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溶出データベース

火山ガス溶出分析データベースと推奨試料収集

下の情報は、同様のタイトルのWitham et al. (2005) の論文をまとめたものです。 この論文は、火山灰への物質の沈着と火山灰溶出の試料収集と応用に関するより多くの情報を含んでいます。 PDFファイルがここから利用できます。
Witham et al. (2005)のダウンロード

ガイドライン & データベースのインデックスへ


はじめに

火山灰溶出の支配要因

溶出データベース

データベースの概要

推奨手法

参考文献


はじめに

火山灰粒子は火山噴煙の揮発性成分を集めることができ、 硫黄やハロゲンのほか多くの潜在的に有害な成分を迅速に沈着させることになります。 これらの成分は(例えば降雨によって)次第に溶出し、土壌や水への多大な負荷を引き起こします。 結果として生じる溶出現象は、人々の健康への被害を及ぼすのと同時に、 水資源、植生ならびに土壌環境にも被害を及ぼします。 いくつかの噴火では牧草が顕著に汚染され、家畜への深刻な影響が生じた場合もありました。 降灰後の飲用水供給の維持に関しても問題が生じ、定期的な水質調査をすることになった活火山地域もあります。 火山灰溶出濃度に関する主な支配要因は下にまとめられています。 これらの試料収集ならびに分析に利用された従来の方法のデータベースも示されています。 今後の研究で比較できるようになることを期待して、 火山灰溶出物を収集する標準的な方法を推薦してあります。


火山灰溶出の支配要因

揮発性成分が火山灰に吸着する過程はほとんど分かっていませんが、主な支配要因には次のようなものが含まれます。

  • マグマのタイプと火山灰の組成;
  • 噴火様式;
  • 破砕直後のガスと火砕物の分離過程;
  • 噴煙の濃度;
  • ガスに対する粒子の割合;
  • 粒子の大きさの分布;
  • 粒子の表面積、空隙率ならびに内部組織;
  • 噴煙内部での粒子軌跡における温度・化学的履歴;
  • 風や湿度を含む周囲の条件;
  • 火山における熱水作用の広がり。

火山灰溶出研究において測定された異なった化学成分の濃度は、 吸着の過程や機構だけでなく、次のようなものにも依存しています。

  • 収集場所 - 火口からの距離と風向との関係;
  • 溶解に何か溶液を用いたのであれば、その溶液のPHと用いた酸の種類;
  • 火山灰と溶解液の割合;
  • 溶解液に触れたときの火山灰の分離時間;
  • 利用した火山灰の粒子サイズ分布;
  • 試料が溶出する前に粉砕されて、より多くの空隙の表面が空気にさらされたかどうか;
  • 火山灰が堆積した後の乾燥した堆積物の寄与;
  • 堆積後の降雨や(霧などによる)湿度の増加;
  • 試料が採取されてから分析されるまでの時間。

例えば、サイズがより小さい粒子のかけらは、通常、大きな粒子よりも高い元素濃度を示します。 酸による溶解処理は、一般的に水による溶解よりも非常に多くの量の物質を火山灰から分離します。 堆積後の条件を除くと、これらの支配要因はすべて、方法論的に制御が可能です。 噴火直後に新鮮な火山灰を収集することによって、結果の規格化がやりやすくなるでしょう。 多くの噴火は雨を伴いますが、迅速な収集は、 噴火後の降雨によって水溶性成分が失われる危険性を軽減します。

溶出成分は、火山灰粒子の部分的な溶解にも影響される可能性がありますが、 溶出成分と火山灰の全岩組成を比較することで、元素起源のものを識別しやすくなります。 さらに、検出されたある種の元素の溶出濃度は、 あるpH条件のもとで他の元素の有無に依存している可能性があります。 例えば、AlはFを減少させます。


データベース

火山灰溶出データベースは、 この問題にかんしてなされたこれまでの研究をまとめたもので、 それぞれの研究で用いられた手法も掲載してあります。 2004年現在、27火山に関するオリジナルの溶出データを報告した55以上の論文が出版されています。 これらは、それぞれの研究で用いられた分析方法と併せてデータベースにまとめられています。 分析方法が明示してあるものだけがデータベースに含まれています。 論文は、考察した火山の場所ごとに一覧にしてあります。 データベースの最初には、引用元に関する情報が掲載されています。 それから、噴火(火山と年)、溶出調査の目的、(もし利用したのであれば)その粒子の大きさ、 利用した溶質、溶質と火山灰の割合(ml/g)、利用した攪拌の種類と時間、混合のための放置時間、 溶出物内で測定されたイオン、そして利用した分析技術が示されています。 著者が研究で複数の分析方法を利用している場合は、データベースでは別々の欄に示してあります。 データベースに含まれていない、火山灰溶出の分析結果を報告した研究がほかにもありますが (例えば、Budnikov, 1990; Deger, 1931 and 1932; Hinkley and Smith, 1982; Kirsanov and Yu Ozerov, 1984; Rose, 1977; Rose et al., 1978 and 1982; Rubin et al., 1994; Stoiber et al., 1980 and 1981)、これらでは手法の詳細が省かれています。 上記以外にも、私達は溶出に関する研究、特に日本における研究を把握していますが、 データベースに含むための関連文献を見つけることができない状態にあります。 データベースに含まれている論文ならびに上に挙げた論文の詳細はすべて 参考文献に掲載してあります。 IVHHNは、今後の火山灰溶出データ、もしくは、私たちが見落としてデータベースへ掲載されていないこれまでに報告された測定 がデータベースに提供されることを歓迎いたします。


データベースの概要

これまでの溶出調査は主に下の4つの理由に基づいて実施されてきたことが、 データベースから分かります。

  1. 火山噴煙のガスの濃度の代わりとして利用する;
  2. 環境への影響調査(土壌、農作物、藻類、海水、雪、人々の健康への影響を含む);
  3. 化学および吸着過程の調査;
  4. 吸着物質の起源を同定する

最初の2つが最も一般的な理由です。 火山灰の溶出調査で55以上の溶解成分が検出されました。 その中で、最も一般的に分析されたのは、Cl、Ca、Na、SO42-、MgならびにFです。 これらは、火山灰が水に溶出したものの中で最も高い濃度を示す元素です。 環境や健康と最も関係する元素は、調査目的によるところもありますが、 Al、As、Cl、F、Fe、Hg、Pb および SO42-が特に重要です (表 1)。 Feなどのいくつかの元素は、火山灰の表面の酸性や反応性を増加させ、 火山灰に関連した呼吸器系の被害を増加させるので重要です。 他のものは、pHの変化を含めて水質を悪化させる可能性があり、植生に影響を与えるので重要です。 アルミニウムは、健康に影響を与えるのと同時に、 生物がフッ化物を利用するのを阻害するので調査に含まれています。

これまでの研究では、非常に様々な分析技術が利用されていることが データベースに示されています。 方法論として一貫性がない主な点は次のものです。

  • 粒子の大きさの選択;
  • 試料の粉砕;
  • 水または酸性溶質の使用;
  • 火山灰と水の割合。1:2から1:80まで一けた以上も違います;
  • 3分から24時間まで様々な接触時間;
  • 試料の攪拌。火山灰と溶質の混合液を絶え間なく攪拌する人もいるし、ある期間だけ攪拌する人、まったく攪拌しない人もいる。 攪拌時間は3分から24時間まで様々;
  • 異なったイオン分析技術;
  • mg/kgの火山灰、質量比ppm、体積比ppm、mg l-1、 μeq l-1などの異なった単位による濃度の記述
このような様々な手法を利用することは、それぞれの研究どうしの数値の直接比較に誤差を生じさせます。 このことは、この領域の今後の研究のためには、共通の溶出法を利用するのが有益であることを示唆しています。

表 1: 健康に関連するいくつかの重要なイオンの火山灰の水溶濃度範囲

イオン 研究数 濃度範囲
(mg ion/kg の火山灰)
水の濃度の計算値 (mg/l) WHO 飲用水ガイドラインレベル (mg/l)
Al 16 2.4 (ガルングン) - 2117 (ゴレリー) 0.096 - 84.68 -
As 8 0.01 (ポポカテペトル) - <4 (ルアペフ) 0.0004 - 0.16 0.01
Cl 42 3.8 (セントへレンズ山) - 11160 (イラズ) 0.152 - 446.4 250a
F 30 0.1 (ガルングン) - 2043 (アバチャ) 0.004 - 81.72 1.5
Fe 22 0.01 (セントへレンズ山) - 91 (ルアペフ) 0.0004 - 3.64 -
Hg 3 0.0001-0.0087 (セントへレンズ山のみ) 4 x 10-6 - 3.48 x 10-4 0.001
Pb 12 0.001 - 17.56 (すべての範囲がポポカテペトルで覆われる) 4 x 10-5 - 0.7024 0.01
SO4 33 2.4 (セントへレンズ山)-21775 (ポポカテペトル) 0.096 - 871 500b
  • それぞれのイオンの水の濃度の計算値は、ここで推奨されている火山灰-水の希釈量1:25を使って導いたものです。 これらのイオンに関する飲用水の水質ガイドライン(WHO, 1993)は、参考のために掲載されたものです。 異なった火山の溶出濃度は異なった方法を使って導出されたもので、 吸着したイオンの質量すべてを完全に回収したと仮定している点に注意が必要です。
  1. no guideline value, but concentrations of this level can give rise to a detectable taste in water.
  2. no guideline value, but gastrointestinal effects can result from ingestion of high levels.


推奨手法

溶出調査の結果を比較しやすくするため、 各研究者が実施したいと考える他の方法に加えて、 下に示した手法を使うべきであると私達は提案します。 (推奨する手法の詳しい説明は下に示されています)

  • 分析の全ての段階でポリエチレンの装置を利用する;
  • 新鮮な(すなわち、降雨にさらされていない、 また、雲、霧の中で堆積していない)火山灰を利用する。 もし新鮮でないならば、データ報告で言及する。 噴火と試料採取からの時間も示する;
  • 溶出する溶液は蒸留したイオン交換水を利用する;
  • 溶出には、採取場所におけるすべての粒子サイズのもので構成された粉砕されていな火山灰を使う;
  • 火山灰(g)の水(ml)に対する比率は1:25にする;
  • 火山灰と溶液の混合物は90分間、密封容器内で攪拌(理想的には振動)する;
  • 混合物は、界面活性剤を使っていない酢酸セルロース膜の0.45ミクロンのフィルターでろ過する。 (一般的に利用されているフィルターは、Millipore and Whatman製のものである)。 ろ過の前に試料を遠心分離機にかけることで、ろ過を速く、火山灰試料の回収を容易にすることができる。 水銀の分析では、揮発や容器壁への吸着を防ぐために、別に濾過した溶液に防腐剤を加えることが必要;
  • 濾過した溶出試料を、較正用の適当な標準溶液を使って、イオンクロマトグラフィーやICPスペクトロメータ、 イオン選択電極器などの利用できる装置で分析する;
  • それぞれの火山灰の試料を乾燥して重量を測定し、その粒子サイズ分布を決定する (1-2 gの小さい溶出試料では、より大きな質量の試料全体をふるいにかけることで大きなふるいによる損失を防ぐことができる);
  • 理想的には、同様の火山灰試料の分析を繰り返して、採取場所の平均を求める;
  • 結果を mg/kgの火山灰量で示し、火口からの距離、粒子のサイズ分布、分析した試料数を明示する。

他の技術を利用した場合は、手法すべて、特に火山灰と溶質の比を明示する必要があります。

注意すべき重要なことは、ここで推奨した手法は最適の条件を見つけるための包括的な研究に基づいたものではなく、 むしろ、これまでの研究で最も利用されてきた方法論や道具に基づいているということです。 私達はイオン交換水による溶出を提案しました。 これは、過去に頻繁に利用されてきたこと、利用しやすいこと、野外で使いやすいこと、そして、 飲用水との比較がしやすいことによります。  弱酸による溶出は、特に活火山の近くにおける雨水により近い現象を表すことになるので、 酸性溶液を使った火山灰の繰り返し分析も理解に役立つでしょう。 これまでの研究で使われた酸濃度は0.1から0.0001M (pH 1 ・4)まで様々で 溶出には、硝酸(HNO3)または塩酸(HCl)が使われてきました。 吸着したCl-の分析を容易にするために、私達は硝酸を0.001M(pH 3)の標準溶液で使うことを薦めます。 この酸性レベルは、活火山地域で測定された雨水のpHと同程度のものです。 雨水の溶出効果を詳細に検討するためには、興味がある地域の雨水の組成に関する知識を利用することで、 適当な代替溶液を作ることが可能でしょう。

私達は、溶出にすべての火山灰試料を利用することを推奨しました。 これは、サイズごとに分離するときに汚染されることを防ぐためです。 また、この方法を用いることで、それぞれの場所での溶出負荷の総量を最も的確に代表する値を得ることができます。

推奨する攪拌時間ならびに放置時間をおかないということは、ほとんどの研究者が利用している Taylor and Stoiber (1973)の方法に基づくやり方とは異なっています。 攪拌と接触を組み合わせた90分という時間は、溶出濃度の時間変化を検討した研究(Frogner et al., 2001; Oskarsson, 1980; Risacher and Alonso, 2001)に基づいて、選ばれました。 これらの研究ではすべて、溶出の大半は最初の60分から100分の間に起きました。 鉱山の排出物の溶出に関する研究でも、攪拌後にどの程度の長さであれ試料が溶出液内に静かに放置されていると、 化学的にかなりの変化が起こりうるということが示されています。 健康被害の不安がある野外で溶出可能イオンを迅速な見積もるためには、 火山灰と水の混合液を手で素早く振るということで攪拌の代わりとすることができます。 そして、この溶出液は、たいていの重要なイオンに関してイオン電極器を使って分析できます。 結果は、溶出負荷としての最低濃度を与えることになるので、その後、 完全な方法で火山灰を分析してフォローアップする必要があります。

溶出結果を報告するときに使う単位としてmg イオン/kg 火山灰を薦めます。 なぜなら、これを用いることで、粒子サイズや採取場所、火山間での吸着の比較をすることができるようになりますし、 また、噴出した火山灰の総質量が分かっている噴煙の揮発性成分の質量を計算することができるようになるからです。 もし溶出体積が報告されれば異なった地点での溶出負荷が計算でき、 その結果、堆積が生じたより広い地域へ外挿することができるようになります。 このアプローチでは、溶出元素の大部分は火山灰全体から生じたものではなく、吸着によって生じたものであると仮定しています。 健康ならびに環境に関する研究では、溶出中の元素濃度(mg L-1)を報告することも有益であり、推奨いたします。


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