甘肃省陇东地区粘土岩基本特性研究

车 申, 刘晓东, 刘平辉

(东华理工大学,江西抚州 344000)

甘肃省陇东地区粘土岩基本特性研究

车 申, 刘晓东, 刘平辉

(东华理工大学,江西抚州 344000)

高放废物地质处置库围岩的选择至关重要,各有核国家都对处置库可能的围岩进行了系统研究。从国外经验和国内前期研究成果来看,我国粘土岩是高放废物地质处置库建设中重要的候选围岩之一。对陇东地区进行了地质调查,介绍了该地区的区域构造和区域地质特征,重点对该地区的粘土岩的基本性质进行研究。研究结果结果表明,该地区的粘土岩真密度在 2.37～2.65 g/cm3之间,自然块体密度在 2.30～2.60 g/cm3之间,天然含水率在 2%～5%,孔隙率在3.60%～4.80%之间,粘土岩的渗透系数基本在 10～11m/s左右,比表面为 12.6～21.2 m2/g,平均为 16.7m2/g。参照国外发达国家粘土岩处置库的选址要求、准则和我国高放废物地质处置库选址要求,陇东地区粘土岩的特性符合我国高放废物地质处置库围岩的选择标准,其中渗透性能和吸附性能的优势是其它候选围岩不可比拟的。

地质处置库;围岩;粘土岩;特性

如何安全处置高放废物是目前世界各有核国家研究的重点,对高放废物处置问题提出了许多方法,如深地质处置法、冰层处置法、太空处置法、深海洋处置法等。在众多处置方法中,高放废物深地质处置是目前研究时间最长、可行性最好、安全性最高、也是最被广泛接受的处置方案。

目前,世界各国都在进行核废料地下处置场的相关试验和研究,各有核国家和相关机构对于高放废物处置库选址都有自己的规范和条例。从国际原子能机构 (I AEA)于 1982年提出了深部地质处置库场址选址的标准、欧共体推荐的选址标准和我国现阶段选址依据中能看出:作为抑制放射性核素迁移扩散进入生物圈的天然屏障围岩,必须具备强度大、孔隙率小,渗透率低和岩石具有一定化学稳定性,起到吸附、阻滞及延缓放射性核素运动迁移的作用,尽量减少地下水与核素的接触 (I AEA,1989,1990,1997,2007;陈伟明等,2005,2006)。相对其它候选围岩,粘土岩具有不透水、阻滞放射性核素迁移能力强、自封闭性良好等特性,是当前被重点关注的高放废物地质处置库围岩类型(王长轩等,2008)。而现阶段国内正在开展粘土岩预选场址的调查研究,通过调查研究发现陇东地区的粘土岩产状平缓,大地构造不是很发育且具有一定埋深和厚度,是一个较理想的候选区域。因此,重点对陇东地区的粘土岩进行了基本特性的调查与研究。

1 研究区区域构造

通过陇东地区构造纲要图 (图 1)能清楚发现陇东地区位于鄂尔多斯盆地,属稳定地块单元——华北板块的组成部分,以深大断裂为界与秦岭褶皱系相邻,包含了甘肃省的泾川、庆阳、平凉、华池、环县、正宁等县市。

构造相对稳定的区域由环县、泾川、庆阳所围的构造稳定的中间地带组成。该区域经历了前震旦纪、古生代和中生代三个大的构造演化阶段,由于其刚性的结晶基地,具有异常稳定而又复杂的基底构造。经过野外实地研究发现庆阳单斜,地表出露皆为下白垩统志丹群 (甘肃省区域地质志,1989)。

研究区域粘土岩主要存在该区域第三系的环河华池组中岩性以紫红、暗紫红色砂质泥岩、泥岩与同色粉—细砂岩互层,中夹灰绿、蓝灰色砂质泥岩及细砂岩,倾角小于 5°。由勘探区的钻孔柱状图我们得出该区域环河华池组的粘土岩平均厚度约为平均厚度 270 m左右。上覆第四纪平均厚度约190 m。从研究区的构造特征、地质特征和钻孔等资料来看,基本能满足我国现阶段对粘土岩预选场址提出的粘土岩产状要平缓,大地构造不是很发育且具有一定埋深和厚度的条件。

图1 陇东地区区域构造纲要图Fig.1 Regional structure outline m ap in Longdong area

2 陇东地区粘土岩基本特性研究

经过多年研究,发现粘土岩具有不透水、阻滞放射性核素迁移能力强、自封闭性等良好的特性,但不代表所有地区的粘土岩和所有性能都能满足高放废物地质处置围岩的性能要求,在确定所选的粘土岩能否适合作为高放废物地质处置库的候选围岩之前,必须对粘土岩的性能进行研究。为了进一步论证陇东地区的粘土岩作为高放废物地质处置库的合适性,研究其性能参数就显得十分必要。为了对粘土岩基本特性有更加全面和客观的了解,着重对粘土岩的基本物理特性(真密度、自然密度、含水率、孔隙度)、渗透系数、吸附性性能做了测定。

岩石的化学成分是判定其的化学性质是否稳定的一个重要基本条件,化学性质稳定的围岩能有效减缓高放废物中核素的迁移速度 (王驹等,2005)。选取了新鲜,风化不强的粘土岩作为实验样品并对进行化学全分析实验。样品测试由核工业北京地质研究所分析测试中心测定结果见表 1。

从表中可以看出,SiO2的含量为 36.15%～62.28%,平均含量为 49.64%,Al2O3含量为7.19%～13.27%,平均含量为 10.95%,Fe2O3T含量为4.61%～6.74%,平均含量为 5.61%,MgO含量为 2.70%～11.46%,平均含量为 5.13%,CaO含量为 4.63%～16.28%,平均为 9.92%,Na2O含量为1.17%～3.40%,平均含量为 2.38%,K2O含量为 1.75%～3.75%,平均含量为 2.78%,与后太古代澳大利亚页岩 (PAAS)具有较为一致的 Al2O3,Fe2O3,K2O,较低的 SiO2含量,结合样品进行的XRD衍射实验和分析组份异常认为研究区的粘土岩是高岭石质粘土岩导致了 SiO2的含量偏低。

表1 主元素分析Tab.1 The Lord nutrients analysis %

2.1 研究区域粘土岩的基本物理力学性质

选取研究区域具有代表性的多个样品对其基本物理性能性能进行了岩石真密度、块体干密度、天然含水率、孔隙率测定。样品制备和实验仪器都依照中华人民共和国国家标准《煤和岩石物理力学性质测定方法》(GB/T 23561.1-23561.6-2009)进行制备和准备。实验结果见表 2。

表2 岩石的基本物理特征Tab.2 Basic physicalproperties of rock

从多组实验能得出陇东地区粘土岩真密度在2.37～2.65 g/cm3之间,块体密度在 2.30～2.60 g/cm3之间。含水率在 2%～5%,孔隙度在 3.60%～4.80%之间。在和Boom粘土(比利时)、Meuse/HauteMarne粘土 (法国)、Opalinus粘土(瑞士)进行相关比较,发现陇东地区的粘土岩的孔隙率比和Opalinus粘土相当,比 Boom粘土 (比利时)和Meuse/HauteMarne粘土 (法国)小得多 (Oplalinus,2003;RaynalM,1999;苏坤等,2006)。

2.2 渗透性能研究

作为高放废物处置库的候选围岩,粘土岩的良好阻水性能是其他岩石很难比拟的。实验选取了新鲜、风化不强各个深度和粒径大小的粘土岩作为实验样品进行实验。把实验样品制成直径为 3 cm,高 1～1.5 cm不等的圆柱体(图 2)。

图2 实验样品Fig.2 Experi m ental sample

本次渗透实验所需的物品主要是由以下仪器构成:渗透仪(图 3)最小刻度为 0.05 ml滴定管、自制不锈钢用于装样品的仪器、水平托盘、压力传感器、铁架台等。

实验步骤:

(1)测量仪器的几何参数。测量样品的过水断面面积(ω)。

(2)调试仪器。调整仪器使仪器水平处于稳定的状态。

(3)测定水头。使滴定管中的液体顶端距离样品表面的高度在40 cm处,记下滴定管的读数。

(4)测定流量。每天早晚 8点记录渗流量 Q值,重复 40 d左右。

(5)重复上述步骤进行记录组数据。

(6)按记录表计算实验数据,并分析数据和实验结果。

图3 渗透仪器局部图Fig.3 Partialpicture of osmose apparatus

从实验结果来看,该地区粘土岩的渗透系数基本在 10～11 m/s左右,这就表明该区域的粘土岩渗透系数非常小,在渗透率方面完全符合高放废物处置库围岩的要求。

2.3 吸附性能研究

比表面积的大小能直接的反映出粘土岩对周围介质中吸附各种离子、放射性元素及有机色素的能力。本次试验采用氮吸附 (BET)法分别对甘肃陇东地区的粘土岩比表面积进行测试和分析。

实验步骤:

(1)装样品,采用万分之一的分析天平精确称量样品,并加入样品管。

(2)样品预处理,将装有样品的样品管安装到仪器上,抽真空,加热。

(3)样品冷却至室温后,将杜瓦瓶放到仪器托盘上,并将样品进入液氮中。

(4)选择 BET试验方法,设置仪器参数及压力。

(5)开始试验,点击“吸附”按钮,试验按设定程序自动进行。

(6)吸附完成,查看结果。

分析实验结果 (表 3),发现所采样品的比表面基本都在 10 m2/g以上,且小于 25 m2/g。通过和其他岩石的比表面积的比较可以看出,相对其它岩石,粘土岩具有较大的比表面。对放射性废物具有较好的吸附能力。

表3 比表面积实验结果Tab.3 BET experi mental result

3 结论

(1)从陇东地区的构造纲要图、区域地质特征和钻孔柱状图来看,在地质方面来说该地区构造稳定而简单是非常适合作为粘土岩高放废物处置预选场址的。:

(2)从化学全分析和基本物理性能我们能得出目标区域的粘土岩还是符合我国高放废物地质处置库选址要求的。

(3)该地区粘土岩的渗透系数非常小,约为10～11 m/s,这是一个非常有利因素,但是这个实验数据是在地上常温常压下进行的而不是模拟地下环境得出的数据,实验结果与该地区粘土岩实际渗透系数有一定误差。下一步将模拟地下环境下围岩的渗透系数,这能更加真实有效的反映地下围岩的渗透率。

(4)粘土岩具有较大的比表面,吸附能力也较强,通过实验还得出,随着粘土矿物含量的增多,比表面积也变大这说明粘土岩中粘土矿物能更好的吸附介质中的放射性元素。

(5)做为候选围岩做以上实验对于确定是否选择该围岩还是不够的,在接下来的工作中还得对其力学性能等其他性能进行研究,并和其他地区粘土岩做进一步的对比实验,为高放废物地质处置库围岩的选择增加重要的依据。

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Reserch of Claystone in Longdong Area Gansu Province

CHE Shen, L IU Xiao-dong, L IU Ping-hui
(East China Institute of Technology,Fuzhou,JX 344000,China)

It is key point to choose the host rock of disposal high-level radioactive waste,each countrywhich have nuclear operation a systematic reaserch about host rock.From the aboard development and internal prereaserch,in China,claystone is one of the i mportant alternative host rock to disposal HLW.The artical is about geological investigation in Longdong area,regional structure and regional geological features of this area are introduced.The characteristics of clay rock indicate that clay rock true density range from 2.37 g/cm3to 2.65 g/cm3,the density of nature block is from 2.30 to 2.60 g/cm3,naturalwater content is from 2%to 5%,Porosity rang from 3.60%to 4.80%.the clay rock per meability coefficient almost is 10 to11m/s,specific surface range from 12.6 to 21.2 m2/g(avergae is16.7m2/g).Referring to the requirements and standards of clay rock disposal repository site selection in foreign developed countries,and according to the requirements of high-level radioactive waste geological repository in our country,we infer that the clay rocks in Longdong region basically meet the requirements of high level radioactive waste geological repository,especially the Porosity and adsorption performance of the clay rocks more suitable for high-level radioactive waste geological repository than other candidate surrounding rock.

high-level radioactive waste;host rock;claystone;osmosis

TL942

A

1674-3504(2011)02-111-06

10.3969/j.issn.1674-3504.2011.02.003

2011-03-25

车 申(1985—),男,东华理工在读研究生,专业方向高放废物地质处置。E-mail:05041768@163.com