Contribution of matrix hydraulic conductivity to groundwater flow in highly fractured high-porosity rock with low swelling properties and minimal fracture infill

技術要約：高破砕・高空隙率岩石におけるマトリックス透水係数の地下水流動への寄与

問題提起
高レベル放射性廃棄物の地層処分に関する安全評価において、割れ目のある岩盤における地下水流動の信頼性の高い数値モデリングおよび時空間的なアップスケーリングは極めて重要である。膨潤性が低く、割れ目の充填物がほとんどない典型的な泥岩では、流動は一般に、力学的応力状態（特に有効法線応力）に依存する割れ目の水理学的連結性によって制御される。しかし、本研究の対象である幌延地下研究センター（URL）の荒戸層は特異な事例である。この荒戸層は、高度に破砕されており、かつ高空隙率の泥岩であるが、通常であれば連結性が限定的であることを示唆する延性指数（DI > 2, DIu > 0.15）を有しているにもかかわらず、高い割れ目の水理学的連結性を示している。

割れ目の密度が高いことや、割れ目の交差部における空隙が流動の寄与因子であることは既知であるが、荒戸層は高空隙率に起因する非常に高いマトリックス透水係数（10⁻¹¹ 〜 10⁻⁹ m/s）を併せ持っている。この高いマトリックス透水係数が、割れ目とともに地下水流動にどの程度寄与しているのか、あるいは流動が割れ目ネットワークのみによって支配されているのかは依然として不明である。岩石マトリックスの役割を明らかにすることは、適切なモデリング手法の選択およびモデルのアップスケーリングの指針を得る上で不可欠である。

手法
この不確実性に対処するため、著者らは幌延URLの荒戸層において、定流量ステップ注入試験（in situ constant-rate stepwise hydraulic injection tests）を実施した。

• 実験設計： 4本の20メートルボーリング孔（250-MIG1-1 〜 4）と、それに近接した5本目のボーリング孔（250-MIG1-5）を掘削した。モニタリング区間は、割れ目密度の違いに基づき、割れ目のない区間から最大5つの割れ目を含む区間まで分割された。
• 水理試験： 水理・力学（HM）連成の影響を分離するため、一定流量ステップ注入試験を行った。注入速度を段階的に（5 〜 40 mL/min）増加させ、水理学的応答が一定（線形な圧力応答）であることを確認することで、試験によって割れ目の開口幅が変化していないことを検証した。
• データ解析： 著者らは、線形流動から球状流動までを統一的に扱う一般化放射流（GRF）モデルを用い、流動次元パラメータ（$n$）を導入した。
• 逆解析： マルコフ連鎖モンテカルロ法（具体的には差分進化メトロポリス・サンプラー）を用いた確率論的な逆解析を適用した。この手法により、透水係数（$K_f$）、比貯留係数（$S_{sf}$）、試験帯域の圧縮率、および流動次元（$n$）を同時に推定し、パラメータの不確実性と相関を定量化した。物理的に意味のある結果を得るために、理論値およびin situ測定値に基づき、比貯留係数に対して強い事前分布を適用した。

主な結果

• 流動次元： 割れ目のない区間を含むすべてのモニタリング区間において、推定された流動次元は一貫して高く、2.2から3.0の範囲であった。流動次元が3に近いことは球状流を示唆しており、流動が線状の割れ目チャネルに限定されていないことを示している。
• 割れ目のない区間： 割れ目を含まないモニタリング区間（250-MIG1-2のセクション4）において、水圧応答が観察された。解析の結果、流動次元が約3であり、透水係数が約10⁻⁹.⁵ m/sであることが特異的に特定された。これは、割れ目が存在しない状況下でも、岩石マトリックスのみを通じて地下水流動が発生したことを裏付けている。
• 透水係数： 割れ目を含む区間における推定透水係数は、無傷のマトリックスよりも高かったが、マトリックスと同じオーダー（10⁻¹⁰ 〜 10⁻⁸ m/s）に留まっていた。
• 水理・力学（HM）連成： 注入速度と水圧の間の線形関係は、HM連成が試験中に無視できる程度であったことを確認した。つまり、印加された応力条件下で割れ目の開口幅は大きく変化しなかった。
• 代表要素体積（REV）： 推定された透水係数の変動は数メートル以内で収束しており、この地層における透水係数のREVは数メートルのスケールであることを示唆している。

主な貢献

1. マトリックスの寄与の定量化： 本研究は、高度に破砕された岩盤であっても、高いマトリックス透水係数が荒戸層の地下水流動に大きく寄与するという直接的なin situの証拠を提供した。流動は割れ目ネットワークや割れ目の交差部のみによって支配されているわけではない。
2. モデリング手法の検証： GRFモデルと確率論的な逆解析の組み合わせによる成功は、パラメータの不確実性が厳密に定量化されている限り、複雑で高度に破砕された環境においても流動次元 > 2 が確実に特定できることを示した。
3. アップスケーリングへの指針： 透水係数のREVが数メートルのスケールで収束するという知見は、このサイトにおける地下水流動モデリングにおいて有効な物理特性を使用することを支持しており、より大規模な安全評価のためのモデル・アップスケーリングを容易にするものである。

意義と主張
本論文は、「低膨潤性泥岩における流動は、応力依存的な割れ目の連結性のみによって制御される」という従来の仮定が、荒戸層には完全には当てはまらないと主張している。代わりに、岩石マトリックスの高い空隙率が、割れ目と並行して機能する高透水性の経路を作り出している。

著者らは、岩石マトリックスの役割を明らかにすることが、適切な数値モデルを選択するために不可欠であると強調している。結果は、流動が離散的な割れ目ネットワーク（DFN）に限定されていると仮定するモデルでは、この地層に対して不十分である可能性を示唆している。むしろ、高いマトリックス透水係数と高い流動次元から導出された有効パラメータを利用した、二重浸透モデルまたは連続体アプローチがより適切である。

本研究は、割れ目と岩石マトリックスの両方が流動に寄与するものの、溶質輸送に対するそれぞれの具体的な役割については今後決定されるべき事項であると結論づけている。著者らは、溶質輸送に対する割れ目とマトリックスの個別の寄与をさらに解明するために、今後のトレーサー試験および詳細なコアサンプリングを計画していると述べているが、今回の水理試験は流動におけるマトリックスの役割を裏付けるものである。