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为探究地下水对黏土和碳酸盐富集沉积物的影响，研究人员对 Staffelegg 组钻孔岩心进行分析。结果发现地下水影响限于含水区域，可通过多种指标识别。该研究为核废料地质处置选址提供了重要参考。
在核废料处理的大舞台上，深埋地下的地质处置方式是全球公认的 “主角”，它能像坚固的盾牌一样，将高放射性废料（HLW）与人类社会和自然环境隔离开来，避免辐射危害。在众多可作为核废料 “藏身之处” 的岩石中，泥质岩，尤其是瑞士的 Opalinus 黏土备受关注。
长期以来，科学家们对 Opalinus 黏土展开了大量研究，可它下方的 Staffelegg 组却像是被迷雾笼罩，存在诸多未知。比如，其中的地下水分布情况不明，它与周围岩石的相互作用机制也不清楚，这些问题就像一个个谜题，阻碍着核废料地质处置安全性评估的脚步。为了揭开这些谜团，来自国外研究机构的研究人员踏上了探索之旅，相关成果发表在《Applied Geochemistry》上。
研究人员运用了多种关键技术方法。在钻孔与采样方面，于 2021 年在 Mont Terri 地下岩石实验室钻取了 58 米长的 BHS - 1 钻孔，从 Opalinus 黏土的下页岩相贯穿整个 Staffelegg 组直至 Klettgau 组顶部，并采集了约 200 个样本。分析流程上，通过 X 射线衍射（XRD）测定岩石矿物成分，利用 X 射线荧光光谱（XRF）和高分辨率电感耦合等离子体质谱（HR - ICP - MS）等手段分析主要、微量元素和稀土元素，还进行了主成分分析（PCA）等统计分析，以及测定岩石的物理性质，如密度、孔隙度等。
研究结果
- 岩石描述与地层分类：钻孔涉及的地层包括 Opalinus 黏土组、Staffelegg 组和 Klettgau 组。Opalinus 黏土组为均质泥岩；Staffelegg 组包含多个成员，各成员岩性差异明显，如 Gross Wolf 成员是生物碎屑泥灰岩，Rietheim 成员是含沥青的泥岩，Beggingen 成员是生物碎屑石灰岩且含水、裂隙发育；Klettgau 组岩性多样。
- 矿物学特征：Opalinus 黏土组和部分 Staffelegg 组成员黏土矿物含量高，以伊利石为主。Beggingen 成员几乎全由碳酸盐组成，含生物碎屑磷灰石。Rietheim 成员黄铁矿含量较高。整个剖面呈现黏土富集和碳酸盐富集交替的特征。
- 岩石地球化学特征：不同元素在各成员中的分布各异。Al、Si 等元素在 Opalinus 黏土组、Gross Wolf 成员等中含量较高；Ca 的分布与石灰岩相关；Mn 在 Beggingen 成员底部和 Rietheim 成员顶部富集；TOC 在 Rietheim 成员中较高。主成分分析将元素分为氧化还原敏感 / 有机、碳酸盐 - 磷灰石和硅质碎屑相关元素三组，不同成员在元素组成上差异显著。
- 岩石物理性质：岩石的干容重、孔隙度和含水量与矿物成分相关。碳酸盐富集区域干容重较高、孔隙度较低；Rietheim 成员因高有机含量，在与 Gross Wolf 成员边界处干容重突然降低。Beggingen 成员上部比下部含水量和孔隙度更高。
研究结论与讨论
研究表明，Staffelegg 组岩石的沉积和成因受多种因素影响。其沉积环境从陆地到海洋变化，碎屑输入和碳酸盐生产的变化影响了各成员的特征。氧化还原条件在不同成员中有所不同，Rietheim 成员在缺氧 - 富硫的底水条件下沉积，导致其 Fe/Al 比值较高、黄铁矿和有机碳含量丰富。
地下水在 Staffelegg 组的 Beggingen 和 Rietheim 成员中出现。Beggingen 成员的地下水具有大气降水特征，而 Rietheim 成员的地下水与断裂等渗透结构有关，且可能由附近含水层缓慢补给。
对于核废料处置而言，Staffelegg 组岩石的非均质性可能影响其作为核废料处置库围岩的完整性。尽管目前研究显示地下水影响主要局限于含水区域，但仍需进一步研究。建议通过显微镜方法、更小尺度（mm - μm）的地球化学分析和同位素分析，详细研究含水区域，以确定地下水引起的矿物学和地球化学变化，这对核废料处置选址意义重大。
