热梯度下膨润土-水相互作用中蒙脱石结构氢氧同位素交换的追踪研究及其在核废料屏障材料中的应用

推荐：研究人员针对核废料深地质处置中膨润土缓冲材料的热稳定性问题，通过ABM2和ABM5实验追踪蒙脱石结构H-和O-同位素交换过程，发现H-同位素在130-150°C可达平衡而O-同位素需溶解/再沉淀机制，为屏障材料性能评估提供同位素示踪新方法。

　　

在核废料深地质处置领域，膨润土因其优异的吸附和膨胀性能被广泛用作工程屏障材料。然而，长期高温环境下膨润土主要成分蒙脱石与地下水间的相互作用机制尚不明确，特别是结构H-和O-同位素交换的温度阈值和动力学过程存在争议。传统观点认为蒙脱石同位素组成在成岩后保持稳定，但实验室数据与自然观测结果存在矛盾，这直接影响着屏障材料长期性能评估的准确性。

瑞典核燃料与废物管理公司(SKB)在?sp?硬岩实验室开展的替代缓冲材料(ABM)实验为破解这一难题提供了独特条件。研究人员通过分析ABM2(低温实验)和ABM5(高温实验)中五种商业膨润土(Febex、MX80等)的<2μm蒙脱石组分，首次系统追踪了长达数年的热梯度作用下H-和O-同位素交换规律。

研究采用的关键技术包括：1) 膨润土<2μm组分的离心分离和K⁺饱和处理；2) 稳定同位素质谱分析(德国哥廷根大学完成H同位素，加拿大西安大略大学完成O同位素)；3) 基于Yeh(1980)和Sheppard-Gilg(1996)方程的平衡模型计算；4) ?sp?地下水同位素组成测定(Picarro L2140-i分析仪)。

氢同位素在ABM2和ABM5膨润土中的变化
数据显示所有材料在ABM2中均呈现向加热接触面(0cm)δ²H降低趋势，其中Kunigel、MX80和Rokle变化最显著。130-150°C时δ²H接近理论平衡值(-87.2±7.2‰)，表明质子交换是主要机制。ABM5样品则显示更强的同位素均一化，证实高温促进H交换。

氧同位素交换特征
δ¹⁸O变化幅度(约4‰)远小于δ²H，且始终未达平衡。计算表明最高温(250°C)时仅约30%结构氧发生交换，支持溶解/再沉淀机制。这与ABM5中观察到的蒙脱石四面体Al³⁺/Si⁴⁺替换现象相互印证。

讨论与意义
该研究首次量化了自然环境中蒙脱石-水系统的同位素交换阈值：H交换起始温度低至80°C，130°C可达平衡；而O交换需≥100°C且伴随矿物重构。这一发现不仅修正了O'Neil-Kharaka(1976)经典实验中300°C才发生O交换的认知，更揭示了同位素在评估工程屏障性能中的示踪价值——H同位素可灵敏反映质子交换过程，O同位素则能捕捉矿物微结构改变。

研究结果对多个领域产生深远影响：1) 为核废料处置库安全评估提供同位素指标；2) 证实古气候研究中膨润土H同位素易受后期流体改造；3) 揭示矿床学中粘土矿物O同位素保存性优于H同位素。未来研究需结合透射电镜(TEM)等微区技术，进一步阐明不同结构位点氧的交换差异性。

该成果发表于《Applied Clay Science》，通过长达数年的原位实验填补了实验室研究与地质实际间的空白，为理解粘土矿物-流体相互作用提供了全新视角。研究团队创新性地将同位素地球化学与核废料工程相结合，展示了基础研究解决重大工程问题的典范路径。