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[HCG21-P01] 高レベル放射性廃棄物等の処分地選定に係るボーリング調査技術の実証研究（2）膨潤性を示す破砕質泥岩のボーリング孔掘削・試験
キーワード：放射性廃棄物、地層処分、ボーリング調査、葉山層群、膨潤性
1. はじめに
原子力発電環境整備機構と一般財団法人電力中央研究所（以下，電中研）は，既存の地質環境調査・評価技術の地層処分事業への適用性確認及び必要に応じた高度化・最適化を行うために，2006年度より電中研横須賀地区における大深度ボーリング実証試験（YDP-1～3孔）を主体とする共同研究（以下，実証研究）を進めてきた。これまでの実証研究では，膨潤性を示す破砕質泥岩を主体とする葉山層群において，コア採取率の低下や孔径拡大などの掘削技術に係わる課題を認識し，2016年度にシリケート泥水を用いた掘削技術の検討をYDP-a孔で実施した結果，これらの課題を克服できる見通しを得た1）。一方で，シリケート泥水が試験で取得する地質環境特性データに与える影響を評価する必要性を認識した。このことから，新規大深度ボーリング実証試験（YDP-4孔）では，概要調査段階のボーリング調査で取得が想定される地質環境特性データを網羅的に取得するために，高いコア回収率と安定したボーリング孔を確保するとともに，掘削泥水が地質環境特性データに与える影響について確認した。
2. 実施地点における葉山層群の地質・鉱物学的特徴
本地点は，下位より泥岩主体の新第三紀付加コンプレックス中の堆積岩類と推定される葉山層群，凝灰質砂岩を主体とする堆積岩類の三浦層群，第四系（沖積層）が分布するが，YDP-4孔では沖積層直下に葉山層群が分布し，三浦層群は分布していなかった。葉山層群は，硬質な岩相から指圧で崩れるような脆く破砕質な岩相まで変化に富む。偏光顕微鏡観察及びX線回折法による鉱物分析の結果，泥岩は火山ガラス，粘土鉱物（イライト，スメクタイトなど），石英，斜長石，不透明鉱物などからなる。また，陽イオン交換容量（CEC）試験の結果，スメクタイトはNa型であり，CEC値は平均30meq/100gと非常に膨潤性が高い特徴を有する。
3. ボーリング実証試験の概要
YDP-4孔は掘削長720mであり，コア掘削区間はNa系とK系の2種類のシリケート泥水を適用した。掘削ツールは岩盤の性状に応じて3種類のビットを適用した。掘削パラメータは随時モニタリングを行い，パラメータを設定した。ボーリング孔及び採取試料を用いて，地質・地質構造，水理特性，地下水の地球化学特性，岩盤の物理・力学・熱特性，物質移行特性（地下深部の微生物群集を含む）に係る各種試験を実施した。
4. ボーリング実証試験結果
YDP-4孔の葉山層群は，YDP-a孔の結果と比較すると，Rock Quality Designation（RQD：岩盤の割れ目の定量的評価手法）が，YDP-a孔の平均86%に対し平均75%であり，悪条件下の岩盤性状であった。コア採取率は，YDP-a孔の99%に対し90%であり，硬質かつ割れ目が少ない泥岩では98%と高いものの，指圧で崩れるような破砕質泥岩では76%であった。孔壁の安定性は，YDP-a孔の孔径拡大率が103%に対し106%であった。
水理試験時には，孔壁を保護しているマッドケーキの除去により孔壁が不安定化し，試験装置の抑留が発生した。掘削パラメータは岩盤に応じて変化させたが，孔径拡大率に大きな違いは確認できなかった。シリケート泥水を用いなかったYDP-2・3孔の孔径拡大率と比較すると，10%程度拡大を抑制していること，及び軟弱な泥岩の掘削時にビットの張り付きが減少した印象があるとの掘削オペレーターからの報告があることから，孔壁の安定性確保に一定の効果を発揮したと考えられる。
シリケート泥水による地質や岩盤の物理・力学・熱特性のデータへの影響は確認できなかった。水理学的特性については，10-9m/sオーダー以下の透水係数を取得し，孔内環境（清水または泥水）を問わず概ね同程度の透水係数であり，大きな影響は確認できなかった。地下水水質については，掘削泥水による影響を低減するために予備排水を実施し，Kイオン濃度の低下を確認したもののわずかに減少する傾向がみられ，泥水中のケイ酸カリウムなどの影響が残っていると考えられる。地下深部の微生物群集については，高pHの掘削泥水による菌体へのダメージや好アルカリ細菌の比率が高いなどの影響を確認した。
5. おわりに
本検討を通じて，膨潤性を示す破砕質泥岩を対象とする掘削技術や試験について，トラブルとその対応も含めて今後の処分地選定調査の糧となるノウハウ・経験を蓄積できた。シリケート泥水が地質環境特性データに与える影響については，異なる種類の掘削泥水を用いて掘削した区間とのデータの対比などを実施し，より詳細な検討を進める必要がある。
文献
1）西尾ほか（2017）：シリケート泥水を用いた膨潤性を示す破砕質泥岩のボーリング孔掘削，日本応用地質学会平成29年度研究発表会講演論文集，pp.73-74.
原子力発電環境整備機構と一般財団法人電力中央研究所（以下，電中研）は，既存の地質環境調査・評価技術の地層処分事業への適用性確認及び必要に応じた高度化・最適化を行うために，2006年度より電中研横須賀地区における大深度ボーリング実証試験（YDP-1～3孔）を主体とする共同研究（以下，実証研究）を進めてきた。これまでの実証研究では，膨潤性を示す破砕質泥岩を主体とする葉山層群において，コア採取率の低下や孔径拡大などの掘削技術に係わる課題を認識し，2016年度にシリケート泥水を用いた掘削技術の検討をYDP-a孔で実施した結果，これらの課題を克服できる見通しを得た1）。一方で，シリケート泥水が試験で取得する地質環境特性データに与える影響を評価する必要性を認識した。このことから，新規大深度ボーリング実証試験（YDP-4孔）では，概要調査段階のボーリング調査で取得が想定される地質環境特性データを網羅的に取得するために，高いコア回収率と安定したボーリング孔を確保するとともに，掘削泥水が地質環境特性データに与える影響について確認した。
2. 実施地点における葉山層群の地質・鉱物学的特徴
本地点は，下位より泥岩主体の新第三紀付加コンプレックス中の堆積岩類と推定される葉山層群，凝灰質砂岩を主体とする堆積岩類の三浦層群，第四系（沖積層）が分布するが，YDP-4孔では沖積層直下に葉山層群が分布し，三浦層群は分布していなかった。葉山層群は，硬質な岩相から指圧で崩れるような脆く破砕質な岩相まで変化に富む。偏光顕微鏡観察及びX線回折法による鉱物分析の結果，泥岩は火山ガラス，粘土鉱物（イライト，スメクタイトなど），石英，斜長石，不透明鉱物などからなる。また，陽イオン交換容量（CEC）試験の結果，スメクタイトはNa型であり，CEC値は平均30meq/100gと非常に膨潤性が高い特徴を有する。
3. ボーリング実証試験の概要
YDP-4孔は掘削長720mであり，コア掘削区間はNa系とK系の2種類のシリケート泥水を適用した。掘削ツールは岩盤の性状に応じて3種類のビットを適用した。掘削パラメータは随時モニタリングを行い，パラメータを設定した。ボーリング孔及び採取試料を用いて，地質・地質構造，水理特性，地下水の地球化学特性，岩盤の物理・力学・熱特性，物質移行特性（地下深部の微生物群集を含む）に係る各種試験を実施した。
4. ボーリング実証試験結果
YDP-4孔の葉山層群は，YDP-a孔の結果と比較すると，Rock Quality Designation（RQD：岩盤の割れ目の定量的評価手法）が，YDP-a孔の平均86%に対し平均75%であり，悪条件下の岩盤性状であった。コア採取率は，YDP-a孔の99%に対し90%であり，硬質かつ割れ目が少ない泥岩では98%と高いものの，指圧で崩れるような破砕質泥岩では76%であった。孔壁の安定性は，YDP-a孔の孔径拡大率が103%に対し106%であった。
水理試験時には，孔壁を保護しているマッドケーキの除去により孔壁が不安定化し，試験装置の抑留が発生した。掘削パラメータは岩盤に応じて変化させたが，孔径拡大率に大きな違いは確認できなかった。シリケート泥水を用いなかったYDP-2・3孔の孔径拡大率と比較すると，10%程度拡大を抑制していること，及び軟弱な泥岩の掘削時にビットの張り付きが減少した印象があるとの掘削オペレーターからの報告があることから，孔壁の安定性確保に一定の効果を発揮したと考えられる。
シリケート泥水による地質や岩盤の物理・力学・熱特性のデータへの影響は確認できなかった。水理学的特性については，10-9m/sオーダー以下の透水係数を取得し，孔内環境（清水または泥水）を問わず概ね同程度の透水係数であり，大きな影響は確認できなかった。地下水水質については，掘削泥水による影響を低減するために予備排水を実施し，Kイオン濃度の低下を確認したもののわずかに減少する傾向がみられ，泥水中のケイ酸カリウムなどの影響が残っていると考えられる。地下深部の微生物群集については，高pHの掘削泥水による菌体へのダメージや好アルカリ細菌の比率が高いなどの影響を確認した。
5. おわりに
本検討を通じて，膨潤性を示す破砕質泥岩を対象とする掘削技術や試験について，トラブルとその対応も含めて今後の処分地選定調査の糧となるノウハウ・経験を蓄積できた。シリケート泥水が地質環境特性データに与える影響については，異なる種類の掘削泥水を用いて掘削した区間とのデータの対比などを実施し，より詳細な検討を進める必要がある。
文献
1）西尾ほか（2017）：シリケート泥水を用いた膨潤性を示す破砕質泥岩のボーリング孔掘削，日本応用地質学会平成29年度研究発表会講演論文集，pp.73-74.