含塩水と温湿サイクルの作用下における砂岩の孔構造進化機構

なぜ崩壊する岩が重要か

表面上は、砂岩の丘や崖は堅固で不変に見えます。しかし多くの渓谷、貯水池、道路切土では、これらの岩が数年で弱まり、地すべりや落石を引き起こし、人や社会基盤を脅かします。本研究は、繰り返される湿潤と加熱のサイクルが塩水の存在下でもたらす、静かだが強力な原因に着目します。砂岩内部の微小な孔がこれらの条件でどのように変化するかを観察することで、なぜ斜面が徐々に強度を失うのか、そして技術者がそれをどう保護し得るかを明らかにします。

雨と太陽と塩が共働する場面

多くの山間地域で、砂岩斜面は規則的な雨と日射と再び雨というリズムにさらされます。こうした環境の水はほとんど純水ではなく、しばしば硫酸ナトリウムを含むような溶解塩を運びます。研究チームは中国・重慶市万州区の斜面から採取した砂岩に注目し、小さな円筒試料を作製しました。これらの試料を濃度の異なる三通りの硫酸ナトリウム溶液と、比較のために蒸留水に浸漬しました。各試料は繰り返しサイクルにかけられ、室温で1時間浸漬し、次に60 °Cで1時間乾燥（暑い日なたの岩面に相当）させ、再び室温に戻す操作を繰り返しました。

内部から岩の変化を観察する

10サイクルごとに、研究者たちは砂岩の変化を計測しました。微粒子がはがれることでの質量損失を追跡し、表面の硬度を測り、弾性波で内部の剛性を探り、低磁場核磁気共鳴で孔構造をマッピングしました。50サイクルにわたり、塩溶液に浸した試料は純水よりも大きな質量損失を示し、最も濃い溶液では約4.5%の質量減少が見られました。硬度は最大で約10%低下し、特に約20サイクル付近で顕著になり、岩の表面が緩く摩耗に対して弱くなっていることを示しました。

微細な孔から大きな空洞へ

孔スケールの測定はこの弱化がどのように進行するかを示します。初期段階では、塩分を含む水が浸入して蒸発すると、硫酸ナトリウムがもっとも小さな孔内で結晶化します。初期には結晶が隙間を埋め、岩がわずかに締まり、音速が速くなるように見えることさえあります。しかし湿潤・乾燥が繰り返されると、結晶は成長と溶解を何度も繰り返し、孔壁に圧力をかけます。やがて隣接する孔を隔てる壁が破壊され、多くの微小孔がより少数だが大きな孔や微ひび割れへと変化します。全体の間隙率は上昇し、特に塩分濃度が高い場合に顕著で、弾性波速度はおおむね20サイクル前後でピークを示した後、損傷の蓄積とともに低下します。

斜面損傷の隠れた原動力としての塩

総じて、実験は硫酸ナトリウムを含む湿潤サイクルが岩石損傷の効率的な原動力であることを示しています。塩水はまず既存の孔に侵入し、結晶化と再結晶化が徐々に孔を押し広げてそれらを連結します。微小孔の集合が中孔・大孔へと移行するにつれて、砂岩は軽く、柔らかく、波を伝えにくくなり—内部骨格が弱体化している兆候です。貯水池、道路、文化遺産周辺の斜面を設計・維持する技術者にとって、示唆は明白です：水はすべて同じではありません。塩分濃度と気候に由来する湿乾サイクルは、見かけ上は堅牢な砂岩を静かに脆弱な材料へと変え、時間とともに侵食や破壊のリスクを高めます。

引用: Geng, J., Li, X., Wu, Y. et al. Evolution mechanism of pore structures in sandstone under coupled effect of hygrothermal cycles and Na₂SO₄ solution. Sci Rep 16, 10554 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46746-w

キーワード: 砂岩の風化, 塩の結晶化, 孔構造, 斜面の安定性, 湿潤-乾燥サイクル