Compilation of Kinetic Data for Geochemical Calculations

地球化学計算のための速度論データの収集

Arthur, R. C,*; Savage, D.*; 笹本 広   ; 柴田 雅博 ; 油井 三和

Arthur, R. C,*; Savage, D.*; Sasamoto, Hiroshi; Shibata, Masahiro; Yui, Mikazu

本報告書では、長石、層状珪酸塩、沸石、酸化物、輝石、角閃石に対する34種類の水和反応を対象に速度定数、反応次数、活性化エネルギーを含む速度論データを収集・整理した。また、同様に方解石と黄鉄鉱に対する速度論データも収集・整理した。これらのデータは、地球化学コードであるEQ3/6やGWBで用いられている表面反応支配・遷移状態理論に則した速度則に適合する。上述した水和反応の速度論データは、厳密には、平衡状態からかけ離れた非平衡状態における遷移状態速度則に適合するものである。これらのデータは、平衡状態からかけ離れた非平衡状態および平衡状態に近い状態における速度則にも概念的には適合するものであるが、その妥当性は、元文献の実験結果の解析を通じて可能な限り確認されるべきである。鉱物-水反応に関する速度論データの適用性の限界を考慮し、地下水水質形成の地球化学モデルの評価を単純化する上で、可能な場合、部分平衡を仮定することは有効な方法である。部分平衡の仮定が妥当であるかどうか評価するため、部分平衡の空間的、時間的スケールを評価するために用いられる水理および水-岩石反応を結合したモデル化手法について記述した。この様なモデル化手法は、釜石原位置試験場における割れ目中での地下水流れを含む条件に対して適用され、また、酸化性の地表水が結晶質岩における高レベル放射性廃棄物の処分深度にまで達するのに要する時間を評価するためにも用いられた。部分平衡が妥当な仮定であるかどうかといった疑問に対しては、適切なモデル化手法をもとに検討されるべきである。上述したモデル化手法を用いて、釜石サイトでの条件に適用するためには、割れ目充填部は多孔質媒体に近似でき、地下水の流れは単なる移流のみであり、母岩マトリクス方向への拡散は生じないことになる。さらに、平衡状態に達するまでの距離と同じか、それよりも長い距離に渡って、割れ目の鉱物学的特性や物理学的特性が均一でなければならない。もしこの様な条件下において、以下の状態であるならば、釜石サイトにおける地下水水質形成モデルにおいて部分平衡を仮定することが妥当であると推測される。・方解石、濁沸石(その溶解・沈殿挙動が輝沸石に類似すると仮定)、濁沸石、葡萄石、(石英は含まない)・ダルシー流速は比較的小さい(たとえば、約0.1myr-1)・平衡状態に関する不確実性として、飽和指数で+-0.4を誤差 ...

Kinetic data, including rate constants, reaction orders and activation energies, are compiled for 34 hydrolysis reactions involving feldspars, sheet silicates, zeolites, oxides, pyroxenes and amphiboles, and for similar reactions involving calcite and pyrite. The data are compatible with a rate law consistent with surface reaction control and transition-state theoly, which is incorporated in the geochemieal software package EQ3/6 and GWB. Kinetic data for the reactions noted above are strictly compatible with the transition-state rate law only under far-from-equilibrium conditions. It is possiblethat the data are conceptually consistent with this rate law under both far-from-equilibrium and near-to-equilibrium conditions, but this should be confirmed whenever possible through analysis of original experimental results, Due to limitations in the availability of kinetic data for mineral-water reactions, and in order to simplify evaluations of geochemical models of groundwater evolution, it is convenient to assume local-equilibrium in such models whenever possible. To assess whether this assumption is reasonable, a modeling approach accounting for coupled fluid flow and water-rock interaction is described that can be used to estimate spatial and temporal scale of local equiliblium. The approach is demonstrated for conditions involving groundwater flow in fractures at JNC's Kamaishi in-situ tests site, and is also used to estimate the travel time necessary for oxidizing surface waters to migrate to the level of a HLW repository in crystalline rock. The question of whether local equilibrium is a reasonable assumption must be addressed using an appropriate modeling approach. To be appropriate for conditions at the Kamaishi site using the modeling approach noted above, the fracture fill must closely approximate a porous medium, groundwater flow must be purely advective and diffusion of solutes across the fracture-host rock boundary must not occur. Moreover, the ...