Hydrogeochemical evolution

Hydrochemical evolution of groundwater in a semi-arid environment verified through natural tracer and geochemical modelling, northwest Australia - ScienceDirect

AI要約

背景
オーストラリア北西部の半乾燥地域に位置するハマーズリー盆地では、採掘作業のために大量の地下水の再配置が必要とされるため、水収支成分の理解が水の管理と保全に不可欠である。地下水の化学組成と進化は、再チャージプロセス、地下水滞留時間、地下の鉱物学によって主に制御されるが、乾燥から半乾燥地域では、降雨量に対する高い蒸発率がこれらのプロセスと複雑に絡み合う。特に、垂直流が浅い地下水流動を支配する小規模で局所的な帯水層における水理化学的進化に関する研究がこれまで不足している。本研究は溶存イオンや水分子の安定同位体などの天然トレーサーを用いて、局所規模の沖積平野帯水層の水文地質モデルを開発することを主要な目的とした。

手法
本研究では、同位体分析と水理化学的手法を組み合わせたアプローチが採用された。具体的には、溶存イオン、水分子の安定同位体（δ2Hおよびδ18O）、塩化物（Cl）、臭化物（Br）、硫黄同位体（δ34S）といった天然トレーサーが使用された。主要および微量イオン濃度とこれらのトレーサーを組み合わせることで、鉱物溶解反応を特定する方針とした。
フォワード地球化学的モデリングには、PHREEQCソフトウェアを用いた。降雨データは、SILOデータベースおよび近隣の2つの気象観測所から取得した。
地下水再チャージ率は、塩化物マスバランス法（R = (Cp / Cr) * P）によって計算した。この手法では、サイクロン水には蒸発係数fRo = 0.995、低降雨イベントにはfRo = 0.96が適用され、様々な降水イベントからの水の混合がシミュレートされた。

結果
観測された塩化物濃度と安定同位体データは、高降雨サイクロンイベントからの再チャージが、高度に蒸発した低降雨イベントからの再チャージと約60:1の比率で混合していることを示した。
地下水は、高いアルカリ度と溶存酸素を特徴とする独特の水理化学的シグネチャを有していた。総溶存固形分（TDS）は淡水から汽水の範囲であるが、ほとんどの地下水はTDSが1000 mg/L未満であった。δ2Hとδ18O濃度は、広範囲のCl濃度にもかかわらず、狭い範囲で変動する傾向が見られた。
主要イオン分布の水理化学的経路モデリングは、地下水が不飽和帯での再チャージ前に降雨の蒸発濃縮によって進化したことを示し、その後、溶存CO2が増加し、炭酸塩鉱物が沈殿したことが確認された。臭化物と塩化物のプロットは、R2=0.93で海水希釈ライン上に濃度が集中し、両イオンが海洋起源（降雨由来）であることを示唆した。しかし、ほとんどの主要イオンは海水希釈ラインよりも高い濃度を示し、水-岩石相互作用が蒸発濃縮以外の主要イオン濃度の増加に寄与していることを示した。
δ34SSO4とSO4/Cl比の負の相関は、比較的枯渇したδ34SSO4値を持つ硫化物が地下水に追加されたことを示唆している。

PHREEQC
1. 化学種の進化 (Fig. 10a)
シミュレーションの各シナリオを通じて、Cl、SO4、pH、方解石飽和指数（SIcalcite）、CO2(gas)のlog10分圧、および方解石沈殿物量の変化が示されている。

• 初期段階（シナリオI、II）: 蒸発濃縮が進行すると、水はアルカリ性のpHを獲得し、方解石が飽和し沈殿。炭酸塩鉱物（方解石、ドロマイト、マグネサイト、セピオライトなど）は、常に最初に沈殿する相であり、地下水進化の重要な分岐点となる。
• 土壌CO2との平衡化（シナリオIII）: 土壌CO2との平衡化により、pHは8.3に低下し、pHと固定されたCO2分圧に応じてアルカリ度とCa濃度が高く調整される。
• イオン交換（シナリオIV）: イオン交換により、主要な陽イオン濃度がさらに変化。観測された中央値地下水濃度と比較して、Naとアルカリ度は5%以内、MgとCa濃度は10%以内で再現。
• 最終段階（シナリオV）: ケイ酸塩と少量のSO4の溶解を考慮することで、シミュレートされた水質（Cl、pH、Ca、アルカリ度、Mg、SO4）は、現場の観測された中央値組成（Fig. 10b）を非常に密接に模倣できた。最終的な水のpHは8.13となり、観測された中央値pH8.2に非常に近い値を示した。

2. 水質進化のメカニズムに関する洞察

• 蒸発濃縮: 涵養前の不飽和帯における降雨の蒸発濃縮が初期の地下水化学的進化に重要な役割を果たす。
• CO2の取り込みと炭酸塩沈殿: 有機物の分解による初期の溶解CO2の増加に続き、帯水層内のCO2分圧が大気レベルより10倍高い（pCO2~2.5）ことは、アルミノケイ酸塩の風化によるさらなるアルカリ度の追加を示唆しており、炭酸塩鉱物の沈殿に繋がる。
• 水-岩石相互作用: 蒸発濃縮された涵養水は、比較的短時間で水-岩石相互作用によって化学組成が変化する。これには、炭酸塩鉱物の平衡化、ケイ酸塩鉱物の加水分解、イオン交換反応が含まれる。
• 飽和状態: 帯水層の地下水は、アラゴナイト、方解石、ドロマイト、マグネサイト、セピオライトなどの炭酸塩鉱物に対して飽和または過飽和に達したが、石膏や黄鉄鉱に対しては不飽和である。

3. 水文地質学的概念モデルへの貢献

• 分析的な水化学モデルと数値モデルは、蒸発した涵養水が水-岩石相互作用によって変化するという概念モデルを支持している。この相互作用は比較的短い時間間隔で発生し、水化学は確立される。
• 主要イオン化学の深度プロファイルは、涵養水が短期間かつ浅い深度で明確な地下水化学を獲得することを示しており、水化学は深度に対して著しく均質であることも示されている。これは、浅層地下水流レジームにおいて垂直流が支配的であり、それが浅層地下水化学の進化に影響を与えているという氾濫原帯水層の水文地質学的概念モデルを支持。

考察
高度に蒸発した低降雨イベント水は、高降雨イベントからの降水と混ざり、下層の帯水層を再チャージするまで土壌プロファイルに留まるというメカニズムが示された。
硫化物の供給源については、高ヒ素黄鉄鉱濃度を特徴とする基盤岩からの黄鉄鉱の酸化である可能性が高い。
帯水層マトリックス中の高い炭素濃度、特に地下水面付近の濃度は、掘削中に観察された炭酸塩沈殿物（2m～4m厚）と関連付けられる。炭酸塩鉱物の沈殿は、地下水進化経路において重要な分岐点となる。炭酸塩沈殿と溶解には、再チャージ水と浅い地下水の蒸発濃縮、土壌中のCO2吸収、異なるPCO2レベルを持つ水の混合、CO2の脱ガスといった複数のプロセスが関与している。

この資料からはPHREEQCが1次元輸送かバッチのどちらを採用したか特定することはできません。が、記述されているモデルの性質はバッチ計算（またはそれに近い逐次的な平衡計算）で実施されたのでしょう。