Pore connectivity influences mass transport in natural rocks; Pore structure, gas diffusion and batch sorption studies

Yuan, X.*; Hu, Q.*; Lin, X.*; Zhao, C.*; Wang, Q.*; 舘 幸男; 深津 勇太; 濱本 昌一郎*; Siitari-Kauppi, M.*; Li, X.*

Journal of Hydrology, 618, p.129172_1 - 129172_15, 2023/03

https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2023.129172

Mass transport in geomedia as influenced by the pore structure is an important phenomenon. Six rocks (granodiorite, limestone, two chalks, mudstone, and dolostone) with different extents of heterogeneity at six different particle sizes were studied to describe the effects of pore connectivity on mass transport. The multiple methods applied were porosity measurement, gas diffusion test, and batch sorption test of multiple ions. Porosity measurement results reveal that with decreasing particle sizes, the effective porosities for the "heterogenous" group (granodiorite and limestone) increase, whereas the porosities of "homogeneous" group (chalks, mudstone, and dolostone) roughly remain constant. Gas diffusion results show that the intraparticle gas diffusion coefficient among these two groups, varying in the magnitude of 10 to 10 m/s. The batch sorption work displays a different affinity of these rocks for tracers, which are related to their mineral components. For granodiorite, mudstone, and dolostone, the adsorption capacity increases as the particle size decreases, due to higher specific surface area in smaller particle-size. In general, this integrated research of grain size distribution, rock porosity, intraparticle diffusivity, and ionic sorption capacity gives insights into the pore connectivity effect on both gas diffusion and chemical transport behaviors for different lithologies and/or different particle sizes.

風化黒雲母およびカオリナイトにおけるセシウム収着構造

辻 卓也; 松村 大樹; 小林 徹; 矢板 毅

SPring-8/SACLA利用研究成果集(インターネット), 11(1), p.15 - 18, 2023/02

https://doi.org/10.18957/rr.11.1.15

風化黒雲母の様な層状粘土鉱物では様々な収着サイトが存在すると考えられており、その中でもCsイオンは層間に取り込まれると考えられている。一方でカオリナイトのような粘土鉱物においては、層間に陽イオンを持たないことから、表面・端面サイトにのみ収着すると考えられている。本研究では福島第一原子力発電所事故後に放射性Csにより汚染された実土壌に近い濃度のCs収着粘土鉱物試料を調製しCs K吸収端におけるX-ray Absorption Fine Structure (XAFS)測定を行い、風化黒雲母とカオリナイトにおけるCs周りの局所構造の違いを観測した。結果、層間サイトに収着していると思われる風化黒雲母と表面・端面サイトに収着していると思われるカオリナイトとでは、特に低濃度領域においてCs周りの局所構造が大きく異なることが判明し、Cs収着様式によってCsイオンの収着安定性が大きく異なることが示唆された。

Quasielastic neutron scattering of brucite to analyse hydrogen transport on the atomic scale

奥地 拓生*; 富岡 尚敬*; Purevjav, N.*; 柴田 薫

Journal of Applied Crystallography, 51, p.1564 - 1570, 2018/12

AA2018-0399.pdf:1.07MB

https://doi.org/10.1107/S1600576718013158

中性子準弾性散乱(QENS)は、鉱物結晶格子内で起こる原子スケール水素拡散プロセスを分析するための新規かつ有効な方法であることが実証されている。この方法は、凝縮体中の拡散性が高い水素原子または水分子の拡散頻度および距離を分析するために敏感であると以前から考えられていた。本論文では、水酸基として結晶格子に結合している非常に遅い運動の水素原子の拡散運動を分析する応用研究の結果が示されている。ブルーサイト鉱物( brucite)、Mg(OH)では、水素原子の単一の二次元層面内でのジャンプとそれに最も近い次の層へのジャンプの2種類の水素拡散プロセスが観察された。ブルーサイトの結晶構造内で観察されるこれらの拡散プロセスは、層状構造を有する様々な種類の酸化物およびミネラル内で起こる水素拡散現象にQENS測定が適用可能であることを示している。

真空加熱による粘土鉱物からのセシウム脱離挙動; 放射光を用いたX線光電子分光法及び昇温脱離法による分析

平尾 法恵; 下山 巖; 馬場 祐治; 和泉 寿範; 岡本 芳浩; 矢板 毅; 鈴木 伸一

分析化学, 65(5), p.259 - 266, 2016/05

https://doi.org/10.2116/bunsekikagaku.65.259

福島原子力発電所事故後の放射能汚染の主な原因であるCsは土壌中の粘土鉱物に強く固定されており、土壌除染のため様々なCs除去法が開発されている。本手法は、乾式法によるCs除去法として、乾式法における処理温度の低減を目的とし、真空溶融塩処理法を提案する。非放射性Csを飽和収着させたバーミキュライトを真空加熱し、X線光電子分光法を用いて加熱前後のCs含有量変化を分析した。バーミキュライトのみを用いた場合は、800C 3分間の加熱で約4割のCsが除去された。NaCl/CaCl混合塩をバーミキュライトに添加した場合は、450C 3分間の加熱で約7割のCsが除去されることを見いだした。これらの結果から真空溶融塩処理法による大幅な処理温度の低下と除去効率の向上が期待できる。

SHRIMP measurements of U and Pb isotopes in the Koongarra secondary ore deposit, northern Australia

永野 哲志; 佐藤 努*; Williams, I. S.*; Zaw, M.*; Payne, T. E.*; Airey, P. L.*; 柳瀬 信之; 磯部 博志*; 大貫 敏彦

Geochemical Journal, 34(5), p.349 - 358, 2000/10

https://doi.org/10.2343/geochemj.34.349

オーストラリア・クンガラウラン鉱床において、ウランは一次鉱床から地下水によって流され風化生成物である鉄鉱物に濃集し二次鉱床を形成している。本報では、二次鉱床中におけるウランの挙動についてのタイムスケールを得ることを目的として行った、高感度・高分解能イオンマイクロプローブ(SHRIMPII)によるウラン系列核種の放射能比測定の結果を報告した。鉄鉱物のうち、非晶質相からは1よりやや大きい値が、また結晶質相からはほぼ1に近い値が得られ、もし鉄鉱物が結晶化の過程で閉じていたとすれば、ウランが保持されてから少なくとも数百万年程度の年月が経過したことになる。一方、ウランに比べて動きにくい鉛の同位体比について分析したところ、二次鉱床内に存在する放射起源鉛には、風化が起こる前に一次鉱床から流れてきたものと、風化とともに流れ始めたが未だ一次鉱床近辺にとどまっているものがあることがわかった。

鉱物の顕微赤外分光法; 地球科学における新しい顕微状態分析法

中嶋 悟

日本電子ニュース, 27(1-2), p.12 - 17, 1987/02

天然の岩石の構成物質である鉱物については、X線マイクロアナライザーによって数mオーダーでの元素分布が知られるようになったが、今後は、これらの元素がどのような状態で存在するかについての情報も必要とされる。その1つの分析法として、鉱物の顕微赤外分光法は、非破壊で鉱物の微小領域の結晶構造や水の存在状態、多原子価元素の価数等の情報が得られ、鉱物の生成条件や2次的変化などの推定に有効である。フーリエ変換型顕微赤外分光計を用いて、天然の鉱物の20m領域での状態分析を試みた。岩石の割れ目(水みち)周辺での鉱物の水和現象などの研究は、岩石中での物質移動に関与した水の役割を明らかにできよう。また、地層中に存在する微量天然有機物のキャラクタリゼーションは、酸化還元条件に敏感な元素の還元による固定を調べる上で重要である。これらの研究は、顕微赤外分光法で可能となろう。

第一原理分子動力学に基づいたシミュレーションによる粘土鉱物におけるアルカリ金属イオンの吸着状態

池田 隆司

no journal, , 

Cs-137等の放射性同位元素を土壌から効率的に分離回収する技術の開発は福島の環境回復を進める上で喫緊の技術課題となっている。本研究では、土壌から放射性セシウムをより効率的に分離回収するための技術開発に資することを目的に、第一原理分子動力学に基づいたシミュレーションにより福島の土壌に豊富に含まれる放射性セシウムが吸着しやすい粘土鉱物へのセシウムイオンの吸脱着過程等を原子・分子レベルで調べている。今回は、バーミキュライト等が属す2:1型粘土鉱物の層間におけるアルカリ金属イオンの吸着状態を粘土層の組成を変えてメタダイナミクスにより系統的に調べた結果を報告する。

地質環境長期安定性評価確証技術開発,6; 炭酸塩鉱物測定技術

渡邊 隆広; 國分 陽子; 村上 裕晃; 横山 立憲; 雨宮 浩樹; 水野 崇; 久保田 満; 岩月 輝希

no journal, , 

地質環境の長期安定性を評価するためには、過去の地質環境の変動幅を把握し、その結果に基づいて将来の変動幅を推定するといった手法の構築が必要である。このためには、過去の地下水の流動特性や化学的条件(酸化還元電位やpH)を把握することが必要である。これまでに地下水の化学組成に基づいて、地下水の滞留時間を評価する試みが行われてきたが、過去の地下水の化学的条件の変遷を連続的に把握することは困難であった。一方、地下水から沈殿した炭酸塩鉱物は、沈殿当時の年代と化学的状態を示す成分(例えば、ウラン, 鉛, 鉄や希土類元素の相対量など)を保持している可能性が高い。岩盤中の割れ目を充填する炭酸塩鉱物を古環境指標として活用するためには試料の局所領域を数十マイクロメートル以下で分析可能なレーザーアブレーション付き誘導結合プラズマ質量分析装置(LA-ICPMS)が有効である。本技術開発においては、日本原子力研究開発機構土岐地球年代学研究所に導入したLA-ICP質量分析計を用いて、炭酸塩鉱物の局所領域のU-Pb年代測定について技術基盤の構築を進めた。さらに、過去の化学的状態を復元するため、炭酸塩鉱物と地下水間の鉄の分配係数をもとにした酸化還元電位推定手法の適用性を検討した。

Pore connectivity of clay materials implicated in fluid flow and chemical diffusion

Hu, Q.*; Wang, Q.*; Zhao, C.*; 舘 幸男; 深津 勇太

no journal, , 

低透水粘土バリア材料中の低拡散性は、放射性廃棄物処分場の長期性能評価において、重要な安全機能と認識されている。間隙の連結性が低い低透水粘土材料は、特異な拡散特性を示し、このことが長期拡散挙動に影響を及ぼす可能性が報告されている。日本の幌延URLの稚内層の泥岩、スイスのモンテリURLのオパリナス粘土岩、さまざまな頁岩や粘土鉱物の関連研究において、間隙構造の評価手法(水銀圧入法や中性子小角散乱法など)と、レーザーアブレーションICP-MSによるマイクロスケールでの元素分布分析を組合せたトレーサー試験手法が適用された。これらの試験結果から、間隙の連続性と拡散挙動の特異性との関係が得られた。間隙のサイズは低い透水性や拡散性の主要な要因ではなく、特異な拡散挙動は間隙の連結性に起因していることを明らかにした。