Химические и минералогические изменения.

Создание подземных выработок будет нарушать природную взаимосвязь вмещающей породы и подземных вод (вода, соляной раствор). Существование выработок само по себе будет вводить кислород, а также вызывать изменения в напряженном состоянии массива и гидравлических градиентах. Использование таких конструкционных материалов как бетон и сталь, также как и контейнеры с отходами, которые могут включать металлические упаковки, закладочные материалы в могильнике создают возможность для изменений в минералогии вмещающей породы и химии подземных вод. Тепловыделения отходов будут увеличивать этот потенциал для изменений. Изменения в минералах могут повлиять на химию воды, а также изменить гидрологические свойства.

Соляные формации. Соли во многих случаях содержат, кроме породообразующего минерала галита, второстепенные минералы (ангидрит, полигалит и кизерит) в количествах, изменяющихся до 10% (весовых), и рассеянные глинистые минералы (карбонаты и битумы) до 0,1% (весовых). Эти минералы встречаются в виде тонких слоев или распределяются гомогенно в породообразующем минерале галите.

Термическая дегидратация (потеря воды) второстепенных минералов полигалита и кизерита начинается при температуре менее 200 ^оС, а выделение компонентов, адсорбированных на границе кристаллов, происходит при температуре несколько выше температуры окружающей среды. В условиях, когда зона захоронения подвергается воздействию повышенной температуры, часть таких летучих компонентов будет выходить. Количество вышедших компонентов будет зависеть от пористости и проницаемости вмещающей породы в зоне захоронения.

Вода, выходящая из гидратированных (содержащих воду) минералов и из жидких включений, которые проникают, например, в скважину, содержит около 55% (вес) растворимых компонентов.

Газы, которые выходят из соляной породы или образованы в результате теплового воздействия, могут вызвать коррозию металлических контейнеров при контакте с ними.

В целом, ситуация, связанная с химическими и минералогическими изменениями во вмещающей породе, зависит от того, что происходит с вышедшими и образованными летучими компонентами. Они могут задерживаться кристаллической решеткой или на границах кристаллов, т.к. коэффициент диффузии и проницаемость являются слишком низкими для миграции внутрь шпуров или вне вмещающей породы. Если скважина запечатана и если вмещающая порода непроницаема, то общая система может создать в себе самой давление до геостатического давления.

Кристаллические породы. Граниты состоят в основном из кварца и полевого шпата со слюдами (мусковит и биотит) и небольшого количества других акцессорных минералов. Все эти минералы являются стабильными, если нагреваются до высокой температуры в отсутствие воды. Однако при давлении 10 МПа и в присутствие воды слюды видоизменяются при температуре 315 ^оС, образуя калиевые полевые шпаты. Полевые шпаты могут быть образованы и при более низких температурах. Жидкие включения в кварце могут испаряться при высоких температурах, расширяя кристаллы и оказывая высокое давление, и в конечном счете может произойти разрушение кристаллов. Обычно считается, что граниты, не имеющие открытых трещин, должны иметь низкую пористость и должны быть относительно непроницаемыми. В результате нагрева и термических напряжений закрытые трещины на глубине могут открываться, образуя путь для движения воды внутрь и из могильника. В присутствие воды гранит ведет себя различным образом и поскольку отношение жидкость/вода повышается, то существенно меняется геохимия. Вследствие давления жидкости, называемого межгранулярным статическим давлением жидкости, трещинным или пустотным давлением или термически обусловленным давлением жидкости, порода становится более или менее насыщенной. При этом давлении и высокой температуре минералы могут трансформироваться и становиться растворимыми в воде, вызывая сложные химические реакции. Учитывая эти факторы, в существующих проектах для могильников в гранитах предполагается, что температура породы всегда будет ниже 200 ^оС.

Глинистые породы. Глины могут содержать различное количество неглинистых минералов такие как карбонаты и кварц. Они видоизменяются от неконсолидированных глин до уплотненных глин и до высоко консолидированных и метаморфических кровельных сланцев. Нагрев глинистых пород приводит к потере воды. При температуре 400 ^оС из глинистых минералов выходит большая часть воды, которая затрагивает природу минералов. Минералогические изменения, наблюдаемые в глинах, являлись следствием повышенных температур и давления, обусловленных глубиной их залегания. Поэтому глинистые формации, которые подвергались термическому метаморфизму в результате проникновения магмы, изучаются в качестве примеров экстремальных термических изменений. Эти формации, подвергавшиеся метаморфизму и трансформировавшиеся в прочные породы с малым содержанием воды, ведут себя подобно кристаллическим породам в условиях высоких температур, давления и радиации.

Вода, вышедшая из глинистых материалов и любых других водосодержащих минералов, может оказывать влияние на скорость коррозии контейнеров с отходами и деградации формы отходов. Однако при температуре ниже 150 ^оС не ожидается влияние на целостность могильника в глинах. В существующих проектах могильников в глинистых формациях предполагается, что температура вмещающей породы не будет превышать 100 ^оС.

Туфы. Туфы образуются в результате аккумуляции стекловидных фрагментов, изверженных взрывным образом из вулкана. В зависимости от условий извержения, образующаяся порода может быть стекловидной или микрокристаллической. Только туфообразные породы, которые в настоящее время рассматриваются в качестве для могильников, являются спекшимися, раскристаллизованными туфами, состоящими из очень мелкозернистого кварца, кристобалита и щелочного полевого шпата с умеренным количеством смектита (глинистого минерала).

Предполагаемый могильник в Юкка-Маунтин (США) будет размещаться выше уровня грунтовых вод в ненасыщенной зоне. Порода-кандидат имеет пористость около 1% и 1-3 трещины на метр. В условия окружающей среды поры частично заполнены водой, которая выйдет из пор при нагреве при размещении отходов. Поскольку давление в порах на глубине могильника составляет примерно 1 атм, вода не может вернуться в регион пока порода имеет температуру ниже 100 ^оС. Поэтому рассматриваются два термальных периода: начальный период сухого тепла при температуре выше 100 ^оС и период, когда вода вновь вернется в поровое пространство и установит частично насыщенную среду при температуре ниже 100 ^оС.

Два минерала в составе туфа будут подвергаться изменениям в период сухого нагрева. Смектит в своей структуре содержит некоторое количество воды. При нагреве свыше 100 ^оС эта воды выходить и глины будут сжиматься до 50%. Типичное содержание глины в породе не превышает 2%, поэтому общее влияние на породу будет небольшим. Вторым минералом, который может изменяться при сухом нагреве, является кристобалит, который подвергается фазовому переходу (альфа→бета структура) при температурах выше 200 ^оС. Этот переход сопровождается увеличением объема на 3,8%. Поскольку содержание кристобалитов в некоторых секторах породы составляет порядка 40%, то возможно общее увеличение объема породы до 1,6%. В некоторой степени такое увеличение в объеме может быть скомпенсировано уменьшением объема вследствие дегидратации глины и некоторым снижением пористости.