Relationship between petrographic texture and swelling property in cemented bentonite ores

セメンテーションされたベントナイト原鉱石における岩石組織と膨潤圧との関係

石渡 翔丸*; 菊池 亮佑*; 大竹 翼*; 佐藤 努*; 川喜田 竜平  ; 高山 裕介  ; 三ツ井 誠一郎  

Ishiwata, Tobimaru*; Kikuchi, Ryosuke*; Otake, Tsubasa*; Sato, Tsutomu*; Kawakita, Ryohei; Takayama, Yusuke; Mitsui, Seiichiro

高レベル放射性廃棄物の地層処分で緩衝材として用いられるベントナイトは、長期的には変質して本来求められるバリア機能が低下する可能性が指摘されている。ベントナイトの変質の一つであるセメンテーションによって緩衝材の膨潤圧の低下といった影響が生じることが指摘されているが、セメンテーションによる膨潤圧低下の根本的なメカニズムの解明にまでは至っていない。こうしたメカニズムの理解には、セメンテーションを引き起こす物質の特定だけでなく、セメンテーションによる岩石組織の変化への理解が不可欠である。本研究では、セメンテーションのナチュラルアナログとして、山形県大江町の月布鉱山の複数のベントナイト層から採取した原鉱石に対し、微細な組織の観察と膨潤圧試験を行い、セメンテーションの要因と膨潤圧との関係について考察を行った。乾式研磨法によりベントナイトの薄片試料を作製し、セメンテーションされたベントナイト原鉱石の微細な組織の観察を行った。走査型電子顕微鏡(SEM)で観察したところ、火山灰に元から含まれる粗大な石英や斜長石のほか、モンモリロナイトのマトリクス上に自生と思われる数mほどの微細なシリカ鉱物が普遍的に分布している様子が確認された。透過型電子顕微鏡(TEM)を用いてさらに詳細に観察したところ、微細なシリカ鉱物は石英やアモルファスシリカなどであり、モンモリロナイト端面に微細なシリカ鉱物が固着している箇所が確認された。こうした鉱物組織が原鉱石の膨潤圧の低下の要因として考えられた。さらに、このような組織は、複数のベントナイト層から採取した試料すべてで確認された一方で、モンモリロナイトと微細なシリカ鉱物の量比は試料によって大きく異なり、試料ごとにセメンテーションの程度に違いがあることを明らかにした。このような程度の違いが膨潤圧の低下量に影響を及ぼす可能性が示唆された。

It is known that the cementation of bentontie may cause the reduction of swelling pressure. However, fundamental mechanism of this reducing swelling pressure has not been well understood. To understand the mechanism, it is essential to identify the cementitious materials and observe the changes in microstructure associated with cementation. In this study, the microstructural observation and swelling tests were conducted on several bentonite ores collected from Tsukinuno Mine in Yamagata Prefecture, Japan, as natural analog of cementation, and the relationship between petrographic texture and swelling pressure was discussed. Thin sections of bentonite ores were prepared by dry polishing technique to observe flat surfaces in micro scales. Scanning electron microscopy (SEM) demonstrated the widespread distribution of authigenic, a few micron silica in the matrix of montmorillonite. Transmission electron microscopy (TEM) revealed that the micro silica minerals (commonly quartz and less commonly amorphous silica) adhered to the edge of montmorillonite grains. These observations suggest that the adherence of these cementitious materials to montmorillonite prevents water access to the interlayer of montmorillonite and swelling, resulting in a decrease in swelling pressure. While these microstructures were observed commonly in all samples collected from several bentonite beds, the relative abundance of montmorillonite and micro silica minerals varied among different beds. It is possible that the swelling pressure in the cemented bentonite is affected by the relative abundance of montmorillonite and cementitious materials.