黏土岩气体测试协议对比研究及其在核废料地质处置库安全评估中的意义

为解决不同实验室气体入侵实验协议差异导致的黏土岩样本可比性问题，西班牙加泰罗尼亚理工大学(UPC)与瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)团队在EURAD项目框架下，采用等效测试协议对比研究了Boom Clay与Opalinus Clay的气-水-力学响应特征。研究揭示了协调实验方法对理解地质处置库气体运移机制的关键作用，为多国机构协作提供了方法论范本。

　　

随着全球核能应用的持续发展，高放废物地质处置库的安全性问题日益凸显。黏土岩因其低渗透性和强吸附能力，被广泛视为理想的天然屏障材料。然而，处置库运行过程中产生的衰变气体会在黏土屏障中积聚并形成复杂的气-水-力学耦合过程，这直接关系到库体结构的长期稳定性。目前国际上面临的核心难题是：不同实验室采用的气体测试协议存在显著差异，导致实验结果难以横向比较，严重制约了气体运移机制的系统认知。

针对这一挑战，西班牙加泰罗尼亚理工大学岩土工程实验室与瑞士洛桑联邦理工学院土壤力学实验室在欧盟EURAD（欧洲放射性废物处置联合研究计划）支持下，开展了一项开创性的对比研究。研究人员选取欧洲两种典型黏土岩——比利时Boom Clay和瑞士Opalinus Clay作为研究对象，首次采用标准化的等效测试协议，系统表征了这两种材料在气体入侵过程中的渗透性演变规律和水-力学耦合响应特征。该研究成果发表于《Environmental Geotechnics》，为建立国际统一的黏土岩气体测试标准提供了重要科学依据。

研究团队主要运用了三项关键技术：1) 改进型气体渗透仪（gas permeameter）用于精确控制进气压力梯度；2) 高精度体变测量系统监测样品饱和度的动态变化；3) X射线断层扫描(X-ray CT)非破坏性表征微观结构演变。所有样本均来自EURAD项目建立的标准化岩芯库，确保了材料来源的可追溯性。

【水力学响应特征】通过控制变量实验发现，两种黏土岩的气体突破压力（gas breakthrough pressure）均与初始饱和度呈负相关，但Opalinus Clay表现出更显著的压力滞后效应。X射线CT显示这与黏土矿物层间水的差异性分布有关。

【力学变形机制】三轴试验数据表明，Boom Clay在气体入侵时产生的膨胀应变比Opalinus Clay高约30%，这与其较高的蒙脱石含量直接相关。数字图像相关(DIC)技术捕捉到了应变局部化现象的空间分布规律。

【协议可比性分析】通过交叉验证两组实验室数据，证实标准化协议可将结果离散度降低至15%以内，显著优于传统方法的40-50%变异范围。这主要归功于统一的样品预处理流程和边界条件控制标准。

该研究首次证实：在严格控制的实验条件下，不同实验室能够获得高度可重复的黏土岩气体运移参数。这一突破不仅解决了长期困扰该领域的数据可比性难题，更建立了跨国协作研究的成功范式。特别值得注意的是，研究发现气体在低渗透性黏土中的运移并非简单的达西流(Darcy flow)，而是受控于复杂的裂隙-基质相互作用，这对现有数值模拟工具提出了改进要求。正如研究者Emmanuel Romero和Lyesse Laloui在讨论部分强调的，这项工作为下一代地质处置库安全评估指南的制定奠定了实验基础，其方法论框架可扩展应用于页岩气开发、CO₂地质封存等多个能源地质领域。