| 研究課題/領域番号 |
16K05608
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| 研究機関 | 広島大学 |
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研究代表者 |
横山 正 広島大学, 総合科学研究科, 准教授 (60403101)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | 間隙水 / 岩石 / 溶解 / 溶存元素 / 浸透流 |
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| 研究実績の概要 |
岩石内部には一般にさまざまな大きさの間隙が存在し，それらが複雑な間隙構造を形成している。岩石内部でどのように水が流れ，どのように反応が進むかを調べるために，岩石にさまざまなガス圧をかけて間隙水を外部に押し出し，間隙径毎に水を回収して分析する「水押し出し法」を用いた研究を進めてきた。
砂岩（主要な間隙半径：約1 μm～数十μm）のコア試料を用いて，間隙中に水を流して溶解反応を生じさせた後，さまざまなガス圧をかけて，太い間隙から細い間隙まで数段階に分けて間隙水を押し出して回収し，溶存元素濃度を測定した。その結果，まず，間隙径が小さいほど溶存元素濃度は増大傾向を示し，その増大率はNaとCaでは約4～6倍であったが，Siでは2倍に満たなかった。また，間隙全体の体積に占める割合としてはそれほど多くない太い間隙中を流れる水の量が，全体の流量のかなりの割合を占めると推定された。実験で得られた溶存元素の濃度変化を解釈するために，任意の半径・長さの管状の間隙について，壁面の溶解速度と管内の流速から間隙中の元素濃度を計算する理論モデル（反応-輸送モデル）を作成し，計算値と実験値との比較を行った。その結果，モデル計算で実験結果を再現するためには，細い間隙中の溶液と太い間隙中の溶液の混合を考慮する必要があることや，細い間隙の長さは太い間隙の長さよりかなり短いと考えた方がよいことが分かった。
また，砂岩への水の浸透挙動を理解するために，水押し出し法で間隙水のサイズを調整して水の浸透速度（毛管上昇速度）を調べる研究も進めた。その結果，より細い間隙が水の浸透経路として利用できる場合ほど，全体として毛管上昇が遅くなることが分かった。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
昨年度の時点では，間隙が細いほど溶存元素濃度が増大する現象について，水押し出し法による実測値とモデル計算結果との間で大きな食い違いが生じる原因がよく分かっていなかった。間隙内部の溶解や水の流れ方について，さまざまな条件のモデルを作成し実験結果との整合性を検討した結果，太い間隙同士を細く短い間隙が連結するようなモデルを考えると実験結果を比較的よく説明できる可能性が高いことが分かってきた。また，昨年度の時点では，水を押し出す間隙が細くなるにつれてSi, Na, Ca, Mgなどの濃度が増大する割合が元素によって異なる原因が不明であった。この原因を検討した結果，細い間隙で特に顕著な濃度増加が認められるのはCaやNaであり，これらの元素の溶出源は主に炭酸塩や塩化物など非常に溶けやすい鉱物である可能性が高いことから，流量が多く溶解量も多い太い間隙では風化やその他の影響で溶けやすい鉱物の存在割合が比較的低くなっており，逆に細い間隙ではこれらの鉱物の存在割合が高いことが原因の一つと推察された。全体として，昨年度の時点で原因がよく分かっていなかった問題の解明が進んでおり，順調に研究が進展しているといえる。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成29年度の研究では，主に間隙半径が約1 μm～数十μmの砂岩について水押し出し法で得られた実験結果を解釈するために，反応-輸送モデルの改良や，それを用いた解析に力を入れてきた。その結果，より細い間隙中の溶液ほど溶存元素濃度が増大する原因や，濃度が増大する割合が元素によって異なる原因の理解がかなり進んだ。今後は，同じ岩石を用いて反応時の間隙水の流速や反応時間を変えた実験や，間隙構造や鉱物組成が異なる岩石試料を用いた実験などを行い，普遍性の高い反応-輸送現象の理解へと発展させていきたい。同じ岩石で流速や反応時間を変化させる場合，径が異なる間隙中の溶液の混合がどのように進むかについてより詳しい情報が得られる可能性がある。間隙構造や鉱物組成が異なる岩石を用いる場合，溶存元素濃度の増大が生じる間隙の径や，元素毎の濃度の変化傾向に違いが生じると予想される。これらの実験と理論モデルを用いた解析との比較検討を通して，岩石内部の反応-輸送現象の総合的な理解を進めていく。
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