Diverse microbiome functions, limited temporal variation and substantial genomic conservation within sedimentary and granite rock deep underground research laboratories

天野 由記; Sachdeva, R.*; Gittins, D.*; Anantharaman, K.*; Lei, S.*; Valentin-Alvarado, L. E.*; Diamond, S.*; 別部 光里*; 岩月 輝希; 望月 陽人; et al.

Environmental Microbiome (Internet), 19, p.105_1 - 105_17, 2024/12

https://doi.org/10.1186/s40793-024-00649-3

Underground research laboratories (URLs) provide a window on the deep biosphere and enable investigation of potential microbial impacts on nuclear waste, CO and H stored in the subsurface. We carried out the first multi-year study of groundwater microbiomes sampled from defined intervals between 140 and 400 m below the surface of the Horonobe and Mizunami URLs, Japan. The Horonobe and Mizunami microbiomes are dissimilar, likely because the Mizunami URL is hosted in granitic rock and the Horonobe URL in sedimentary rock. Despite this, hydrogen metabolism, rubisco-based CO fixation, reduction of nitrogen compounds and sulfate reduction are well represented functions in microbiomes from both URLs, although methane metabolism is more prevalent at the organic- and CO-rich Horonobe URL. We detected near-identical genotypes for approximately one third of all genomically defined organisms at multiple depths within the Horonobe URL. This cannot be explained by inactivity, as in situ growth was detected for some bacteria, albeit at slow rates. Given the current low hydraulic conductivity and groundwater compositional heterogeneity, ongoing inter-site strain dispersal seems unlikely. Alternatively, the Horonobe URL microbiome homogeneity may be explained by higher groundwater mobility during the last glacial period. Genotypically-defined species closely related to those detected in the URLs were identified in three other subsurface environments in the USA. Thus, dispersal rates between widely separated underground sites may be fast enough relative to mutation rates to have precluded substantial divergence in species composition. Species overlaps between subsurface locations on different continents constrain expectations regarding the scale of global subsurface biodiversity. Overall, microbiome and geochemical stability over the study period has important implications for underground storage applications.

Isotopic signals in fracture-filling calcite showing anaerobic oxidation of methane in a granitic basement

水野 崇; 鈴木 庸平*; Milodowski, A. E.*; 岩月 輝希

Applied Geochemistry, 150, p.105571_1 - 105571_11, 2023/03

https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2023.105571

地下水中における嫌気的メタン酸化(AOM)は、地下水の酸化還元条件と炭素循環の両方に影響を及ぼすものの、地層処分の母岩となりうる結晶質岩を対象とした研究例は少ない。そのため、本研究では、日本の中央部に分布する土岐花崗岩の割れ目に産出する二次鉱物である方解石を対象に、炭素と酸素の安定同位体組成に着目した古水理地質学的研究を実施した。その結果、酸素同位体組成(O: -32.7‰ -0.59‰)から、方解石を析出させた地下水は熱水由来の地下水、地表から浸透した淡水、海進時に侵入した海水であることが明らかとなった。一方、炭素同位体組成C: -56.6‰ +6.0‰)は、熱水,淡水,海水由来のDICの炭素同位体組成の範囲(-25‰ +2‰)より広い範囲に分布していた。-25‰より軽いCを持つ方解石はAOMから供給されたDICを起源として沈殿したと考えられ、+2‰より重いCを持つ方解石はメタン生成時にCが濃縮したDICを起源として沈殿したと考えられる。北欧における先行研究とは異なり、瑞浪のAOM方解石は淡水環境で沈殿したものであり、結晶質岩の深部では様々なプロセスによりAOMが生じる可能性があることが示された。このような幅広い環境下での炭素循環を理解することは、地層処分システムの長期的な安全性を評価する上で重要な知見を提供できると考えられる。

Precipitation sequence of fracture-filling calcite in fractured granite and changes in the fractionation process of rare earth elements and yttrium

水野 崇; Milodowski, A. E.*; 岩月 輝希

Chemical Geology, 603, p.120880_1 - 120880_16, 2022/08

https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2022.120880

本研究は、瑞浪地域の土岐花崗岩中の割れ目を充填する方解石の形成順序と希土類元素およびイットリウム(REY)の分別プロセスに着目している。方解石の結晶形、化学的・同位体的特徴と流体包有物の化学的特徴から、Calcite I (最古)からCalcite IV (最新)まででの4つの世代に区別されることが明らかになった。方解石の析出履歴は、海進に伴う海水の浸透と海退・隆起に伴う地表水の浸透による地下水の進化に支配された古地下水の水文化学組成の変化を反映している。REYの大陸頁岩による正規化パターンを世代毎で見ると、有意なCe異常はなく、負のEu異常、軽REY(LREY)に枯渇するパターンが支配的であることがわかった。これらの特徴は、土岐花崗岩にも共通する。各世代の方解石における特徴の一貫性は、REYが水-岩石反応によって土岐花崗岩から供給されたことを示している。方解石中のCe異常の欠如は、方解石析出時に地下水が還元状態を維持していたことを示す。しかし、方解石中のLREYとHREYの分画は花崗岩中よりも各世代で顕著であった。各世代の方解石が沈殿した古地下水における分画過程は、過去の地下水中のREYシリーズやpHの炭酸錯体の系統的な変動と密接に関連している。本研究で得られた知見は、高レベル放射性廃棄物の地層処分の長期的な安全性を評価するために重要である。

放射性廃棄物の処分分野における地下水モニタリングの方法

村上 裕晃; 岩月 輝希; 竹内 竜史; 西山 成哲*

原子力バックエンド研究(CD-ROM), 27(1), p.22 - 33, 2020/06

https://doi.org/10.3327/jnuce.27.1_22

地層処分や中深度処分などの放射性廃棄物の埋設・処分分野においては、事業の進捗に合わせて処分施設周辺の地質環境の変化などの大量の情報を収集する必要がある。モニタリングは、処分場周辺の地質環境の把握、事業の意思決定プロセスの支援、利害関係者への情報提供などの目的のために実施される。本論では、国内外における地下水モニタリングの現状と課題を整理した。その結果、モニタリングに先立つ地質環境調査でのボーリング孔掘削、モニタリング場所の選定については、これまでの研究技術開発により技術が確立している一方で、モニタリング機器の長期運用、長期運用後の機器回収、モニタリング孔閉塞時の閉塞材搬送方法、保孔用ケーシングやストレーナ管を残置した場合の移行経路閉塞性などについては、更に技術的根拠の蓄積が必要と考えられた。

超深地層研究所計画 年度報告書(2018年度)

竹内 竜史; 岩月 輝希; 松井 裕哉; 野原 壯; 尾上 博則; 池田 幸喜; 見掛 信一郎; 濱 克宏; 弥富 洋介; 笹尾 英嗣

JAEA-Review 2020-001, 66 Pages, 2020/03

JAEA-Review-2020-001.pdf:7.6MB

日本原子力研究開発機構東濃地科学センターでは、高レベル放射性廃棄物の地層処分技術に関する研究開発のうち、深地層の科学的研究(地層科学研究)の一環として、結晶質岩(花崗岩)を対象とした超深地層研究所計画を進めている。本研究所計画では、2014年度に原子力機構改革の一環として抽出された三つの必須の課題(地下坑道における工学的対策技術の開発、物質移動モデル化技術の開発、坑道埋め戻し技術の開発)の調査研究を進めている。本報告書は、2018年度に実施した超深地層研究所計画のそれぞれの研究分野における調査研究、共同研究、施設建設等の主な結果を示したものである。

超深地層研究所計画 年度計画書(2019年度)

竹内 竜史; 岩月 輝希; 松井 裕哉; 池田 幸喜; 見掛 信一郎; 濱 克宏; 弥富 洋介; 松岡 稔幸; 笹尾 英嗣

JAEA-Review 2019-014, 30 Pages, 2019/10

JAEA-Review-2019-014.pdf:4.72MB

日本原子力研究開発機構(以下、原子力機構)東濃地科学センターでは、高レベル放射性廃棄物の地層処分技術に関する研究開発のうち、深地層の科学的研究(地層科学研究)の一環として、結晶質岩(花崗岩)を対象とした超深地層研究所計画を進めている。本研究所計画では、2014年度に原子力機構改革の一環として抽出された三つの必須の課題(地下坑道における工学的対策技術の開発、物質移動モデル化技術の開発、坑道埋め戻し技術の開発)の調査研究を進めている。本計画書は、2015年に改訂した「超深地層研究所地層科学研究基本計画」および「超深地層研究所計画における調査研究計画-第3期中長期計画における調査研究計画-」に基づき、2019年度の超深地層研究所計画の調査研究計画、施設計画、共同研究計画等を示したものである。

長期的な地形変化と気候変動による地下水流動状態の変動性評価手法の構築

尾上 博則; 小坂 寛*; 松岡 稔幸; 小松 哲也; 竹内 竜史; 岩月 輝希; 安江 健一

原子力バックエンド研究(CD-ROM), 26(1), p.3 - 14, 2019/06

https://doi.org/10.3327/jnuce.26.1_3

高レベル放射性廃棄物の地層処分の安全評価は、処分施設閉鎖後、数万年以上に及ぶ時間スケールを対象として実施される。そのため、長期的な自然現象による影響を考慮した地下水の流速や移行時間といった地下水流動状態の長期変動性の評価技術の整備は重要な技術開発課題である。本研究では、長期的な自然現象のうち隆起・侵食による地形変化や気候変動に着目し、それらに対する地下水流動状態の変動性を、複数の定常解析結果に基づく変動係数で評価可能な手法を構築した。岐阜県東濃地域を事例とした評価手法の適用性検討の結果、過去100万年間の地形変化や涵養量の変化による影響を受けにくい地下水の滞留域を三次元的な空間分布として推定した。本評価手法を適用することで、地層処分事業の評価対象領域において、地形変化や気候変動に対する地下水流動状態の変動性が小さい領域を定量的かつ空間的に明示することができる。さらに、岐阜県東濃地域における事例検討結果を踏まえて、外挿法を用いた地下水流動状態の変動性の将来予測の基本的な考え方を整理するとともに、将来予測手法の適用可能な時間スケールについて考察した。

DECOVALEX-2019 Task C; GREET Intermediate report

岩月 輝希; 尾上 博則; 石橋 正祐紀; 尾崎 裕介; Wang, Y.*; Hadgu, T.*; Jove-Colon, C. F.*; Kalinina, E.*; Hokr, M.*; Balvn, A.*; et al.

JAEA-Research 2018-018, 140 Pages, 2019/03

JAEA-Research-2018-018.pdf:40.68MB

DECOVALEX-2019プロジェクト:タスクCでは、瑞浪超深地層研究所で実施している冠水試験の結果に基づいて、数値シミュレーションを用いた環境回復過程の予測手法の開発を行っている。この中間報告書では、タスクCの参加機関(原子力機構, サンディア国立研究所, リベレツ工科大学)により行われた、冠水坑道掘削による環境擾乱のモデル化と予測の結果を取りまとめた。坑道掘削中のトンネルへの地下水流入量, 水圧低下、トンネル付近のモニタリング孔での塩素イオン濃度の変動を予測課題として数値シミュレーションの開発を行った結果、現行のシミュレーション技術によってパイロット孔のデータに基づいて地下水流入量および水圧低下規模を予測可能であることが示された。

広域地下水流動研究における地下水の水圧長期モニタリング(20152016年度)

毛屋 博道; 竹内 竜史; 岩月 輝希

JAEA-Data/Code 2018-020, 58 Pages, 2019/03

JAEA-Data-Code-2018-020.pdf:3.19MB
JAEA-Data-Code-2018-020-appendix1(CD-ROM).zip:203.36MB
JAEA-Data-Code-2018-020-appendix2(CD-ROM).zip:168.01MB

広域地下水流動研究は、広域における地表から地下深部までの地質・地質構造、岩盤の水理や地下水の水質を明らかにするために必要な調査・解析技術などを開発することを目標として、1992年度より調査研究を開始した。2004年度末をもって主な現場調査を終了し、2005年度からは、土岐花崗岩における水理学的・地球化学的な基礎情報の取得および地下水流動解析結果の妥当性確認のためのデータ取得を目的として、既存の観測設備を用いた表層水理観測および既存のボーリング孔を用いた地下水の水圧長期モニタリングを継続している。本報告書は、20152016年度に実施した地下水の水圧長期モニタリングデータを取りまとめたものである。

地下施設で使用する吹付けコンクリートが地下水水質に与える影響; 地球化学計算コードによる評価方法の提案

岩月 輝希; 柴田 真仁*; 村上 裕晃; 渡辺 勇輔; 福田 健二

土木学会論文集,G(環境)(インターネット), 75(1), p.42 - 54, 2019/03

https://doi.org/10.2208/jscejer.75.42

地下施設における吹付けコンクリート支保工が地下水水質に与える影響を明らかにするため、深度500mの花崗岩に掘削した坑道を閉鎖する実規模原位置試験を行った。閉鎖坑道内の水質観察、吹付けコンクリートの分析、それらに基づく水質再現解析の結果、Brucite, Ettringite, Ca(OH) , Gibbsite, KCO, NaCO・10HO, SiO (a), Calciteの溶解・沈殿反応が水質に影響する主要反応であることが明らかになった。更に、坑道内に施工された吹付けコンクリートはCa(OH)に飽和した地下水(pH12.4)を約570m生成する反応量を持つと見積もることができた。これにより坑道閉鎖後の長期的な化学影響の予測解析の確度が向上すると考えられた。