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2024年5月22日
地震后地下岩盘龟裂的快速封顶成功！ (世界首创)
~可以应用化石的结构，也可以在地下储存放射性废弃物和CO2
【本研究要点】
根据以球状混凝土注1 )为基础开发的混凝土化剂，在幌延深地层研究中心地下研究所(地下350m )进行了地下基岩龟裂封堵实证试验。
经过约2年的实证试验，确认了基岩龟裂的地下水透水性降低到1/100~1/1000，另外由于期间发生的直下型地震而暂时降低的密封性能也能迅速且持续地通过再密封恢复(世界首次)。
开发的混凝土化剂是应用石化的机理，通过放射性废弃物的地下处理和二氧化碳的地下积存等，可以进行以往的水泥类材料认为无法实现的数百年以上的岩盘龟裂密封。
【研究概要】
名古屋大学博物馆的吉田英一教授、山本钢志特任教授、研究生院环境学研究科的浅原良浩副教授、东京大学工学研究科的丸山一平教授(名古屋大学博物馆兼任)、岐阜大学教育系的胜田长贵教授和日本原子能研究开发机构( JAEA )、 积水化学工业(株)及中部电力(株)原子能安全技术研究所的研究小组，应用球状混凝土的形成过程开发的混凝土化剂，进行了地下350m环境下的基岩龟裂密封实证试验，包括5.4级直下型地震在内的11次地震造成的密封 在世界范围内，这次也是首次报告迅速且持续地密封地震后岩盘龟裂的效果。
这种方法不仅适用于需要数千年以上长期地下隔离的放射性废弃物的地下隔离处置，而且适用于利用二氧化碳的地下储存、石油的废孔密封、公路、铁路、隧道周边、岩盘、矿山挖掘带来的地下水抑制等地球规模上面临的能源和环境问题， 可以应用于各种基础设施的长期维护等需求，期待今后向以免维护为目标的广泛技术发展。
本研究成果刊登在2024年5月22日18点(日本时间)的英国科学杂志Springer Nature公司的《Communications Engineering》上。 【研究背景和内容】
现在，作为面临的能源确保及地球环境问题的对策，放射性废弃物的地下隔离处理和作为变暖对策的二氧化碳的地下积存等，今后需要进行数百年~数千年以上的隔离。 另外，为了抑制从开采石油的钻井废孔中释放出促进变暖的甲烷气体，其永久密封也是一个课题。 为了将这些核废料和二氧化碳半永久地处置隔离在地下，必须切实堵塞(密封)运入废弃物的竖井和注入二氧化碳的镗孔。 但是，以现在的水泥原材料为基础的密封剂，被认为不会持续几百年以上，国内外都在寻求开发具有更长时间效果和耐久性的密封剂。
在此背景下，着眼于内含保存良好的化石，在自然环境中，经过数万年数十万年以上的实际风化等的球状混凝土( CaCO3 ) (图1、2 )，明确了其形成速度非常快。图1 (左)约1500万年前的鲸鱼混凝土群。 已确认100个以上，最大的直径超过5米。 内部包裹着鲸鱼化石，大小和数量都是世界上最大的规模。图2 (右)约1600万年前的岩蟹混凝土。 剪刀、脚等部位全部保留，表明螃蟹死后，在被清道夫捕食之前的几周内发生了联谊。
应用其机理，与积水化学工业(株)共同开发了皂化剂。 缓蚀剂有液状型和微胶囊(粒子)型两种(图3、4 )，可以根据对象的龟裂和密封范围等区分使用。图3 (左)液体型防霉剂图4 (右)微胶囊(粒子)型防霉剂
为了确认这次开发的清除剂对岩石·岩盘的龟裂和间隙的密封功能，在地下350m的地下研究所进行了实证试验。 其结果是，由于清除剂的作用，透水性降低到1/100〜1/1000 (图5 )，另外，实验期间发生的以5.4级直下型地震为首的共计11次地震(图6 )中产生的龟裂密封效果的下降也可以迅速被重新密封并恢复。这种包括地震后的再密封在内的具有速效性的持续性岩盘龟裂的密封，是至今为止没有报告过的现象，具有以往的水泥材料所不能得到的效果。 在放射性废弃物的地下处置和二氧化碳的地下积存等需要几百年以上的地下隔离的资源、能源、环境问题中，这种现象可以说是弥补了传统水泥原材料的长期耐久性无法解决的弱点的效果。 具有这样效果的防霉剂(密封剂)，今后也可以活用于隧道和地基改良等各种领域。图5地下350m处约2年的混凝土化裂缝密封实验结果。 地震前后的封顶效果一度下降，但之后会迅速重新封顶。图6 2022年8月在北海道幌延地下研究所地区地下数公里处发生的直下型地震的测量事例。 震级最大为5.4级。
【成果的意义】
以名古屋大学为中心的研究小组，阐明了在自然基岩(地层)中形成的以碳酸钙( CaCO3:方解石注2 )为主要成分的球状混凝土的详细形成机理，与积水化学工业(株)共同，开发了应用该工艺的长期止水技术“混凝土” 使用该材料，在实际的地下岩盘隧道(矿井周边岩盘的挖掘损伤区域注3 )中，以涌出地下水的龟裂空隙为对象进行了密封效果的实证试验，确认了止水效果。 这次的意义不仅如此，即使因地震的影响导致密封效果暂时下降，也能迅速重新密封，确认了在实际的地下环境中可以长期抑制地下水的透水性。 没有应用这样的“石化工艺”，在实际的地下环境中进行地震引起的龟裂密封的事例，也没有其他类似的技术。
开发的技术有液体类型和微胶囊(粒子)类型两种，液体类型可以直接注入基岩龟裂，微胶囊(粒子)类型也可以和传统的水泥牛奶并用注入基岩内部的微小龟裂。 相对于以往的只使用水泥的物理密封剂的压入法，这些净化剂是基于元素扩散沉淀的密封法，也可以密封到微米以下的极微细的基岩空隙。 特别是由于元素浓度扩散造成的孔隙密封，不需要考虑地下岩层中高压间隙水压的影响，也与传统的高压注入对岩层的物理破坏无关，可以克服这些问题。
而且，即使在用“净化剂”形成碳酸钙结晶(矿物)后，由于与地下水中来自自然的碳酸氢根离子和钙离子的反应，结晶也会持续成长，长期(理论上是半永久的)维持密封效果。 这样的密闭化密封方法，除了放射性废弃物的地下隔离处置、二氧化碳的地下储存、石油的废孔密封之外，除了隧道周边岩盘的地下水抑制等活用地下环境的各种技术之外，还应用于地上附近的各种基础设施的龟裂修补(抑制与地下水的反应)
本研究在与日本原子能研究开发机构、积水化学工业(株)、中部电力(株)的共同研究下，得到了积水化学工业的“积水化学自然学习产品制造资助研究计划”的资助，另外，中部电力是从2021年度开始的“原子能安全技术研究所特定主题公开招募研究”中的共同研究和 同时，这是从科研费18h 03893，23h 00280以及2021年度开始的经济产业省资源能源厅委托事业“高水平放射性废弃物等地层处理相关技术开发事业( JPJ007597 ) (地层处理设施关闭技术确证试验)”的一部分内容。
【用语】
注1 )球形混凝土:
指以碳酸钙为主要成分，内含保存良好的化石的球状岩块。 在海底堆积的地层中形成，明确了米尺寸也有几年左右(参照图2、3 )。
注2 )方解石:
以碳酸钙( CaCO3 )为成分的矿物。 与贝壶和石灰岩等主要成分相同。 钙离子和碳酸氢根离子过饱和后会迅速沉淀在地下水中，生成晶体。 是地球上也普遍存在的离子，也作为矿物普遍存在于岩石中。
注3 )挖掘损伤区域:
基岩因挖掘而物理性损伤的区域，形成于基岩中的隧道等空洞的周围。 在该区域，因损伤而产生的新裂缝成为地下水的优先渠道，也成为复盖隧道表面的水泥加速劣化的原因。
【论文信息】
杂志名称: Communications Engineering (2024 )
论文标题: post-earthquake rapid re sealing of bedrock flow-paths by'concret ion-forming resin’
作者: H.Yoshida*，K.Yamamoto*，Y.Asahara*，I.Maruyama，K.Karukaya，A.Saito，H.Matsui，A.Mochizuki，m
Hidekazu Yoshida (吉田英一)、Koshi Yamamoto (山本钢志)、Yoshihiro Asahara (浅原良浩)
DOI: 10.1038/s44172-024-00216-1
URL:https://www./articles/s 44172-024-00216-1
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