)で採取された珪藻質泥岩コアを試験対象とし、鉱物種/空隙形状に関する観察/分析を行うとともに、埋没深度に伴う岩石構造の変化や深度に伴う封圧の増加の2点に着目して、透水試験及びトレーサー試験を実施し、透水係数ならびに物質移行パラメータ(物質移行開口幅ならびに分散長)の変化を調べた。また、岩石マトリクス部の拡散係数を実測した。本試験結果により、既存データの極めて少ない泥岩における物質移行パラメータを求めることができた。これは、亀裂を有する堆積岩内の物質移行概念モデルを構築する上で貴重なデータとなる。

The objective of this study is to establish a conceptual model for flow and transport in fractured soft sedimentary rock.In this fiscal year, this study was carried out for two tasks: (1) classification of soft sedimentary rocks by literature survey, (2) laboratory experiments on the flow and mass transport using rock specimens obtained at HDB-4 borehole in Horonobe Deep Underground Research Center. Classification of soft sedimentary rocks is carried out using two databases of rock properties collected by JNC and Geological Survey of Japan. In laboratory experiments, core samples of the Tertiary siliceous mud rock obtained from the HDB-4 borehole, which was excavated in the Horonobe area in this year, were studied. The matrix porosity of intact cores measured by wet and dry weight was ranging from 33% to 41%. The hydraulic conductivities of rock matrix determined by the transient pulse test were in an order of 10-11 m/s. The effective diffusion coefficients obtained from the through diffusion test were 0.8 to 2.5x10-11 m2/s. This suggested that, in these cores, the flow in the rock matrix is not significant comparing with the flow in fractures, and the matrix diffusion from fractures into rock matrix should cause a significant effect to the mass transport phenomenon. Non-sorbing tracer experiment was conducted in fractured cores. As a tracer, potassium iodide solution was injected at a constant rate and the tracer concentration change during injection was observed at the outlet. The obtained breakthrough curve was interpreted and fitted by using a numerical simulator for flow and mass transport called FRAC3DVS (Therrien et al., 1999), and finally, mass transport parameters are obtained. The result indicates that the matrix diffusion plays an important role for mass transport in the fractured soft sedimentary rocks.