In-situ stress characteristics of the Tamusu argillaceous rock candidate area for China’s HLW disposal

地球の表面深くでは、地面は単なる静止した岩石の堆積物ではありません。それは、計り知れない目に見えない圧力の下にある物質です。この圧力は「現場応力（in-situ stress）」として知られ、主に2つの源泉から生じています。一つは、上の岩層の重さが押し下げる剪断力であり、もう一つは、惑星のテクトニクプレートが横から押し寄せる、ゆっくりとした強力な力です。高レベル放射性廃棄物を貯蔵しようとする科学者にとって、この応力を理解することは安全性の問題です。もし岩石に過度なストレスがかかっていれば、数千年の間に亀裂が入ったり移動したりして、危険な物質を漏出させる可能性があります。安全な地下貯蔵庫を建設するために、エンジニアは岩石がどの程度の強さで、どの方向に押しつぶされているのかを正確に知る必要があります。

中国北部のタムス地方にある広大で平坦な砂漠において、研究者たちはそのような貯蔵庫の潜在的な拠点となる場所を特定しました。このサイトは、粘土に富んだ石である「泥質岩（argillaceous rock）」で構成されており、これは自然に自己封鎖能力を持ち、流体を遮断することに長けています。この研究の前段階では、科学者たちは岩石の化学組成や水に対する挙動については概ね把握していましたが、リポジトリ（貯蔵施設）として必要とされる深さ、すなわち地下300メートルから700メートルの間で、岩石に作用する物理的な力の明確なイメージを持っていませんでした。応力場を知ることなしには、安全なトンネルシステムを設計したり、数世紀にわたって岩石がどのように振る舞うかを予測したりすることは不可能です。

このパズルを解くために、地質学者のチームは砂漠の地面に「TZK-1」および「TZK-2」と名付けられた2つの深い穴を掘りました。彼らはただ穴を掘ったのではありません。「水圧破砕法（hydraulic fracturing）」と呼ばれる繊細な実験を行ったのです。長い、密閉されたボーリング孔のセクションを想像してください。それは周囲の岩石から隔離されています。研究者たちは、この密閉されたセクションに高い圧力で水を送り込み、すでに凄まじい自然のストレス下にある岩壁が、ついに屈して亀裂が生じるまで行いました。岩を破壊するのにどれだけの圧力が必要だったか、そしてその亀裂を維持するため、あるいは再び閉じるためにどれほどの圧力が必要だったかを測定することで、チームはあらゆる方向から岩石を押しつぶしている力の強さを算出することができました。彼らはこのプロセスを様々な深さで繰り返し、深さ800メートルにまで達し、新しい亀裂がどの方向に開いたのかを確認するために特殊なツールを用いて「印象（インプレッション）」を取りました。

結果は、ダイナミックで複雑な応力環境を明らかにしました。上層部、約400メートルまでは、岩石は横方向から最も強く押しつぶされており、水平方向の力が地上の垂直方向の重力を上回っていました。しかし、研究者がより深くへと進むにつれ、そのバランスは変化し始めました。水平方向の圧力は依然として非常に高いままでしたが、上層の岩石による垂直方向の圧力も追いつき始めました。テストされた最も深い地点では、岩石はあらゆる方向からほぼ均等に押しつぶされており、これは一般的に安定性に有利な状態です。チームは、最も強い水平方向の力が北東から南西に向かって岩石を押し付けていることを見出しましたが、この方向はアジア大陸を横断する巨大なテクトニクス力と完璧に一致しています。

この広範なテクトニクス・マップとの一致は、測定値が正確であるという確信を研究者に与えます。データは、タムス地方が比較的安定しており、岩石が上下に衝突するのではなく、互いに水平に滑り合う「横ずれ断層運動（strike-slip）」と呼ばれるタイプの地質学的断層運動を支える応力構造を持っていることを示唆しています。これは将来の廃棄物リポジトリの安全性にとって極めて重要な発見です。なぜなら、岩石が突然の激しい垂直方向の変動を起こす可能性が低いことを意味しているからです。この研究は、このサイトの岩石が非常に高品質であり、自然な亀裂が極めて少ないことを裏付けており、応力レベルは安全な地下掘削を可能にするほど適度であることを示しています。

結局のところ、この研究は、中国の最も有望な核廃棄物処分候補地の一つにおいて、作用している目に見えない力の最初の具体的な地図を提供しました。地下深くで水圧に対する岩石の反応を測定することで、チームはプロジェクトを理論的なスクリーニングからエンジニアリングの現実へと進展させました。彼らは、タムスの泥質岩が深部の地球の巨大な圧力に耐えうることを証明し、高レベル放射性廃棄物の長期的な安全性のための強固な基礎を提示しました。これらの知見は、将来のエンジニアにとって不可欠なガイドとなり、リポジトリの設計が地球の自然な力と戦うのではなく、その力と調和するようにすることを保証するものです。