Paleohydrogeology of the Horonobe area, Northern Hokkaido, Japan; Groundwater flow conditions during glacial and postglacial periods estimated from chemical and isotopic data for fracture and pore water

北海道北部、幌延地域の古水理地質; 亀裂水および間隙水の化学・同位体データから推定される氷期と後氷期の地下水流動状態

望月 陽人  ; 石井 英一   

Mochizuki, Akihito; Ishii, Eiichi

氷期と間氷期の地下水流動の違いを理解することは、将来的な気候変動が地下水流動に与える影響を予測するうえで重要である。本研究では、幌延地域の亀裂性泥岩における最終氷期と後氷期の地下水流動の違いを、亀裂水と間隙水の安定同位体比(D、O)、Cl濃度と放射性炭素(C)年代測定を組み合わせることにより評価した。亀裂水と間隙水の安定同位体比から、涵養域に最も近いボーリング孔の28250mの地下水は現在と類似した気候で涵養した天水から構成されており、亀裂水の同位体組成が周辺のマトリクス中の間隙水と比べてより天水に近い値を示した。この天水は後氷期に涵養したものであることが、C年代から示唆された。同ボーリング孔のより深い深度や、その他の孔の調査深度では、地下水が氷期の天水と化石海水からなることが同位体組成から示され、亀裂水はマトリクス中の間隙水と同様の組成を示した。C年代測定から、天水の浸透は最終氷期またはそれ以前に生じたと推測された。以上の結果は、後氷期に涵養した天水が浅部を流動しており、一方、最終氷期に涵養した天水は深部にとどまっていることを示唆する。このことは、調査地域の谷が最終氷期には現在よりも最大で約50 m深かったという地表物理探査および地質調査の結果と整合的であり、谷が深かったために最終氷期には下向きの動水勾配が増加したと考えられる。地下水の安定同位体比と化学組成、およびC年代測定を組み合わせる方法は、亀裂性岩盤における最終氷期と後氷期の地下水流動の違いを評価するうえで有用である。

Understanding the difference in groundwater flow between glacial and interglacial periods is crucial for predicting the impact of future climate changes on groundwater movement. This study assesses the difference in groundwater flow between the last glacial period (LGP) and the postglacial period (PGP) in fractured mudstones of the Horonobe area, Japan, by combining the data for stable isotopes (D and O) and Cl concentration of fracture and pore waters with radiocarbon (C) age. The isotopic compositions of fractures and pore waters indicate that groundwater at 28250 m deep in a borehole closest to the recharge area comprises meteoric water, recharged under the same climates as the present. The fracture water has isotopic compositions more similar to meteoric water than the matrix pore water near the fracture. The C age of fracture water suggests meteoric water recharge during the PGP. At greater depths in the borehole and sampling points in other boreholes, the isotopic compositions indicate the mixing of glacial meteoric and altered connate water, with the fracture water having comparable isotopic compositions with the matrix pore water. The recharge timing of meteoric water is inferred to be the LGP or before based on C dating. These results suggest that the meteoric water recharged during the PGP flows at a shallow depth, whereas the meteoric water recharged during the LGP intruded to greater depths. This result is consistent with previous inferences from surface geophysical and geological surveys that the depths of local valleys during the LGP were greater by 50 m than the present ones and enhanced the downward hydraulic gradient. Combining the chemical and isotopic compositions of groundwater with C age helps assess the groundwater flow during the LGP and PGP in fractured rocks.