フロリダ帯水層

フロリダ帯水層システムは、上部フロリダ帯水層と下部フロリダ帯水層から構成され、アメリカ合衆国南東部の約10万平方マイル（26万km 2 ）の面積に広がる古第三紀炭酸塩岩の層である。フロリダ州全域と、アラバマ州、ジョージア州、ミシシッピ州、サウスカロライナ州の一部に広がっている。[ 1 ]

フロリダ帯水層システムは世界で最も生産性の高い帯水層の一つであり[ 2 ]、約1000万人に飲料水を供給しています。 [ 3 ]米国地質調査所によると、2000年のフロリダ帯水層システムからの総取水量は、1日あたり36億4000万ガロン（Mgal/日）（1380万m3 /日、11,200エーカーフィート/日）で、国内の主要帯水層の中で5番目に多い量でした。[ 4 ]使用量の内訳は、灌漑用が49%（1,949 Mgal/日、738万m 3 /日、5,980エーカーフィート/日）、公共用水が33%（1,329 Mgal/日、503万m 3 /日、4,080エーカーフィート/日）、工業用が14%（576 Mgal/日、218万m 3 /日、1,770エーカーフィート/日）、家庭用自給取水が4%となっている。このシステムは、フロリダ州中部および北部、ならびにジョージア州東部および南部のほとんどの都市の主要な飲料水源となっている。[ 3 ]

歴史

ジョージア州南部のフロリダ帯水層システムを汲み上げる井戸からは、自噴圧力を受けた水が噴き出している。
フロリダ帯水層システムに使用されている水文地質学用語の比較。

1936年、地質学者ビクター・ティモシー（VT）・ストリングフィールドは、フロリダ半島にフロリダ帯水層が存在することを初めて確認し、その炭酸塩岩を「主要被圧帯水層」と呼んだ。[ 5 ] 1944年、ジョージア地質調査所のM・A・ウォーレンは、ジョージア州南部におけるこの帯水層の延長について記述し、そこに含まれる炭酸塩岩を「主要被圧帯水層」と呼んだ。[ 6 ]ストリングフィールドは1953年と1966年にも、これらの岩石を「主要被圧帯水層」と呼んだ。[ 7 ] [ 8 ] 1955年、ギャラルド・G・パーカーは、フロリダ南東部の第三紀炭酸塩岩の水文学的および岩相的類似性に注目し、それらが単一の水文学的単位であると結論付け、その単位を「フロリダ帯水層」と名付けた。[ 9 ]追加情報収集により、透水係数の高い地域と低い地域がさらに特定されました。その結果、フロリダ帯水層という名称は、上部フロリダ帯水層と下部フロリダ帯水層を含む「フロリダ帯水層システム」へと変化しました。[ 10 ]

フロリダ帯水層システムからの取水は、1887年にジョージア州サバンナ市がサバンナ川からの表層水取水に地下水を補充し始めたときに始まりました。当時、システムの自噴水頭は地表から40フィート（12メートル）上にあり、ポンプは必要ありませんでした。1898年までにはジョージア州南部で200から300の井戸が完成し、1943年までにはジョージア州の沿岸6郡で約3,500の井戸が完成したと推定されています。1910年頃までには、フロリダ帯水層システムの開発は、フロリダ州東海岸のフェルナンディナ、ジャクソンビル、および南のタンパから西海岸のフォートマイヤーズまで既に行われていました。時間の経過とともに、需要の増加に伴い、井戸の数が増加し、完成した深さも増加しました。 1930年代後半以降、パルプ・製紙工場への工業用水供給が取水量の大部分を占めるようになった。1950年代には、オーランドにおけるすべての公共用水、家庭用水、工業用水（冷房用を除く）と農業用水供給の約半分が、フロリダ帯水層システムの地下水に転換された。地下水取水量は、1950年の630 Mgal/日（240万m 3 /日、1,900エーカー・フィート/日）から1990年の3,430 Mgal/日（1,300万m 3 /日、10,500エーカー・フィート/日）へと着実に増加した。1990年代に制定された許可および規制により、取水量の年々増加は抑制された。しかし、1999年から2001年にかけて米国南東部の大部分を襲った極度の干ばつの影響で、2000年の取水量は4,020 Mgal/日（1520万m 3 /日、12,300エーカー・フィート/日）に増加した。この増加の大部分は農業需要によるものであった。[ 1 ] [ 3 ] [ 11 ]

位置

フロリダ帯水層システムは5つの州の一部を覆っている。出典：USGS

フロリダ帯水層システムは、アメリカ合衆国南東部の約10万平方マイル（26万km2）の面積に広がり、フロリダ州全域とアラバマ州南部、ジョージア州南東部、サウスカロライナ州南部の一部を覆っています。 [ 1 ]上部フロリダ帯水層は、その大部分で淡水を含んでいますが、オキーチョビー湖の南側では塩分濃度が高まり汽水となっています。[ 2 ]

フロリダ帯水層システムは、ジョージア州中部および南部に分布しており、石灰岩とその風化副産物が地表に現れています。帯水層は一般的に南側で地表より下方に沈み、表層の砂層や粘土層の下に埋もれています。右図の茶色で示されている地域では、帯水層が地表に現れ、再び地表に露出しています。これらの地域は、カルスト化した石灰岩帯水層が地表に近いため、特に陥没穴が発生しやすい地域です。 [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]帯水層内の亀裂や導管の中には、スキューバダイバーが泳いで通り抜けられるほどの大きさのものもあります。[ 16 ] [ 17 ]

水文学と地質学

上部フロリダ帯水層と表層帯水層を分離し、上部フロリダ帯水層の水質を決定する上で重要な役割を果たす封じ込め層を示す理想的な地質図（Berndt他、2015年より）。[ 18 ]
フロリダ州マリオン郡からフロリダ州コリアー郡までの一般化された断面図。
米国南東部のフロリダ帯水層システムの帯水層と複合単位および封じ込め単位。

帯水層を形成する炭酸塩岩は後期暁新世から前期漸新世のものであり、その上に中新世の低透水性粘土（上部被圧層）と鮮新世および完新世の表層砂（表層帯水層システム）が重なっている。フロリダ中西部、フロリダ北部、およびシステムの上流縁部では、石灰岩が露出しており、帯水層システムは非被圧である。上部被圧層の低透水性粘土が存在し、かつそれなりに多い場所では、システムは被圧されており、地下水は圧力下で閉じ込められている。上部被圧層は、ジョージア州沿岸部および南フロリダで特に厚く、これらの地域では上部被圧層を通じた下方への水の漏出は最小限であり、帯水層システムは厚く被圧されている。フロリダ帯水層システムの基盤は、暁新世の低透水性石灰岩（例：シーダーキー層）である。帯水層の厚さは、岩が露出している上流部では100フィート（30メートル）未満から、フロリダ南西部では3,700フィート（1,100メートル）以上にまで及びます。[ 10 ]補給、流量、自然流出は、主に上部の閉じ込めユニットによる閉じ込めの程度、非閉じ込め地域での帯水層と河川の相互作用、および海岸線に沿った淡水と塩水の相互作用によって制御されます。[ 10 ] [ 19 ]

地表または地表近くにある場合（上の画像で茶色くなっている部分）、粘土は薄いか存在せず、石灰岩の溶解が激しく、多くの自噴泉や陥没穴が見られます。このようなカルスト地域では、岩石内に大きくてよくつながった導管が発達しているため、帯水層の透水率は非常に高くなります（右の画像を参照）。水圧が高く、地下水が地表に流れ出る場所に泉が形成されます。フロリダ州では700以上の泉が地図上に示されています。[ 20 ]たとえば、ワクラ郡のワクラ・スプリングスでは、1日あたり2億～3億米ガロン（0.76～1.14百万立方メートル、610～920エーカー・フィート）の流量があります。 1973年4月11日には、この泉からの最高流量の記録が毎秒14,324米ガロン（54.22 m 3 ）に達しました。これは、1日あたり12億4,000万米ガロン（468万m 3、3,800エーカーフィート）に相当します。

このシステムは、上部フロリダ帯水層と下部フロリダ帯水層という2つの主要な帯水層で構成されています。これらの帯水層は、パンハンドル地域の透水性の低い粘土（ブカトゥナ粘土）やフロリダ州中西部の透水性の低いドロマイトおよび石膏含有無水石膏から、フロリダ州東海岸沿岸やその他の地域の透水性の高い石灰岩に至るまで、様々な堆積物によって隔てられています。これらの介在する堆積物や岩石が透水性である場合、上部フロリダ帯水層と下部フロリダ帯水層は一体として機能します。逆に、介在する堆積物の透水性が低い場合、上部フロリダ帯水層と下部フロリダ帯水層間の水理学的連結は弱くなります。

上部フロリダ帯水層

上部フロリダ帯水層は、その高い湧出量と地表に近いことから、フロリダ帯水層システムから取水される水の主な水源となっている。地下水はほとんどの地域で淡水であるが、特に塩水浸入の問題がある沿岸地域や南フロリダでは、局地的に汽水または塩水となることがある。上部フロリダ帯水層には、フロリダ帯水層システムの最上部または最浅部の透水性帯が含まれる。調査地域の北半分では、この帯水層は単一の水文地質学的単位として機能し、区別されていない。調査地域の南半分（中央フロリダと南フロリダの大部分を含む）では、帯水層は厚く、最上部の透水性帯、オカラ下部透水性帯、エイボンパーク透水性帯の3つの異なる帯に区別することができる。[ 10 ]

上部フロリダ帯水層の基底は、フロリダ帯水層システムの中央部にある 2 つの複合ユニット (下記参照) と 1 つの封じ込めユニット (リスボン-エイボン パーク複合ユニットまたは中部エイボン パーク複合ユニット、およびブカトゥナ粘土封じ込めユニット) によって特徴づけられる。上流域では、上部フロリダ帯水層の基底は、クレイボーン、リスボン、またはゴードン帯水層の上にある封じ込めユニットの上部と一致するか、炭酸塩岩と砕屑岩の境界を示す粘土層または以前に地図に番号が付けられた中部封じ込めユニット (MCU) の上部に位置する。[ 21 ] 。バルドスタ付近の MCUIII [ 21 ]やフロリダ南西部の MCUII [ 21 ]など、1 つ以上の蒸発岩ユニットが存在する場合、帯水層の基底は蒸発岩ユニットの上部と一致する。明確な低透水性層が存在しない地域では、透水性岩石を帯水層システムの上部または下部に地層学的にグループ化できる層位に沿って基底が外挿される。アラバマ州南東部、フロリダ州北部、ジョージア州、サウスカロライナ州では、地層単位はリスボン・エイボンパーク複合単位にグループ化されている。フロリダ半島では、この層位は中部エイボンパーク複合単位の蒸発岩を含む、または含まない1つ以上の単位と一致する。フロリダ州パンハンドルとアラバマ州南西部では、基底はブカトゥナ粘土層の上部と一致する。[ 10 ]

中間拘束ユニットと複合ユニット

フロリダ帯水層システムの水文地質学的枠組みは、2015年に米国地質調査所によって改訂された。[ 10 ]システムの範囲は、南東海岸平野帯水層システム、フロリダ帯水層システム、またはその両方にこれまで含まれていた、下部フロリダ帯水層に横方向に傾斜する上流砕屑相の一部を含むように改訂された。上部フロリダ帯水層と下部フロリダ帯水層を区分する新しい方法が提案され、「複合ユニット」という新しい用語が導入された。これは、以前は8つのMCU [ 21 ]の1つに分類されていたが、その全域にわたって閉じ込め性も透水性も持たないことが判明した、地域的に広範な岩石層序単位を指すものである。[ 10 ]改訂された枠組みでは、上部フロリダ帯水層と下部フロリダ帯水層を、ブカトゥナ粘土層、中部エイボンパーク複合層、リスボン・エイボンパーク複合層という3つの地域的に地図化可能な岩相層単位を用いて一貫して区分している。これらの複合層が漏水する地域では、上部フロリダ帯水層と下部フロリダ帯水層は単一の水文地質学的単位として機能している。[ 10 ]

フロリダ下部帯水層

下部帯水層は一般に上部帯水層よりも浸透性が低く、生産される水は高度にミネラル化され、塩分を多く含むことがありますが、中央フロリダとジョージア州中部、南部、アラバマ州の上流地域では、下部帯水層はシステムの底部に対して比較的淡水です。[ 10 ] [ 22 ]新たな基底透水帯がフロリダ半島全体とジョージア州南東部にわずかにまで広がっており、これには以前に確認されたボルダー帯とフェルナンディナ透水帯が組み込まれています。このより広い単位はオールドスマー透水帯と呼ばれています。オールドスマー透水帯は、ボルダーやフェルナンディナ透水帯の洞窟状の領域よりもはるかに高い透水性を持っているようで、中央半島地域に淡水を含んでいます。この新たに画定された淡水を含む広大な基底単位は、帯水層システムの最も深い部分を通って排出領域に向かう淡水の動きに影響を与える可能性があります。オールドスマー透水性帯は、上部フロリダ帯水層の下に閉じ込められ（隔離されて）、重要な代替水源となる可能性があり、これまで知られていなかった地域での地下水の沖合移動に重要である可能性があるため、興味深いものです。[ 10 ]

一般的な水理特性

フロリダ帯水層システムの推定透水率。

フロリダ帯水層システムを構成する炭酸塩岩は、多孔度や透水性など、水理特性が非常に多様です。透水率は、8 ft 2 /d（0.74 m 2 /d）未満から9,000,000 ft 2 /d（840,000 m 2 /d）以上まで、6桁以上の範囲で報告されていますが、そのほとんどは10,000～100,000 ft 2 /d（930～9,290 m 2 /d）の範囲です。[ 23 ]帯水層が非圧密または薄く圧密されている場合、浸透水が岩石を溶解するため、透水率は比較的高くなる傾向があります。一方、帯水層が厚く圧密されている場合、溶解は少なくなり、透水率は低くなる傾向があります。帯水層全体の透水率の変化を示す最初の地域地図において、ミラー[ 21 ]は、帯水層システムが非圧密または薄く圧密されている地域では、透水率が250,000 ft 2 /d（23,000 m 2 /d）を超えることを示した。帯水層が厚く圧密されている地域では、透水率の低下は主に組織の変化、次に岩石の厚さに関係しているとミラーは指摘した。フロリダ南部および上流側の露頭地域にあるミクリティック石灰岩は、システムの他の地域よりもはるかに低い透水率を示すことが確認された。[ 10 ] [ 18 ]

陥没穴

陥没穴の形成プロセス[ 24 ]
溶解陥没穴
溶解性陥没穴は、石灰岩やドロマイトなどの溶解性岩石が水などの溶解剤と接触することで形成されます。岩石内の節理、亀裂、層理面など、水の流れが集中する場所では溶解が促進され、優​​先的な流路が形成されます。
覆土陥没穴
覆土沈下による陥没穴は、覆土が透水性で砂を含む場合に徐々に形成される傾向があります。覆土が厚い地域や堆積物に粘土が多く含まれる地域では、覆土沈下による陥没穴は比較的まれで、規模も小さく、長期間発見されないこともあります。
蓋崩落陥没穴
覆土崩壊型陥没穴は、数時間かけて突然発生し、壊滅的な被害をもたらすことがあります。これは、覆土に粘土が多量に含まれている場合に発生します。このような陥没穴の最も顕著な例の一つは、1981年に フロリダ州ウィンターパークで発生したウィンターパーク陥没穴です。この陥没穴は、公共プール、自動車販売店の一部、そして住宅を飲み込みました[ 25 ] [ 26 ]。
フロリダ州ジェニングス近郊のアラパハ川の表層水の流れ全体が陥没穴に流れ込み、上部フロリダ帯水層に流れ込む様子をとらえた画像。

陥没穴は、地表下の岩石が石灰岩、炭酸塩岩、塩層、あるいは地下水の循環によって自然に溶解する岩石である場合によく発生します。岩石が溶解するにつれて、地下に空間や洞窟が形成されます。空間の上にある土地の支持力が不十分な場合、地表が突然陥没する可能性があります。これらの陥没は小規模なものから大規模なものまで様々で、上部に家屋や道路がある場所で発生することもあります。[ 27 ]

陥没穴は、その形成過程に基づいて、溶解、覆土沈下、覆土崩壊に分類できる。陥没穴の形成は、西中央フロリダの冬作物の霜害防止のための汲み上げなど、短期間での地下水の集中的な汲み上げによって加速されることがある。[ 24 ] [ 28 ] [ 29 ] 1994年[ 30 ]と2016年[ 31 ]に石膏の積み重ねの下に発生した陥没穴により、リン酸岩から肥料を製造する際に副産物として生じるリン酸石膏とリン酸を含む数百万ガロンの鉱化水が失われた。これらの陥没穴は、積み重ねられた石灰岩に以前から存在していた溶解空洞の崩壊によって形成されたものと考えられる。[ 24 ]タラハシー近郊のジャクソン湖では、帯水層の水位が下がると、時折湖底の陥没穴に水が流れ込む。[ 32 ] [ 33 ]バートウ近郊のピース川沿いにあるドーバー陥没穴では、2006年6月にピース川から約10 Mgal/d（38,000 m3 /d）の水が排出されたのが目撃された。[ 34 ]

スプリングス

フロリダ帯水層システム全体では824の湧水が記録されており、そのうち751はフロリダ州、17はアラバマ州、56はジョージア州に位置しています。湧水は、入手可能なすべての湧水量測定値の中央値に基づいて分類されています。[ 1 ]

大きさ流量（ft³/s、gal/min、pint/min）流量（L/s）
1等星> 100 ft³/s> 2800 L/s
2等級10～100フィート³/秒280～2800 L/s
3等級1～10フィート³/秒28～280 L/s
4等級100 米ガロン/分～1 フィート³/秒（448 米ガロン/分）6.3～28 L/s
5等級10～100ガロン/分0.63～6.3 L/s
6等級1～10ガロン/分63～630 mL/秒
7等級2パイント/分～1ガロン/分8～63 mL/秒
8等級< 1パイント/分< 8 mL/秒
マグニチュード0流れがない（過去/歴史的に流れがあった場所）

フロリダにはマグニチュード 1 の震源が 33 箇所あり、その中でも特に有名なものは次のとおりです。

ジョージア州にはマグニチュード1の泉が1つあるが、干ばつ時には水は流れない。マグニチュード2の泉が6つ、マグニチュード3の泉が5つある。アラバマ州にある17の泉のうち最大のものはマグニチュード3の泉が3つである。サウスカロライナ州にはマグニチュード3以上の泉はない。[ 1 ]メキシコ湾や大西洋の沖合には多くの泉があることが知られているが、これらの泉からの湧出量はほとんど分かっていない。フロリダ州クレセントビーチの沖合約4.0 km (2.5マイル)に位置するクレセントビーチ泉は、最大で1,500 cu ft/s (42 m 3 /s)、もしくは9億7000万米ガロン/日 (370万m 3 /d、3,000エーカーフィート/日) の流量で流れていると推定されている。[ 35 ]

参照

参考文献

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