惰性与反应性示踪剂的扩散：法国Callovo-Oxfordian黏土岩中DIR现场试验综述

《Journal of Contaminant Hydrology》：Diffusion of inert and reactive tracers: Overview of the DIR field experiment in the Callovo-Oxfordian clay rock (France)

　　

DIR试验聚焦于Callovo-Oxfordian黏土岩中放射性核素的迁移行为。研究人员在完整岩石中量化了HTO、Br?、I?、Cl?、Na+、Cs+的迁移参数。通过多种建模方法评估了参数的稳健性。扩散剖面显示钻孔周围开挖损伤区（EDZ）范围有限。现场尺度测得的迁移参数与实验室数据一致。

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一、研究背景与科学问题

黏土岩因其低渗透性、高吸附能力和对阴离子的部分排斥作用，被广泛研究作为高放废物地质处置的潜在围岩。法国放射性废物管理机构（Andra）在巴黎盆地东部的Meuse/Haute-Marne地下实验室（URL）对Callovo-Oxfordian黏土岩（COx）开展了系统研究，以评估其作为处置库围岩的可行性。实验室扩散实验通常持续数十天至数年，能够量化黏土岩中的低扩散系数，但将这些数据外推到更大尺度和原位条件，对于安全论证至关重要。

然而，实验室数据能否真实反映地下原位条件仍存在不确定性。钻孔施工会诱发开挖损伤区（EDZ），其孔隙度和扩散特性可能与完整岩石显著不同；地下环境的温度、压力、地球化学条件也与实验室存在差异；此外，扩散各向异性、局部矿物学组成差异等因素都可能影响迁移参数的可靠性。因此，亟需开展原位扩散试验，验证实验室参数的适用性，并揭示现场尺度的特殊行为。

二、研究内容与总体结论

研究人员在COx地质建造内开展了惰性和反应性放射性示踪剂扩散试验（DIR），包括位于?490 m深度（DIR1002、DIR1003）和?445 m深度（DIR2001、DIR2003）的四个钻孔扩散实验。试验使用了多种化合物和放射性示踪剂，包括稳定Br^?、HTO、³⁶Cl^?、¹²⁵I^?、²²Na⁺、¹³⁴Cs⁺。反应输运模型同时拟合注入钻孔中活度衰减数据和岩石中的扩散剖面，量化了不同电荷溶质的扩散特性，并与实验室岩心样品数据进行了对比。结果表明，现场尺度测得的迁移参数与实验室数据一致，验证了实验室数据向地下大尺度条件的可外推性。同时，原位试验揭示了现场尺度的特殊性和Meuse/Haute-Marne URL地下条件的局部特征，扩散剖面显示钻孔周围开挖损伤区范围有限。

三、关键技术方法

研究人员采用了以下主要技术方法：

原位扩散试验装置与水力平衡：钻孔内安装封隔器（packer）系统，形成直径76 mm、长度1 m的扩散腔室，与地表循环系统相连，通过压力平衡消除平流输运影响，确保扩散为主导输运机制。

多示踪剂联合注入与监测：在四个钻孔中分别注入不同组合的示踪剂（如HTO、³⁶Cl^?、¹²⁵I^?、²²Na⁺、¹³⁴Cs⁺、Br^?），同步监测循环液中示踪剂浓度随时间衰减，并在试验结束时通过套钻取芯（overcoring，直径约30 cm）获取岩石扩散剖面。

一维径向扩散模型与参数反演：基于菲克第二定律建立一维径向扩散模型，考虑吸附滞留（以分配系数R_d表征），同时拟合液相监测数据和固相扩散剖面，反演有效扩散系数（D_e）、表观孔隙度（α）、扩散可达孔隙度（ε_a）等迁移参数。

多种建模方法交叉验证：采用多种独立建模方法对参数进行交叉验证，评估参数反演的稳健性。

四、研究结果

DIR试验设计与地球化学平衡：研究人员在注入示踪剂前进行了约600天的水力-化学预平衡，使循环液与岩石孔隙水达到化学平衡。合成孔隙水成分与目标值高度一致，离子强度稳定在约0.1 mol L^?1，pH约为7.0，氧化还原电位（E_h）约为?220至?210 mV/SHE。平衡过程确保了扩散试验在无化学扰动的条件下进行。

惰性示踪剂扩散行为：HTO作为中性保守示踪剂，其扩散行为反映了岩石基质的连通孔隙网络。Br^?、I^?、Cl^?等阴离子示踪剂表现出部分孔隙排斥效应，扩散可达孔隙度低于总孔隙度，反映了黏土矿物表面负电荷对阴离子的Donnan排斥作用。

阳离子示踪剂滞留行为：²²Na⁺和¹³⁴Cs⁺表现出明显的吸附滞留，其扩散剖面显示较浅的穿透深度和较高的固相浓度，反映了COx黏土岩对阳离子的高吸附能力。通过扩散模型反演获得了相应的分配系数（R_d）和表观孔隙度。

现场尺度与实验室数据一致性：现场试验获得的迁移参数与实验室岩心扩散实验数据在误差范围内一致，验证了实验室数据的现场可外推性。扩散剖面显示钻孔周围EDZ范围有限，其对迁移参数的影响在整体不确定性范围内。

不同深度岩性单元对比：?490 m深度（黏土含量约52%）和?445 m深度过渡单元（黏土含量约43%）的试验结果反映了矿物学组成差异对迁移参数的影响，但总体迁移参数仍处于同一数量级。

五、讨论与结论

讨论部分强调了原位试验在验证实验室数据外推性方面的关键作用。多种建模方法获得的一致参数增强了结果的可靠性。EDZ对扩散的影响有限，表明钻孔施工引起的岩石损伤对迁移性能的干扰可忽略。现场试验还揭示了循环液体积不确定性和初始活度校准的重要性，这些因素对参数反演精度有显著影响。

研究结论指出，DIR现场试验成功量化了COx黏土岩中多种惰性和反应性示踪剂的迁移参数，现场尺度数据与实验室数据的一致性为高放废物地质处置的安全论证提供了坚实支撑。该研究证实了实验室扩散参数向地下大尺度条件的可外推性，同时为理解COx地质建造的局部迁移特性提供了宝贵的原位数据。