Observational evidence of elastic shear displacement along a minor fault in soft siliceous mudstone

田村 友識; 石井 英一; 青柳 和平; 八木 啓介*

Rock Mechanics and Rock Engineering, 59(6), p.7155 - 7163, 2026/06

https://doi.org/10.1007/s00603-025-05138-8

When high level radioactive waste is emplaced in a rock mass with minor faults, it is necessary to consider the risk of shear displacement along them as this might damage engineered barriers surrounding the waste materials. When the shear compliance of the faults is high, large elastic shear displacement might occur along them due to hydromechanical changes after the emplacement. However, their shear compliance is usually assumed to be low (10 mm/MPa). To verify such assumption, we investigated a minor fault at a depth of 480 m in soft siliceous mudstone. We grouted it and investigated drillcores and borehole wall images, which revealed that the borehole axis in the footwall was displaced by 26 mm relative to the hanging wall as a result of 44 mm of reverse motion on the 57-dipping fault. We interpret this displacement as backward elastic shear displacement because (1) the water pressure in the borehole was 0.83.1 MPa lower than the formation pressure; (2) a reduction in water pressure can reduce the shear compliance of a fault, decreasing previously generated elastic shear displacement; and (3) this interpretation is consistent with the normal faulting stress state around the fault. The induced shear displacement and calculated shear stress on the fault yield a high shear compliance (10 mm/MPa). This study demonstrates that the shear compliance of minor faults is not always low; therefore, it is necessary to evaluate it using in situ investigations so that elastic shear displacement after the emplacement does not severely damage the engineered barriers.

スライド式パッカーを用いた孔内軸変位計測における室内校正実験方法の改善

佐久間 圭佑; 石井 英一; 青柳 和平; 田村 友識

材料, 75(3), p.166 - 172, 2026/03

https://doi.org/10.2472/jsms.2025.00103

断層のせん断コンプライアンスを調べる方法として、スライド式パッカーを用いた孔内軸変位計測手法が開発されている。本研究では、本手法を適用するために必要となるパッカーのコンプライアンスを決定するための室内実験方法を再検討した。先行研究ではパッカー単体を用いて実験が行われたが、本研究ではより実際の原位置試験条件に近い2つのパッカーを連結させた状態でパッカーのコンプライアンスを決定した。その結果、パッカー単体での実験ではコンプライアンスを過大もしくは過少評価する可能性があり、パッカー圧が小さいほど、パッカーを連結させた状態の結果と違いが大きくなることが分かった。また、コンプライアンスはパッカー圧に依存し、パッカー圧が小さいほど大きいことが分かった。これらのことから、室内実験では2つのパッカーを連結させ、かつ、パッカー圧を原位置試験の値に近づけることが望ましいことが分かった。今回得られた知見は、スライド式パッカーを用いた孔内軸変位計測手法の信頼性を向上させる上で重要である。

幌延深地層研究計画 令和6年度調査研究成果報告

中山 雅; 石井 英一; 青柳 和平; 早野 明; 村上 裕晃; 大野 宏和; 武田 匡樹; 深津 勇太; 望月 陽人; 尾崎 裕介; et al.

JAEA-Review 2025-042, 136 Pages, 2025/12

JAEA-Review-2025-042.pdf:12.95MB

幌延深地層研究計画は、日本原子力研究開発機構(以下、原子力機構)が堆積岩を対象に北海道幌延町で実施しているプロジェクトである。令和6年度は、「令和2年度以降の幌延深地層研究計画」で示した、「実際の地質環境における人工バリアの適用性確認」、「処分概念オプションの実証」および「地殻変動に対する堆積岩の緩衝能力の検証」の3つの研究課題を対象に調査研究を実施した。具体的には、「実際の地質環境における人工バリアの適用性確認」では、人工バリア性能確認試験および物質移行試験を、「処分概念オプションの実証」では、人工バリアの定置・品質確認などの方法論に関する実証試験および高温度等の限界条件下での人工バリア性能確認試験を実施した。また、「地殻変動に対する堆積岩の緩衝能力の検証」では、ダクティリティインデックスを用いた透水性評価手法の検証および水圧擾乱試験から原位置の地圧の状態を推定する手法の検討などを実施した。地下施設整備を継続し、東立坑および換気立坑が深度500mまでの掘削を完了するとともに、西立坑および500m調査坑道の掘削を開始した。令和6年度末現在の掘削進捗は、東立坑および換気立坑が深度500m、西立坑が深度472m、500m調査坑道が112.9mである。幌延国際共同プロジェクト(Horonobe International Project: HIP)では、令和6年6月には合同タスク会合を幌延深地層研究センター国際交流施設にて開催し、坑道の整備状況や試験の準備状況について確認した。また、管理委員会やタスク会合を通じて参加機関との議論を行った。HIPは令和4年度後半から令和6年度までをフェーズ1、令和7年度から令和10年度までをフェーズ2に分けて実施することとしており、令和6年度はフェーズ1の研究成果を取りまとめた。

Predicting the long-term natural decay of inflow from faults or fractures encountered during excavation of deep underground tunnels using the flow dimension

佐久間 圭佑; 石井 英一; 村上 裕晃

Environmental Earth Sciences, 84(22), p.663_1 - 663_11, 2025/11

https://doi.org/10.1007/s12665-025-12680-9

The safe geological disposal of high-level radioactive waste requires consideration of the inflow of groundwater from faults or fractures encountered during excavation of deep underground tunnels, as this inflow may adversely affect the installation and performance of bentonite buffers. The water pressure diffusion equation, assuming uniform hydraulic conductivity and specific storage, predicts that the inflow rate from faults or fractures naturally decays at a rate depending on the flow dimension when the cross-sectional area of the flow areas in the fault or fracture system is proportional to the power of the distance from the inflow point. Although this prediction has been verified for decay ratios measured a few weeks after tunnel excavation, its applicability to long-term predictions several years after excavation has not yet been assessed. We investigated the natural inflow decay ratios (i.e., the inverse of the current inflow rate normalized to the initial inflow rate at excavation) at fault-related inflow points in a tunnel at 350 m depth in the Horonobe Underground Research Laboratory, Japan, 10 years after tunnel excavation, and compared them with those modelled using the diffusion equation and flow dimension. The natural inflow decay ratio measured at each inflow point was equal to or higher than the modelled ratio. Although in some cases the measured ratios may be up to four times as high as the maximum modelled ratio, this difference can be explained by the effect of hydraulic interference between adjacent inflow points. The diffusion equation and flow dimension can be used to predict the minimum long-term (several years or longer) natural decay ratio, providing useful insight to implications for repository design timelines or regulatory decisions (e.g., determining when and where to install waste and bentonite buffers in a repository).

幌延深地層研究計画 令和7年度調査研究計画

中山 雅; 石井 英一; 早野 明; 青柳 和平; 村上 裕晃; 大野 宏和; 武田 匡樹; 望月 陽人; 尾崎 裕介; 木村 駿; et al.

JAEA-Review 2025-027, 80 Pages, 2025/09

JAEA-Review-2025-027.pdf:6.22MB

幌延深地層研究計画は、日本原子力研究開発機構が堆積岩を対象に北海道幌延町で実施しているプロジェクトである。令和7年度は、「令和2年度以降の幌延深地層研究計画」で示した、「実際の地質環境における人工バリアの適用性確認」および「処分概念オプションの実証」について、引き続き調査研究を行う。令和7年度に実施する主な調査研究は以下のとおりである。「実際の地質環境における人工バリアの適用性確認」では、人工バリア性能確認試験のデータ取得を継続するとともに、解体試験計画の具体化や原位置試験を対象とした解析検討の準備を行う。「処分概念オプションの実証」では、坑道スケールピットスケールでの調査・設計・評価技術の体系化について、坑道スケールピットスケールにおける閉じ込め性能の評価手法の整理を行う。500m調査坑道において先行ボーリング調査を行い、岩石の強度や岩盤の透水性などのデータを取得するとともに、トモグラフィ調査による試験坑道周辺の掘削損傷領域の広がりに関するデータを取得する。埋め戻し材や止水プラグの施工については、原位置施工試験に向けた計画検討を進める。深度500mの坑道掘削に伴う湧水量を観測するとともに、解析において予測された湧水量の範囲に収まるかどうかを確認する。500m調査坑道で施工予定のピット周辺の掘削損傷領域の広がりについて原位置における掘削損傷領域の把握のための試験計画を検討する。また、割れ目からの湧水量やピット周辺の掘削損傷領域の広がりについて調査・評価手法の整理を進める。地下施設の建設・維持管理では、令和6年度に引き続き西立坑と500m調査坑道の掘削を行い、令和7年度末に施設整備を完了する予定である。国内外の資金や人材の活用に関する取り組みとして、幌延国際共同プロジェクトにて「実際の地質環境における人工バリアの適用性確認」および「処分概念オプションの実証」に関わる3つのタスク(タスクA:物質移行試験、タスクB:処分技術の実証と体系化、タスクC:実規模の人工バリアシステム解体試験)について調査研究を継続する。

Rock strength and stress dependence of local flow-path connectivity within faults or fractures; A Preliminary overview of virtual and in-situ hydraulic tests

石井 英一; 尾崎 裕介; 青柳 和平; 菅原 健太郎*

Hydrogeology Journal, 33(1), p.63 - 85, 2025/02

https://doi.org/10.1007/s10040-024-02859-y

本研究はコンピューター上で仮想の亀裂の透水試験を行い、亀裂内の流れの次元とDIの関係を調べた。DIは岩石の平均応力、地下水圧、および引張強度により定義される力学的指標である。DIが大きいほど、亀裂の閉塞により亀裂目内の流路面積は小さくなる。仮想の透水試験により得られた亀裂内の流れの次元とDIの関係を天然の断層や亀裂における原位置透水試験の結果と比較した。その結果、DIが2未満だと断層内の水みちの連結性が高い(流れの次元が1.5以上)一方で、DIが2以上だと水みちの連結性が低い(流れの次元が1.5以下)ことが分かった。この関係は断層の注水試験においてDIが変化する場合や断層のせん断変位が発生する場合においても有効で、亀裂の鉱物充填が発達する岩盤においても有効であった。しかし、断層から離れた小規模な亀裂は、断層のネットワークとの連結性の低さや鉱物充填の影響によりDIが2未満であっても水みちの連結性が低い場合があった。健岩部の透水性が高い場合は、DIが2未満でも水みちの連結性が高かった。これらの知見は限られたボーリング孔データから断層や亀裂内の水みちの連結性の分布を推定する際に役立つ。

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.

Modelling transport pathways of faults with low hydraulic connectivity in mudstones with low swelling capacity

大野 宏和; 石井 英一; 武田 匡樹

Geoenergy (Internet), 2(1), p.geoenergy2023-047_1 - geoenergy2023-047_10, 2024/12

https://doi.org/10.1144/geoenergy2023-047

Faults in some deep mudstones have poor hydraulic connectivity owing to high normal stress on the fault planes. Designing a method for modeling solute transport pathways in such faults/fractures using available data is a critical issue vis-a-vis the safety assessment of radioactive waste disposal. In this study, faults in deep siliceous mudstones with low swelling capacity are investigated using cross-hole hydraulic and tracer tests between two boreholes. These results indicate that transport pathways in faults with low hydraulic connectivity can be modeled using a highly tortuous 1D pipe flow path.

Transmissivity prediction of the Excavation Damaged Zone fracture around the gallery at 500 m at the Horonobe Underground Research Laboratory

青柳 和平; 尾崎 裕介; 田村 友識; 石井 英一

Proceedings of 4th International Conference on Coupled Processes in Fractured Geological Media; Observation, Modeling, and Application (CouFrac2024) (Internet), 10 Pages, 2024/11

高レベル放射性廃棄物の地層処分では、処分場建設時に空洞周辺に生じる掘削損傷領域が放射性核種の選択的移行経路になりうることから、掘削損傷領域の評価が重要となる。過去の研究では、割れ目に作用する平均有効応力を引張強度で除した、Ductility Index(DI)というパラメータにより透水性を評価できる可能性があることが示されている。本研究では、幌延深地層研究センターの350m調査坑道を対象として坑道周辺のDIの分布を検討することで、掘削損傷領域の透水量係数を予測した結果、水理試験により得られた結果を内包する予測結果を得た。さらに、これから建設が予定されている500m調査坑道を対象としてDIに基づき掘削損傷領域の透水量係数を予測した。結果として、500m調査坑道では、350m調査坑道と比較して掘削損傷領域に生じる割れ目の透水量係数が1桁程度小さいことが確認された。これは、深度500mは、深度350mと比較して地圧状態が高いことにより割れ目が閉塞されやすいことを反映したものであると考えられる。

Constant-head step-injection tests using a conventional straddle-sliding-packer system for investigating the shear capabilities of minor faults

石井 英一

Rock Mechanics and Rock Engineering, 57(10), p.8861 - 8878, 2024/10

https://doi.org/10.1007/s00603-024-04010-5

高レベル放射性廃棄物の地層処分において、処分場の母岩中に存在し得る小規模な断層のせん断コンプライアンスを調べることは、それらの断層が廃棄体の熱的影響によって弾性的にずれて廃棄体に損傷を与える可能性があることから重要である。本研究は、小規模な断層のせん断コンプライアンスを調べるための手法として、スライド式ダブルパッカーを用いた定圧段階注水試験の適用性を検討するために、本方法を珪質泥岩中の二つの隣接する小規模な断層に適用した(厚さ数センチの断層角礫を伴う断層Aと厚さ数ミリ以下の断層角礫を伴う断層B)。試験の結果、断層Aはせん断コンプライアンスが高いのに対し、断層Bは未固結な断層岩を伴うにもかかわらず低いせん断コンプライアンスを有することが分かった。断層Aは区間圧が4.1から4.3MPaまで上昇すると15-66mmの弾性的なせん断変位が発生し、せん断コンプライアンスは10mm/MPa以上であった。一方で、断層Bは粘着力を有しており、区間圧を4.0から6.0MPaまで増加させてもせん断変位が検出されず、せん断コンプライアンスは10mm/MPa以下であった。本研究で推定されたせん断コンプライアンスは既報の室内実験の結果と整合し、今回適用した手法が小規模な断層のせん断コンプライアンスを調べるのに利用できることが確認できた。