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  地圏科学領域 研究設備 各研究設備の概要
X線分析装置
X線回折装置(XRD)
蛍光X線装置(XRF)
電子線マイクロアナライザー(EPMA)
目的:   ダムや発電所などの土木構造物を建設するためには、事前に、建設計画地点の地質(岩盤)が構造物の立地に適しているかを調査することが必要となります。 X線分析装置は、電力施設建設地点やその周辺に分布する地質の岩石学的な調査に利用し、例えば、断層破砕帯や熱水変質帯の分布やその岩盤性状の調査に適用できます。また、高・低レベル放射性廃棄物の地層処分を想定した、地質環境の長期安定性評価のための研究開発にも利用されています。
概要:   エックス線分析装置は、岩石に含まれる鉱物の種類や化学組成を、エックス線を利用して明らかにするための装置です。
  X線回折装置(XRD:X-ray Diffraction)は、鉱物の種類と含有量を明らかにすることができる装置です。測定原理は非常に簡単で、粉末状の鉱物試料にエックス線を照射し、回折されたエックス線の回折角の組み合わせから鉱物の種類を、エックス線の強度から含有量を明らかにするものです。 さらに、室温〜400℃以下・乾燥と60℃以下・相対湿度0〜90%の範囲での結晶構造変化を明らかにすることも可能です。
  蛍光X線装置(XRF:X-ray Fluorescence)は、試料にエックス線を照射することにより発生する蛍光X線を捉えることにより、試料に含まれている元素の種類や濃度を調べることができる装置です。 エックス線を励起源とすることから、大気中での分析が可能であり、岩石のような固体試料だけではなく地下水に含まれる元素とその含有量を測定することも可能です。また、非破壊で分析できることも本装置の利点です。径が25cm程度の領域の化学分析を得意としています。
  電子線マイクロアナライザー(EPMA:Electron Probe Micro Analyzer)は、試料の表面に針のように細い電子線(電子プローブ)を照射し、そこから発生する特性エックス線(蛍光エックス線)を捉えることで、微小な鉱物に含まれる元素の含有量や、岩石・鉱物中の元素分布の可視化が行える機能を有しています。 また、電子線の照射に伴い試料から発生する二次電子を捉えることで、電子顕微鏡としても利用が可能です。3〜10μm程度の微小領域の化学分析と観察を得意とする装置です。

カリウム−アルゴン年代測定装置
目的:   数万年〜数十万年に一度起こる大規模噴火のような低頻度現象である大規模噴火の評価技術を開発することは、長期間にわたって安定した地盤に建設することが求められる構造物の安全性評価に必要不可欠です。 当所では、数万年〜数百万年前の溶岩の噴出・貫入年代を求めることにより、火山の形成史を解明し、火山活動の長期的変化を多角的に記載し、検討するために本装置を導入しました。
概要:   カリウム−アルゴン(K-Ar)法とは、火山岩に含まれるカリウム(40K)が放射壊変し、アルゴン(40Ar)が増加することを利用した年代測定手法です。本装置は、精製部(写真手前側)と質量分析計(写真後方)が一体となっています。 年代測定実験では、火山岩試料を融解し、放出された気体から希ガス以外の気体を段階的に除去し、アルゴンを集めます。これを質量分析計に導入し、アルゴンの各同位体を測定します。装置内は超高真空を維持します。
手法の特徴:   当所では、感度法、すなわち、極微量のアルゴン同位体(36Ar・38Ar・40Ar)を正確に定量し、マグマ固結時のアルゴン同位体比を推定することにより、手法の適用限界に近い、数万年前の試料を対象に年代測定を行っています。

フィッション・トラック年代測定システム
内容・特徴:   原子力発電所や高レベル廃棄物処分場の立地・耐震設計などにおける断層活動性評価において、堆積物中に含まれる第四紀の広域火山灰の年代を測定することによる活動性の評価をするため、本装置を導入しました。 本装置では、断層活動性評価のほかに、高温岩体発電(地熱発電の一形式)技術の開発において、花崗岩の熱履歴の評価に適用した実績があります。
概要:   フィッション・トラック年代測定法とは、238Uの自発核分裂による飛跡(トラック)と、原子炉で照射して得られる235Uの誘導核分裂によるトラックのそれぞれをエッチング処理した後、光学顕微鏡でそれぞれのトラック密度を求める年代測定法です。 測定できる年代の範囲は、測定する鉱物により異なりますが、概ね数千万年〜数十万年前の年代を求めることができます。

堆積物年代測定装置(OSL/TL測定装置)
目的:   原子力発電所や高レベル廃棄物処分場の立地・耐震設計などにおける断層活動性評価において、断層の変位基準面として使われる段丘の形成年代を調査できる技術としての基礎研究と実用化研究を実施することが目的です。
概要:   本装置は、地層中に含まれる鉱物(石英)に記録された自然放射線損傷を光励起蛍光現象(OSL)ならびに熱蛍光現象(TL)を利用して検出するものです。長期間にわたり被曝しているものほど損傷量が多いことに着目し、年代測定を実施するための1ユニットです。 この手法による測定範囲は 1000〜1000000年とされます。 太陽光にさらされると消えてしまう損傷を使い、鉱物粒子が堆積した時点から経過した年代を求めます。
主な仕様: ・可視光励起(optically stimulated luminescence, OSL)、赤外線励起(infrared stimulated luminescence, IRSL)、熱励起(thermoluminescence, TL)によるルミネッセンスを検出することが可能
・OSL, IRSL計測時の温度・光強度は可変
・OSL, IRSL計測時の使用フィルターは、Schott GG420、HOYA U340
・TLは青色短波長領域のみ計測可能
・仕様上β線源(Sr90/Y90)を設置できるが、放射線管理区域外のため未設置

年代熱履歴測定装置(ESR測定装置)
目的:   原子力発電所や高レベル廃棄物処分場の立地・耐震設計などにおける断層活動性評価において、断層内物質から活動性を評価する技術としての実用化を目指して基礎研究を積み重ねています。
概要:   本装置は、断層内物質中に含まれる鉱物(石英)に記録された自然放射線損傷を電子スピン共鳴現象(ESR)を利用して検出するものです。損傷量が多いものほど長期間にわたって被曝していることに着目し、年代測定を実施するための1ユニットです。この手法の測定範囲は10000〜1000000 年です。 断層運動時の断層すべり面近傍の破壊作用や摩擦熱により消滅または生成される損傷の量を測定することにより、最新の断層運動から経過した年代を求めます。
主な仕様: ・Xバンド測定用
・液体窒素冷却化での測定が可能(温度可変装置は無い)
・磁場測定装置による補正可
・オートチューニング/マニュアルチューニングが可能
・ワークステーションによる各種解析可

ヘリカルX線CTスキャナー

(ベッド上は横ずれ断層模型実験装置)
目的:   原子力発電所や高レベル廃棄物処分場の合理的かつ安全な立地・建設などを目的として実施される断層模型実験・浸透試験・ガス透気試験などにおいては、物質内部の破壊現象や流体挙動に伴う物質の変化を、非破壊で4次元的に(3次元構造の時間的な変化を)精度よくとらえることが不可欠です。 本装置は、試験体内部の構造を高精度な3次元画像として表示するとともに、3次元画像の時間的な変化をとらえることができます。
概要:   本装置により、岩石、コンクリート内部などの幅0.35mm程度のクラックを非破壊で観察できます。当研究所では、現在、当装置を用いて以下の実験・解析を行っています。
  (1)断層模型実験・浸透試験・ガス透気試験における、砂地盤・岩盤・ベントナイト・コンクリートなど試験体内部の破壊現象や流体挙動の解明
  (2)岩石・コンクリート・アスファルトなどの内部の構造・割れ目・空隙等の3次元形状の把握
主な仕様: (1)空間分解能:0.35mm
(2)撮影スライス厚0.5mmで、同時に64断面のデータ収集
(3)ガントリー開口径:72cm,最大撮影領域径:50cm
(4)最短スキャン時間:0.35秒
(5)撮影テーブル:幅47cm,長さ210cm(最大撮影範囲は螺旋状スキャン時に170cm),最大荷重200kg
(6)各点の座標に対応したCT値の取り出しが可能
(7)3次元画像処理装置

飽和地盤光ファイバ式水みち探査装置

温度測定の概念図

温度測定結果例
OGC3井に光ファイバを挿入
→約6時間地表水による冷却
→OGC2井より毎分約770リットルで注水

図中の矢印A〜Eが導通個所である可能性

坑井(ボーリング孔)の配置
概要:
  岩盤内における地下水の流動経路は、多数存在する割れ目の中の一部の割れ目や、透水性の高い地層など、ごく一部の限られた場所(水みち)です。これらを透水試験等で見出すためには多大な時間と費用を要することから、水みちを合理的に検出する方法が必要になります。 本装置を用いて、地熱地帯における水みちとなる割れ目の検出、放射性廃棄物処分における核種移行経路評価のための堆積岩中の水みち探査などに適用することができます。
概要:   ボーリング孔内に光ファイバケーブルを挿入し、地上におかれた装置からケーブル内部の光ファイバ線に光パルス信号を送ります。すると、ケーブル内で散乱し、装置に戻る反射光の性質から、ケーブルの一定距離(=ボーリング深度)ごとの温度分布を測定することができます。 本装置では、最大4kmにわたり、0.5mごとの距離における0.2℃程度の精度の温度分布を測定できます。この装置を使って、ボーリング孔内の温度分布に一時的な変化を与え、元の状態に回復するまでの過程をモニタリングすることにより、地下の水みちを検出することが可能となります。
(電中研内装置名称:飽和地盤光ファイバ式水みち探査装置)

フローメーター検層装置
目的:   地下水の流動経路は岩盤内の割れ目などに規制されます。しかし、実際には岩盤内に多数の割れ目のうち「水みち」として機能しているのはごく一部であることから、これを透水試験等でマッピングしていくことは、多大な時間と労力を必要とします。従って、フローメーター検層によって「水みち」となる割れ目を合理的に検出するために設置しました。
概要:   本装置は、地下水がボーリング孔内へ流入する際に生じる微弱な流速変化を捉えて、水みちを検出することができます。流速の測定には超音波や電磁気を用いることにより、従来のプロペラ型フローメーターに比べ1/10〜1/20の微流速の測定を可能としています。 また、装置下部に装着されたTVカメラを通し、流速変化をもたらした水みちを割れ目として確認することが可能です。割れ目系岩盤における水みち分布を的確に把握することにより、ダムの止水施工範囲の合理的評価、圧縮空気貯蔵における漏気経路評価、放射性廃棄物処分における核種移行経路評価などに資することができます。
主な仕様: ・適用深度:0m〜500m
・適用孔径:φ66mm〜120mm
・流速測定可能範囲:0.4mm/sec-3300mm/sec
・ポンプ揚水能力:36L/min(70m揚程時10L/min)
・付属ボアホールTV:側方展開型BIPS(360゚展開画像)

自律型水環境モニタリングロボット
目的:   人間活動の影響を受ける沿岸、湖沼、河川など流況や水質などの物理・化学特性の計測は、水環境、水資源問題のみならず沿岸でのCO2地中貯留および高レベ ル放射性廃棄物処分までの様々な分野で需要が拡大してきています。これらの計測では広範囲で3次元情報の取得が要求されつつあり、時間、労力、費用が増大傾向にあります。 本装置は、沿岸海域や湖沼、河口ならびにダム湛水池を対象に、流速・流向、水質、地形の3次元分布を、自律航行により効率よく精緻に把握することを目的としています。
概要:   本装置は、以下の用途に用いられています。
  (1)沿岸、湖沼、ダム湖、河口などにおける濁水、水質、プランクトン等の環境調査および流速・流向調査
  (2)CO2地中貯留および高レベル放射性廃棄物処分に関わる沿岸海底のガス、地下水湧出マッピングと水質測定
  (3)原子力発電所の前面海域における詳細な海底地形調査
主な仕様: ・重量(空中):37 kg
・耐圧:100 m
・航続時間:1.5m/s(3ノット)で22時間2.5m/s(5ノット)で8時間
・ナビゲーション:Long Base Line、Ultra short base line、DVL推測航法 (GPS)
・搭載センサ:地形学;サイドスキャンソナー。地球化学;pHセンサ、ORPセンサ、溶存酸素センサ、pCO2センサ、OBSセンサ。土木工学;ADCP、CTDセンサ。生物;クロロフィルセンサ。

カラーボアホールテレビジョン装置
目的:   水力構造物の建設時の基礎岩盤の調査や、グラウチング時の改良効果の確認、古いダムやトンネルなどの保守・管理における地盤やコンクリートの状態などの調査に、ボーリング孔を利用して直接的に対象物を観察して健全性や安全性を評価することを目的として導入された装置です。
概要:   本装置は,ボーリング孔にテレビカメラを挿入し、地下500mまでの孔壁の状況を詳細に観察することができます。孔壁を360度連続して撮影し、孔壁の展開画像を作成するスキャナーシステムと、普通のビデオカメラのように孔壁の一部を詳細に撮影するテレビカメラシステムの2種類のプローブを使用し、パソコンを利用した画像解析により割れ目の方向性や性状をなどを計測することができます。

岩石抽水装置
目的:   本装置は、放射性廃棄物処分事業や電力施設等の重要構造物の立地に関して、これら構造物を支える岩盤中の地下水の挙動を評価することを目的としています。低透水性である岩石から低コストで地下水を得ることができ、抽出した間隙水は地下水の水質や地下水年代を把握する等の調査・研究に活用されています。
概要:   本装置は、岩石を最高500MPaの高圧で圧密して、岩石中の間隙水を抽出する装置です。装置は、シリンダーとピストンと油圧ジャッキより構成されます。シリンダーに岩石試料を入れて圧密し、ピストンに設けた小孔から間隙水を取り出します。 孔内での原位置採水は時間と費用を要しますが、本装置を用いることによりボーリングコアから容易に採水が可能となります。地下より採取した岩石の間隙水を調べることにより、地下深部の地下水の水質を明らかにすることができます。
主な仕様: ・加圧ピストン(油圧式)は最大100tfまで
・試料の適用直径が50mm,45mm,40mmを選択できるように、シリンダー内筒・上蓋,上下ペデスタル、圧縮棒、上下試料板はそれぞれ3種類ずつ。試料の適用長は100mmまで。
・間隙水の採水ラインは、内径0.7mmのテフロンチューブ
・ペデスタルにOリング、チューブにフェルールをそれぞれ取り付けることで、シリンダー内を密封

炭素安定同位体比測定装置(GC/C/IRMS)、水素同位体比測定装置(EA/IRMS)
目的:   電力施設等の立地箇所周辺の岩盤に含まれるガスの起源、ガスの移動に関する知見を得ることが目的です。特に、堆積岩に含まれるメタン〜ブタン、CO2に含まれる炭素同位体比を求めます。
概要:   本装置は、ガスクロマトグラフに同位体質量分析計を直結したものであり、水や堆積岩に含まれるガスが測定対象となります。試料の量は200μLで、極少量の気相からガス組成と炭素同位体を求めることができます。
  炭素同位体は火山ガスや有機物の微生物分解や酸化、熱分解などでさまざまな値を示すことが知られています。ガスの起源を明らかにすることは、地質環境の推定につながり、立地地点の地質変遷を解く情報を得ることができます。また、ダム建設調査や深部岩盤調査では、コアの間隙中に含まれるガスの同位体の違いから水の移動場を推定することができます。 さらに、CO2は水に溶解し易いことから、既知の炭素同位体比を持つCO2を用いたトレーサー試験なども可能です。CO2地中貯留においては浅所でのガス徴が貯留したCO2によりもたらされたものなのか、などCO2漏洩の有無に関する調査に役立てることができます。
  現在、当所では岩石に含まれる微量のガスから同位体を測定する採取容器を開発しており、気相、液相、固相それぞれでガス分析が可能となっています。さらに、装置には元素分析計(EA)が接続されており、1cc前後の試水から水の水素同位体を自動で測定することができ、水の起源や混合に関する情報も得ることができます。
主な仕様: メタン(CH4)、エタン(C2H6)、プロパン(C3H8)、イソブタン(iC4H10)、ノルマルブタン(nC4H10)、およびCO2の組成(vol%)と炭素安定同位体の測定(200μL)
水の水素同位体測定(1cc)

トンネル変位計測システム

システムの概要

上段:制御PC
中段:BOTDR測定機
下段:光チャンネルセレクタ
目的:   岩盤構造物は建設から数十年にわたり利用することが多く、その安定性の管理が重要です。当所では、トンネル壁面の変形挙動を長期間にわたって計測することで安定性を管理することを目的に、本装置を導入しました。このシステムは、トンネルのほかに斜面の変状計測にも適用した実績があります。
概要:   光ファイバ上に発生しているひずみを、BOTDR(Brillouin Optical Time Domain Reflectmeter)法により計測するシステムです。測定機から光ファイバ線に光パルス信号を送り、ケーブル内で散乱し、装置に戻る反射光(Brillouin散乱光)の性質から、光ファイバの一定距離ごとのひずみ分布を測定することができます。 光ファイバの全延長(最長10km)をひずみセンサーとして用いることができ、分解能は1mです。光ファイバを防腐食性金属等で被覆した場合、通常のひずみゲージを用いた計測と比較してセンサーの耐久性が高く、長期間の計測に適しています。

遠隔からの岩盤表面変位の自動計測装置
目的:   構造物造成時や、発電設備の保守・管理において、崩落の危険が生じた法面などの岩盤構造物の表面変位を、遠隔から安全に自動で連続計測し、対策工の検討や管理に利用することを目的として開発した装置です。
概要:   岩盤構造物に変状が発生した場合、崩壊の危険度が高く、多くの場合、計測箇所に近づけないことから、センサー類を設置することができません。そのような場合、遠隔から安全に岩盤の挙動を計測することが望まれます。 本装置は、レーザー投影用と撮影用のセオドライト各1台、画像処理装置、制御用PCで構成されています。岩盤表面変位を遠隔から安全に計測するため、三角測量における前方交会法の原理を用い、セオドライトに内蔵するステッピングモータで、搭載する望遠鏡を計測点の方向に制御することと、画像処理を応用した計測点の自動視準を組み合わせることで、岩盤表面上に設定する複数の計測点の経時変化を無人で計測できます。 ここで、計測点はレーザー光を投影した直径10mmほどの点で、反射鏡などの設置は不必要です。また、セオドライトの水平度を保つことができる基礎(岩盤など)と電源があれば、現場で設定する基準座標系に基づき、各々のセオドライトから計測点の方向(水平角と垂直角)を制御用PCに記録する1日以内の作業で計測を開始することができます。
主な仕様: ・計測距離:10m〜150m
・計測精度:1×10-4〜1×10-5(精度距離比=計測精度/計測距離)
・注意:太陽光の影響を受けるため,斜面では夜間計測のみ
・備考1:斜面やトンネルで数ヶ月間の連続計測による計測性能の検証済み
・備考2:地下空洞やトンネルでは温度が安定しているため,高い計測精度となる

電気探査装置

トンネル掘削後の比抵抗モニタリングの適用例
(頁岩(白亜紀)地点)
目的:   構造物を建設したり、既設の地下構造物周辺の地盤の状況などを、非破壊で空間分布を調査することを目的として開発・導入した装置です。本装置を用いて、地表下数mから数百mまでの地質構造の把握や、地下空洞掘削に伴い生じるゆるみ域の広がりの評価などに適用しているほか、CO2地中貯留時に注入したCO2の移行範囲・移行挙動を把握する試みも行っています。
概要:   本装置では、地表面あるいはボーリング孔内に設置した最大240点の電極のうち、任意に設定した1対(2点)の電極から電気を送信した際における、4対(8点分)の電位差を測定し、その情報を装置に伝えることで、あらゆる電極配置での測定を自動的に行うことができます。さらに、PCを介した無線パケット通信を行うことで、現場に設置した計測装置を任意の場所から制御する遠隔測定もまた可能です。
(電中研内装置名称:大深度地下空洞周辺岩盤地下水モニタリングシステム)

電磁探査装置
目的:   地熱開発のような地下深部の地盤の状況を、非破壊で調査することを目的として導入した装置です。電気探査法と比べて探査深度が深く、深度2km程度までの深部の比抵抗分布を求めることで、地盤の状況を解明します。本装置を用いて、地熱地域における地下構造調査、地下深部に注入した流体の移行挙動を把握するためのモニタリングなどを実施した実績があります。
概要:   本装置は、電磁探査法のうち、CSAMT(Controlled Source Audio-frequency Magneto Telluric Method)法と呼ばれる手法を用いて測定を行います。地表から数百mA程度の大電流を送信し、送信に伴い地下において誘導される磁場や磁場を測定し、その電場や磁場の関係から地下における比抵抗分布を求めます。
  (電中研内装置名称:リアルタイム地下可視化装置)

超高速3次元電気探査装置

散水による浸透水のモニタリング結果
目的:   構造物を建設したり、既設の地下構造物周辺の地盤の状況などを、非破壊で調査することを目的として開発・導入した装置です。従来の電気探査装置と異なり、多数かつ複数の測線を設置し、測定やデータ処理の方法に工夫を施すことにより、多くの測点を設置した条件下において短時間に測定することで、降雨に伴う地下水の浸透状況の把握など、これまで計測が困難とされていたものを可視化することを可能とした装置です。
概要:   本装置は、2極法と呼ばれる電極配置法(一対の電流電極と電位電極のうち、それぞれ一方の極を遠方に固定接地して測定する方法)を用いて測定を行います。設定した電極位置から電気を送信させると、その際における最大240点分の電位差を同時に受信することができ、さらに高周波数(128〜5120Hz)の正弦波の電流を送信させることで、さらなる測定の短時間化を可能としています。 例えば、地表に240点の電極を設置し、本装置を用いた測定を行うと、一連の測定を約13分のサイクルで連続して行うことが可能です。
(電中研内装置名称:地盤流体挙動超高速可視化装置)