Geochemical modeling of cation exchange reactions in Horonobe mudstone from Northern Hokkaido, Japan

幌延泥岩中の陽イオン交換反応に関する地球化学モデリング

阿部 健康  ; 飯田 芳久 ; 笹本 広   ; 石井 英一   

Abe, Takeyasu; Iida, Yoshihisa; Sasamoto, Hiroshi; Ishii, Eiichi

埋設処分における地下水質の時空間的変遷評価では、地下水の混合や水-岩石相互作用を考慮したモデルが必要となる。堆積岩環境の地下水質を対象とした場合、評価上重要な水-岩石相互作用は陽イオン交換反応と考えられる。本研究では、パイロットボーリングが実施される概要調査段階における陽イオン交換反応の評価を想定し、陽イオン交換選択係数をactive fraction modelに従った地球化学計算に基づき推定する手法を検討する。さらに本手法の実環境での適用性を確認するために、幌延泥岩(稚内層及び声問層)を対象に交換性陽イオン組成の測定値と本手法による推定値との比較検討を行った。稚内層及び声問層の交換性陽イオン組成を測定し、得られた組成の変動範囲についてactive fraction modelを使って評価を行った。本評価に必要なパラメータの設定値は、先行研究で報告されているスメクタイトの2成分系陽イオン交換等温線及びCECのpH依存性に基づいて推定し、帯水層土壌に比べNaに親和的な選択係数を得た。推定したパラメータ設定を用いて、幌延で得られている化石海水・古天水の組成と平衡な交換性陽イオン組成を計算した結果、稚内層の交換性陽イオン組成の測定結果(交換性Naに富む組成)と整合した。また化石海水に比べてpHが高くNaイオンに乏しい現海水と平衡な交換性陽イオン組成を計算した結果、溶液の組成関係に反して化石海水よりも交換性Naに富む組成が得られた。このように溶液組成と反比例する交換性陽イオン組成の変化を解釈する上では、pHと全陽イオン濃度の変化が重要であることをベンチマーク計算により確認した。

Cation exchange is one of important elementary reactions among water-rock interactions in sedimentary rocks. In order to model non-constant Na-K-Ca-Mg-H exchange selectivity of sedimentary rocks, exchange isotherms and pH dependence on cation exchange capacity of smectite were analyzed following active fraction model. As the result of comparison of exchangeable cationic composition between measured and calculated, selectivity coefficients determined in this study were preferred to those presented by previous studies. Using the coefficients and groundwater hydrochemistry reported previously, expected compositions of exchangeable cations were calculated. The results suggested that pH and total Na-K-Ca-Mg-H concentration of groundwater are important factors to interpret observed compositional variation in exchangeable base cations.