NMR characterization of the permeability and structure of Boda Claystone Formation (BCF)

Abstract

Summary. High-level radioactive waste can be safely disposed of in deep geological repositories, for which a possible geological environment in Hungary is the Boda Claystone Formation. In the repository site selection, the geochemical investigation of the host rock is necessary including the structural characterization. In this study, the porosity (p%~1.5% and 5.84%) and the T2cutoff value (0.12 ms and 0.10 ms) of two siliciclastic rocks was determined by desktop low-field NMR, the value of which differed from the 3 ms accepted for clay-bound water and the 33 ms for movable water in clastic reservoirs. Based on the T2cutoff, the producible porosity was found to be high, however, based on the T2 distributions, the bound-water types dominate the composition of the water phase of the rock. Összefoglalás. Magyarországon a nagy aktivitású radioaktív hulladékok végső elhelyezése még nem megoldott probléma. Az IAEA ajánlásai alapján az ilyen hulladékok hosszútávú és biztonságos elhelyezése mély geológiai tárolókban valósítható meg, melynek kiválasztása folyamatban van. Az országos felmérés (screening) alapján a Bodai Aleurolit Formáció (BAF) bizonyult a legígéretesebb kőzetnek, melynek széleskörű jellemzése elengedhetetlen a tároló kialakításához. A tároló kőzet pórusszerkezetének, kötött és mobilis víztartalmának, permeábilitásának vizsgálata fontos a kőzet radionuklid visszatartó képességének szempontjából, valamint szükséges bemenő adatokat szolgáltat a radioaktív hulladéktároló létesítmények biztonsági elemzéséhez szorosan kapcsolódó modellszámításokhoz. Munkánk során kisterű mágneses magrezonanciás módszerekkel (NMR) jellemeztünk két különböző mélységből származó furatmintát (BCF1 és BCF2). A mintákban található víz T2 relaxációs ideje alapján meghatároztuk a különböző víztípusokat és az általuk kitöltött pórusok méretét és arányát. Jellemzően három víztípust tudtunk elkülöníteni: az agyagos fázishoz kötött vizet (51-77%, d ~ 0.6 nm), a kapillárisokban kötött vizet (20-43%, d ~ 2-40 nm) és a nagyobb pórusokat kitöltő eltávolítható vizet (3-6%, d ~ 200-400 nm). A modell oldattal telített kőzetminták T2 relaxációs idő eloszlásai alapján meghatároztuk azok porozitását (P% ~1,5% és 5,84%), melyek jó egyezést adtak a korábban He- piknométerrel és Hg porozimetriásan meghatározott értékekkel. A kőzet permeábilitására utaló és a kötött-mobilis vizek arányát jellemző T2cutoff értékeket (0,12 ms és 0,10 ms) a mintákat oldattal telítve, majd 105°C-on történő szárításukat követően ezek jellemzéséből határoztuk meg. Az így kapott értékek eltérnek az irodalomban törmelékes kőzetekre elfogadott 33 ms-tól, illetve a kőzetek agyagos fázisához tartozó 3 ms-tól. A T2cutoff alapján meghatároztuk a mobilis–kötött víz arányát (FFI/ BVI), mely alapján a minták nagy mennyiségben tartalmaznak eltávolítható vizet, azonban a T2 eloszlások alapján a kötött víztípusok a dominásnak. A T2cutoff értékét és az FFI / BVI arányát jelentősen befolyásolhatja a kőzet szárításának módja, mivel a magas hőmérsékleten való szárítás az agyagos fázis vízvesztéséhez vezethet, mely így befolyásolhatja a minta száraz állapotú porozitását. Ezentúl, NMR MoUSE segítségével, egy még vákuumcsomagolt kőzetminta esetén elvégeztük annak felületi térképezését, mellyel el tudtuk különíteni az eltérő víztartalmú, ásványi összetételű részeit a furatmintának.