基于CT扫描与机器学习的裂隙结晶岩中膨润土质量损失定量研究：瑞士Grimsel试验场案例

为解决放射性废物地质处置中膨润土屏障长期稳定性评估难题，研究人员通过4.5年原位实验结合X射线计算机断层扫描(CT)和随机森林(RF)机器学习算法，定量分析了瑞士Grimsel试验场裂隙剪切带内FEBEX膨润土的质量损失。研究发现侵蚀速率(<2 kg/m2/a)比安全评估标准低两个数量级，为核废料处置库安全设计提供了关键数据支撑。

　　

在核废料地质处置领域，膨润土因其优异的自密封性和低渗透性被广泛用作工程屏障材料。然而，当这种黏土遇到裂隙岩体中的地下水时，可能发生膨胀侵蚀并形成胶体，进而影响其长期屏障性能。目前，安全评估中使用的膨润土质量损失模型主要基于理想化平行板假设，而真实裂隙系统的复杂几何特征使得传统方法难以准确量化侵蚀过程。更关键的是，现有实验数据与安全标准要求的500-1500 kg/m²/a阈值存在两个数量级的差异，亟需在真实地质条件下获取精确的侵蚀速率数据。

针对这一挑战，瑞士国家放射性废物处置合作组织(Nagra)等机构的研究团队在具有典型冰川水文条件的Grimsel地下实验室开展创新研究。通过为期4.5年的原位实验(LIT)，将含90%蒙脱石的Ca-Mg型FEBEX膨润土环置于与剪切带相交的钻孔中，利用CT扫描结合数字岩石物理(DRP)和机器学习技术，首次实现了对真实裂隙系统中膨润土侵蚀的三维定量表征。相关成果发表在《Applied Clay Science》上，为核废料处置库安全评估提供了关键实验依据。

研究采用三项核心技术：1) 在裂隙结晶岩中实施长期原位实验，使用含Zn标记合成蒙脱石的FEBEX膨润土环(干密度1.65 Mg/m³)；2) 采用0.39 mm分辨率CT扫描获取800 mm岩芯的三维数据；3) 应用随机森林(RF)算法进行37维特征的多相分割，通过非局部均值滤波(NLMF)降噪并建立数字孪生模型。同时通过LIBD和ICP-MS持续监测胶体浓度(0.005-1.7 mg/L)。

3.1 RF分割
通过比较7种高斯滤波器(σ=0.3-10)提取的纹理特征，RF算法成功区分了钢芯、膨润土环(灰度值74±71)、断层泥和开放裂隙等相。非局部均值滤波使信噪比提升3倍，而区域兴趣(ROI)选择将分割误差降低40%。

3.2 断层孔径分析
三维重建显示剪切带呈网状结构，平均孔径2.90±1.09 mm，表面积体积比1.067。连接主孔与监测孔CFM11.002的通道孔径最大(2.99±0.91 mm)，与水力测试结果高度吻合。

3.3 膨润土侵蚀评估
两种情景分析表明：当部分侵蚀体素(41,789个)孔隙度按72.7%计算时，侵蚀速率为0.99 kg/m²/a；若全部视为完全侵蚀(100%孔隙度)，上限值为1.31 kg/m²/a。空间分布显示45%侵蚀发生在CFM11.002方向，与最大孔径区域一致。胶体监测数据(0.002-0.107 kg/m²/a)显著低于CT结果，表明胶体在裂隙中存在滞留效应。

该研究通过创新性地融合原位实验与机器学习图像分析，首次在真实地质条件下证实：1) FEBEX膨润土在低矿化度(2 mM)地下水环境中的侵蚀速率比安全阈值低2个数量级；2) 裂隙几何非均质性导致侵蚀呈现明显的方向性分布；3) 胶体监测可能低估实际侵蚀量。这些发现不仅验证了膨润土屏障在冰川水文条件下的长期稳定性，其建立的DRP-RF分析方法更为复杂裂隙系统中的多相相互作用研究提供了新范式。研究团队特别指出，未来需结合DLVO理论进一步探究Ca-Mg型与Na型膨润土在粗糙裂隙中的侵蚀机制差异，为不同地质环境的处置库设计提供定制化解决方案。