わかりやすい地質百科

C.N.S元素分析

原理

C.N.S元素分析装置は、分析対象試料が含有する炭素(C)・窒素(N)・硫黄(S)を定量分析する装置です。元素分析の仕組みは、燃焼法を用いて元素をガス化(CO2・N2およびSO2)させ、カラムを通して段階的に分離させ、検出器で定量化します。各元素の値は、重量パーセントとして得ることができます。原理の一例として、パーキンエルマ社製の分析装置の構成を図-1に示します。

図1 2400II元素分析装置の構成
図1 2400II元素分析装置の構成

分析目的および結果の利用方法

C.N.S元素分析の目的やその利用方法としては以下のような例が挙げられます。

  • 堆積物の堆積環境の推測が可能(淡水成層or海成層、還元的or酸化的など)。
  • CNS成分量の深度方向変化状況を利用し、地層の客観的・定量的対比が可能。
  • CNS成分量変化と地盤の工学的性質の検討が可能。
  • pH=3以下を示すような酸性水を発生させる地盤材料の把握が可能。

結果の利用の例

酸性水発生岩検出の利用例
黄鉄鉱は熱水変質を受けた岩や海成起源の堆積岩に含有される鉱物であるが、その黄鉄鉱は地下の還元的環境から酸化的環境にもたらされる(例えば、トンネル掘削岩など)と、硫酸を発生させます。黄鉄鉱を含有するトンネル掘削岩を盛土材等に適用した場合、その盛土から酸性水が発生するとともに、岩石が保有していた有害重金属の溶出を促進させる場合があります。 図-2は、縦軸が過酸化水素を用いて試料中の黄鉄鉱を強制的に酸化させたときのpH、横軸はCNS元素分析で得られたTS(硫黄含有量)を示しています。このように、CNS元素分析を実施することで、将来的にpH=4以下の酸性水を発生させる可能性の高い地盤材料を、事前に把握することが可能となります。

図-2 硫黄含有量と過酸化水素水pH試験結果

堆積物の堆積環境推定の利用例
既存研究によりTOC(有機炭素量)とTS(硫黄含有量)の関係から、堆積物を淡水成層・海水成層・汽水成層と区分できることがわかっています。これを利用すると図-3に示すように、各地の沖積粘性土の堆積環境が推定でき、地盤の特性把握に役立てることができます。

図-3 堆積環境推定図
図-3 堆積環境推定図

地盤の工学的性質の検討例
軟弱地盤の工学的性質とその地盤の堆積環境は密接に関係していると考えられています。そこで、C.N.S元素量と地盤の主に物理特性との関係を検討した例を図-4に示します。これらより、C.N.S元素分析より、地盤の工学的性質の推測が可能であることが示唆されます。

図-4 TOCと液性限界・塑性指数・強度増加率の関係図
図-4 TOCと液性限界・塑性指数・強度増加率の関係図

なお、C.N.S分析の地盤への適用に関しては、最近の地盤調査・試験法と設計・施工への適用に関するシンポジウム発表論文集(社団法人地盤工学会、地盤調査・試験法の小型・高精度化に関する研究委員会)においても、紹介されています。

((株)エイト日本技術開発 磯野陽子)

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自然由来の重金属等・酸性水の問題

近年、人為的な行為に伴って引き起こされる自然由来の重金属や酸性水等による環境汚染が、クローズアップされつつあります。

自然由来の重金属等のうち、有害なため基準が設定されているものを以下の表に示します。

自然由来の有害重金属の種類と基準の表

では、自然由来の重金属等・酸性水問題とは、どのようなものなのでしょうか?

なにが問題?
もともと自然の岩盤や地層に含まれている天然の有害重金属等や酸性水が、人為的な原因(土木工事等)によって環境に出てくること。
どんなときに発生する問題か?
土木工事などにより、岩盤が細片化され、大気や水に触れるようになったとき、重金属等や酸性水の溶出が発生しやすくなる(下図参照)。例えば、トンネル工事、切土工事により発生したズリを盛土するときが問題となる。酸性水は、天然の黄鉄鉱等が酸化することで発生する。
どのような被害が出るのか?
重金属等は、一時にあまり多くの量を人体に取り込むと、健康被害を生じる。 酸性水は環境や構造物を破壊し(下写真参照)、また一部の重金属等を溶かし出す。

土木工事に伴う自然由来汚染のメカニズム概念図
左写真:酸性水を発生させる黄鉄鉱。右写真:酸性水による法面のラスと鉄筋の腐食事例

それでは、どういったところでこのような問題が多いのでしょうか? 資料や過去の経験などから、特に自然由来の重金属リスクが高い地質条件としては、以下の表に示すようなものがあげられます。

自然由来の重金属リスクが高い地質条件
地質条件 備考
鉱山・鉱脈・鉱化帯 多くは古い鉱山跡やその周辺のズリ山など
海成堆積物 海水は、一部の重金属等を環境基準値以上含んでいる(ふっ素1.5mg/L、ほう素4.6mg/L)。そのため海成堆積物には、海水起源の重金属等を多く含む傾向がある。また、黄鉄鉱も多い。
貫入岩脈・熱水脈・変質帯 岩脈や熱水脈に沿って、重金属等や黄鉄鉱が濃集するケースがある。
温泉・鉱泉 一部の温泉は、天然ミネラル分が多すぎて、飲料水の基準を超過するものがある。

そもそも重金属等は自然界に普通に存在するもので、人の体にとっても必須元素とされているものもあります。「良薬口に苦し」という諺があるように、重金属等はその摂取の程度によって、毒にもなれば薬にもなります。例えば、温泉の成分の中にはこうした重金属等がとけ込んでいるものもありますが、人はそれをうまく利用して健康維持に利用しています。一方で、それをとりすぎることにより、体調不良や病気につながることもあります。

このように、自然由来の重金属等が原因で人の健康被害を招く場合もあり、その場合はリスクや状況に応じて対策を検討する必要があります。

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