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A Proposed method to estimate in situ dissolved gas concentrations in gas-saturated groundwater

脱ガスの影響を被った試料に対する原位置溶存ガス濃度の定量的解析手法の開発

玉村 修司*; 宮川 和也 ; 荒巻 憲隆*; 五十嵐 敏文*; 金子 勝比古*

Tamamura, Shuji*; Miyakawa, Kazuya; Aramaki, Noritaka*; Igarashi, Toshifumi*; Kaneko, Katsuhiko*

地下の環境を調査する上で、二酸化炭素やメタン, 水素, ヘリウムなどの溶存ガス量を精確に把握することが重要である。幌延のような溶存ガスに飽和している環境では、掘削に伴う圧力の低下により溶存ガスの脱ガスが生じるため、掘削前の原位置の情報を得ることはとても困難である。このことは、地上からのボーリング孔を利用した調査でも避けることができず、また地下施設を利用した場合においても同じである。そこで本研究では、脱ガスした試料の溶存ガス分析結果と、脱ガス前の圧力情報を用いた定量的な解析手法を開発した。本研究では、各ガス種の物理的溶解に対してはヘンリーの法則を考慮し、二酸化炭素に対しては化学的溶解についても考慮することで、脱ガスによる溶存ガス濃度の変化を精度よく計算することが可能になった。このことにより、これまで得ることが困難であった掘削前の原位置の情報をより正確に推定することが可能になった。本結果は、ヘリウムガスを用いた地下水年代測定法や、地下水流動解析における飽和・不飽和の判定などに適用することができ、その波及効果は大きい。

Groundwater saturated with gas forms bubble under atmospheric pressure, bothering most authorized methods to determine in-situ dissolved gas concentrations. To circumvent this problem, a simple theory to quantify effect of $rm bubble formation on in-situ dissolved gas concentration was developed: Pressure ({it P$_{i},rm original $}$ [bar]) of a gas component "${it i}$" (e.g., CH$$_{4}$$, CO$$_{2}$$ and H$$_{2}$$) in equilibrium with in-situ dissolved concentration (${it C $_{i},rm original $}$ [mol L $$^{-1}$$]) was related to partial pressure of the $rm bubble ({it P $_{i},rm bubble $}$ [bar]) emerged from groundwater in the form: ${it P$_{i},rm original $}$ = ${it P $_{i},rm bubble $}$ + $$Delta$$ ${it P}$ (k${it i}$' ${it P $_{i},rm bubble $}$/($$Sigma$$ ${it j}$k${it j}$' ${it P $_{ j },rm bubble $}$)), where $$Delta$$ ${it P}$ [bar] is groundwater pressure difference before and after the $rm bubble formation, and j refers to all gas components in the system including "{it i.}$" The k${it $_{i}$}$' and k${it $_{j}$}$' corresponds to the Henry's constant [bar L mol$$^{-1}$$] of ${it i}$ (k${it $_{i}$}$) and ${it j}$ (k${it $_{j}$}$), respectively, except for k$$_{CO2}$$', which is pH-dependent function. Dissolved CH$$_{4}$$ concentrations were successfully estimated by the model within the error of $$pm$$ 4.0% from the direct measurements by the sealed sampler method. Similar TIC concentration in the groundwater before and after the rm bubble formation was consistent with the model prediction. The wide application of the model is suggested without selecting sampling locations.

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