文献：Groundwater pH buffering in carbonate aquifers exposed to high-calcium ash backfill

Groundwater pH buffering in carbonate aquifers exposed to high-calcium ash backfill - ScienceDirect

AI要約

1. 背景

廃止された浅い鉱山跡は、地盤沈下を引き起こし、インフラや公共の安全を脅かす重大なリスクとなります。この対策として、石炭や油母頁岩（オイルシェール）の燃焼副産物である高カルシウム灰（ CaO 含有率20%以上の灰）をバックフィルとして地下空洞に注入し、地盤を安定化させる手法が取られています。高カルシウム灰は自己硬化性を持つため、ポルトランドセメントの使用量を抑え、コストと二酸化炭素排出量を削減できる利点があります。
しかし、室内試験ではこれらの灰がpH 12.5 を超える強アルカリ性の浸出水を発生させることが確認されており、地下水環境への悪影響が懸念されてきました。
一方で、世界の陸地の約15%を占める炭酸塩岩は、重炭酸塩（HCO₃⁻）と二酸化炭素（CO₂）の系による強い天然の緩衝能力を持っています。本研究は、実際の炭酸塩帯水層において、この緩衝能力が強アルカリ性のバックフィル浸出水をどの程度抑制できるかを検証することを目的としています。

2. 手法（詳細）

本研究では、室内試験、地球化学モデリング、および2年間にわたる長期的な現場実証実験を組み合わせた統合的なアプローチが採用されました。

• 現場実験の設計: エストニア北東部の、上部被覆層が10m未満と薄い廃止されたオイルシェール鉱山が選定されました。
• バックフィル注入: 遊離石灰（ CaO ）を約 30wt% 含むオイルシェール飛灰を使用しました。これを水灰比 0.65〜0.70 で混合してスラリー化し、計74m3を地下の坑道に注入しました。これにより、10mのテスト区間に平均厚さ約1.6mのバックフィル体が形成されました。
• モニタリング体制: 注入地点から約10mの距離に、上流側（バックグラウンド用：DH1, DH2）と下流側（影響評価用：DH3, DH4）の計4つの観測井を設置しました。
• 連続測定: pH、水温、水位を自動センサーにより連続的に記録しました。
• 定期的サンプリング: 定期的に地下水を採取し、主要イオンや重金属（As, Ba, Cd, Cr, Pb, Se）の濃度を分析しました。
• 地球化学モデリング: ソフトウェア「The Geochemist's Workbench」を用い、バックフィルから発生したアルカリ性孔隙水が帯水層へ移動する際の化学反応を1D反応輸送計算でシミュレートしました。
• モデルの設定: 浅い帯水層であることを考慮し、大気中のCO₂と平衡状態にある「開放系」を仮定しました。地下水の移動速度は10 m/日、初期孔隙率は10%に設定されています。
• 室内浸出試験: 規格（EN 12457-3）に基づき、「新鮮な灰」と「28日間養生して硬化したバックフィル」の両方に対して試験が行われました。なお、硬化した材料は試験前に4mm未満の粒子サイズに粉砕されました。規格（DIN EN 12457-3）によれば、高固形分かつ特定の粒子サイズ以下の材料を対象とした、固液比 2 L/kg および 8 L/kg の2段階バッチ試験です。
• 得られた成分溶出挙動をモデリングの境界条件として使用しました。

3. 結果

• pHの変化: 室内試験ではpH 12.0〜12.7 の強アルカリ性が確認されましたが、現場の観測井（10m地点）では有意なpHの上昇は見られませんでした。モデリングの結果とも一致し、アルカリ度はバックフィル近傍で急速に減衰することが示されました。
• 主要イオンの挙動: 最も顕著な変化は硫酸塩（SO₄²⁻）濃度の増加でした。一方で、カルシウム（Ca²⁺）や重炭酸塩（HCO₃⁻）は、後述する方解石の沈殿に伴い減少する傾向がモデルで予測されました。
• 孔隙率の減少: モデリングにより、アルカリ性浸出水と地下水の反応で方解石（Calcite）が沈殿し、孔隙率が30日間で10%から約7.5%へと低下することが予測されました。
• 重金属: 重金属類の系統的な濃度上昇は確認されませんでした。これはバックフィル注入によるpH上昇が限定的であったことも要因の一つと考えられます。

4. 考察

本研究により、炭酸塩帯水層には高カルシウム灰由来の強アルカリを効果的に中和する能力があることが実証されました。

• 緩衝メカニズム: 地下水に溶解しているCO₂から生成される炭酸が、浸出水の水酸化物イオン（OH⁻）を消費し、方解石として沈殿させることでpHを背景値付近まで低下させます。このプロセスは、大気とのガス交換が容易な浅い帯水層で特に有効です。
• 水理的障壁の形成: 方解石の沈殿による孔隙率の低下は、バックフィル周辺の透水性を下げ、浸出水の拡散を抑制する「水理的障壁」として機能する可能性があります。
• 真の環境懸念: 炭酸塩帯水層において、高カルシウム灰の使用による主要な課題はpHの上昇ではなく、硫酸塩（SO₄²⁻）の増加であることが明らかになりました。飲用水源として利用される地域では、pHよりも硫酸塩に焦点を当てたモニタリングと対策が不可欠です。

20年くらい前でしょうか、同じような室内実験結果をシミュレーションの境界条件にしたことを思い出しました。国内ですので指針もなく、理屈が誤っていないことだけが拠り所だったのですが、この論文を見て安心しました。このような規格を知っていたら、もう少し説明性も上がったのかもしれません。