JOURNAL OF IBERIAN GEOLOGY

Servicio de Publicaciones de la Universidad Complutense de Madrid

Volumen 32 - Nº2 (Año 2006)

Más información / TEXTO COMPLETO 

--------------------------------------------------------------------------------
 
Volume Contents   1  

 
The alkaline reaction of FEBEX bentonite: a contribution to the study of the performance of bentonite/concrete engineered barrier system - La reacción alcalina de la bentonita FEBEX: una contribución al estudio de la función de las barreras de ingeniería compuestas por hormigón y bentonita     
CUEVAS, J. | VIGIL DE LA VILLA, R. | RAMÍREZ, S. | SÁNCHEZ, L. | FERNÁNDEZ, R. | LEGUEY, S.
151 

Palabras Clave: Bentonite; Concrete; Reactivity; Waste disposal.
Bentonita; Hormigón; Reactividad; Enterramiento de residuos.

Resumen: Since 1997, the development of two EU projects, Effects of Cement On CLAY barrier performance (ECOCLAY, 1997-2000 and ECOCLAY phase II (2000-2003; ANDRA, 2005), have addressed the effect of the alkaline plume induced by concrete on bentonite. The group working on applied clay geochemistry at the Autonomous University of Madrid (UAM) has participated in both projects, gaining experience on the Spanish reference bentonite. This paper deals with a synthesis of the work performed by the research group on FEBEX bentonite alkaline reactivity and the lessons learned for the performance assessment (PA) of the clay reference concept of deep geological repository for high level radioactive waste. The selected main scientific contributions to the performance assessment of this engineered barrier are: (1) the particular nature of FEBEX bentonite alkaline reaction products (zeolites, Mg-clays and CASH (calcium aluminate silicate hydrate phases); (2) the quantitative mineralogy approach to the rate of the high-pH reaction of FEBEX montmorillonite; and (3) the experimental validation of FEBEX bentonite alkaline reactivity in column experiments.
 
Desde 1997, el desarrollo de dos proyectos de la Unión Europea, Effects of Cement On CLAY barrier performance (ECOCLAY, 1997-2000) y ECOCLAY phase II (2000-2003), ha permitido abordar la investigación del efecto de la pluma alcalina inducida por la lixiviación del hormigón sobre la bentonita. Ambos materiales forman parte de un concepto de barrera compuesta de hormigón y bentonita, en el contexto del almacenamiento de residuos a una profundidad dada. El grupo de geoquímica aplicada a las arcillas de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) ha participado en ambos proyectos, y ha conseguido aportar experiencia y cono¬cimiento al estudio del comportamiento de la bentonita de referencia española (FEBEX) bajo condiciones de elevada alcalinidad. Este artículo ofrece una síntesis del trabajo desarrollado, mencionando las lecciones aprendidas sobre la reactividad alcalina de la bentonita, y su enfoque práctico hacia el análisis del comportamiento de uno de los conceptos de referencia, el almacenamiento de residuos en formaciones arcillosas. Se han seleccionado las principales contribuciones científicas a este respecto, a juicio de los autores: (1) la naturaleza particular de los productos generados en la reacción alcalina de la bentonita FEBEX (zeolitas, arcillas magnésicas y geles de silicato aluminato cálcico hidratado (CASH)); (2) la aproximación mediante mineralogía cuantitativa al ritmo de reacción de la montmorillonita FEBEX a pHs elevados, y (3) la validación experimental de la reactividad alcalina de la bentonita a partir de experimentos en columna.

Mechanisms of gas transport in clay barriers - Mecanismos de transporte de gas en barreras de arcilla   
ALONSO, E.E. | OLIVELLA, S. | ARNEDO, D.
175 

Palabras Clave: Gas migration; Clay buffers; Model; Discontinuity; Finite element; Intrinsic permeability; Fracture.
Migración de gas; Barrera de arcilla; Modelo; Discontinuidad; Elemento finito; Permeabilidad intrínseca; Fractura.
 
Resumen: Laboratory experiments show that preferential paths develop through saturated impervious clay bodies. A procedure to integrate gas transmission discontinuities into a general THM formulation is described. The technique has been incorporated into a general purpose FE THM code (CODE_BRIGHT) and it has been used to reproduce gas transmission experiments in specimens. The experimentally observed peaks in gas pressure and flow rates, when breakthrough conditions are reached, are reproduced. The paper discusses also the role of local heterogeneity in gas migration. A computational experiment, inspired in the conditions prevailing on the “in situ” large scale GMT test, has been preformed. All the elements of the discretization include an embedded discontinuity. The analysis shows that small variability in buffer properties enhances the development of preferential paths.
 
Los ensayos de flujo de gas sobre muestras saturadas e impermeables indican la formación de sendas preferenciales de circulación del gas. El artículo describe un procedimiento para integrar esas discontinuidades en una formulación general THM tal y como se desarrolla en el Programa de elementos finitos CODE_BRIGHT. Con esta técnica se ha reproducido el comportamiento observado en muestras ensayadas. Se consigue reproducir los máximos observados en la presión de inyección y en el flujo de descarga cuando se abre por primera vez un camino preferencial. El artículo discute también el papel de la heterogeneidad a pequeña escala en el flujo de gas.Se ha desarrollado un experimento computacional inspirado en la geometría, materiales de barrera y condiciones de contorno del ensayo a gran escala GMT, desarrollado en el Laboratorio de Grimsel. Todos los elementos de la discretización incluyen discontinuidades embebidas. El análisis muestra que la pequeña variabilidad de propiedades de la barrera facilita el desarrollo de caminos preferenciales al flujo de gas.

Characterization of water pathways in low permeable rocks at the rock matrix scale: Methodological review - Caracterización de las vías de circulación del agua, a la escala de la matriz rocosa, en rocas de baja permeabilidad. Revisión metodológica     MONTOTO, M. | MATEOS, F.
197 

Palabras Clave: Water pathways; Paleo-water pathways; Intact rock; Rock matrix; Porosity; Pore space structure; Paleo-fissures; Petro¬physical profiles; Rock imaging.
Vías de circulación de agua; Paleo-vías de circulación de agua; Intact rock; Roca matriz; Matriz Rocosa; Porosidad; Estructura del sistema poroso; Paleo-fisuras; Perfiles petrofísicos.
 
Resumen: This is a methodological paper related to the characterization of water pathways, at the rock matrix or intact rock scale, in crysta¬lline rocks candidate for the final disposal of high level radioactive wastes. At that scale, water circulation in these rocks is basically conditioned by its capacity to flow through the open effective porosity. That is, through the connected pores and fissures. Accordin¬gly, the different procedures developed for imaging and mapping those pathways are here summarized. Among them, fluorescence microscopy, confocal laser scanning microscopy, scanning electron microscopy (secondary and backscattered electrons, and energy dispersive X-ray analysis), 14C-polymethylmethacrylate impregnation,... stand out. In addition, the two main techniques for three-dimensional reconstruction of the pore space structure, X-ray computerized tomography and confocal laser scanning microscopy are also mentioned, in special the last one with different examples. The in-situ characterization of the rock porosity and the identification of paleo-water pathways, such as uranium induced fission track micro-mapping, are also described. The main geometrical petrographic parameters related to the pore space structure are summarized and examples are also included, al. Finally, examples of petrophysical profiles containing sequential information at the granulometric scale (mm-cm) are included; their objective being is to document in detail the capacity for water and radioelements to flow into the rock matrix from hydraulically active fractures in the rock mass.
 
Esta publicación metodológica está relacionada con la caracterización de las vías de circulación del agua, a escala de la matriz rocosa (o “intact rock”), en rocas cristalinas candidatas para almacenar definitivamente residuos radioactivos de alta actividad. A esta escala la circulación del agua en estas rocas está condicionada básicamente por su capacidad de fluir a través de la porosidad abierta efectiva. Es decir, a través de los poros y de las fisuras conectadas. Por consiguiente, se resumen los diversos procedimientos desarrollados para la obtención de imágenes y cartografía de estas vías de circulación, entre los que destacan: microscopía de fluorescencia, microscopía láser confocal, microscopía electrónica de barrido (electrones secundarios y retrodispersados, análisis por energía dispersiva de rayos X) e impregnación con 14C-polimetilmetacrilato. Se mencionan las dos técnicas esenciales para la reconstrucción tridimensional de la estructura del espacio poroso, tomografía informatizada de rayos X y microscopía láser confocal y se incluyen diversos ejemplos de esta última. Además se describe la caracterización “in-situ” de la porosidad y la identificación de antiguas vías de circulación del agua mediante trazas de fisión del uranio. Se resumen y se incluyen ejemplos de los principales parámetros petrográficos relacionados con la estructura geométrica del espacio poroso, ya que esta información es básica para la interpretación petrofísica de la función hidráulica de la porosidad de las rocas cristalinas. Finalmente, se incluyen ejemplos de perfiles petrofísicos que contienen información secuencial a escala granulométrica (mm-cm), al objeto de documentar detalladamente la capacidad del agua y los radioelementos para introducirse y circular por la matriz rocosa a través de las fracturas hidráulicamente activas del macizo rocoso.

Coupled microbial and geochemical reactive transport models in porous media: Formulation and Application to Synthetic and In Situ Experiments - Modelos acoplados de transporte reactivo con procesos geoquímicos y microbiológicos en medios porosos: Formulación y aplicación a experimentos in situ y sintéticos   
SAMPER, J. | ZHANG, G.
215 

Palabras Clave: Reactive transport; Microbial processes; Numerical model; BIOCORE
Transporte reactivo; Procesos microbianos; Modelo numérico; BIOCORE
 
Resumen: The study of natural groundwater chemistry and contamination as well as the safety assessment of underground disposal facilities for radioactive waste require the use of models which are able to consider simultaneously groundwater flow, heat transfer, solute transport, geochemical reactions and microbiological processes. This paper presents a mathematical and numerical formulation of coupled water flow and microbial reactive transport in porous media which has been implemented in a coupled biogeochemical reactive transport code, BIO-CORE2D© by adding microbiological processes into a nonisothermal reactive transport code, CORE2D©. BIO-CORE2D© incorporates efficient numerical algorithms such as a first-order unconditionally-stable implicit version of the se¬quential iteration approach and a sophisticated automatic time stepping algorithm which optimizes the size of the time step. Hydro¬biogeochemical models are illustrated with a synthetic example and the CERBERUS experiment performed at the Mol underground research laboratory in Belgium to evaluate the effect of heat and radiation on Boom clay
 
El estudio de la calidad natural y la contaminación de las aguas subterráneas así como la evaluación de la seguridad de las instala¬ciones subterráneas de almacenamiento de residuos radiactivos requiere utilizar modelos acoplados de flujo subterráneo, transporte de calor y solutos, reacciones químicas y procesos biológicos. Este artículo presenta la formulación matemática y numérica del modelo acoplado de flujo y transporte reactivo con procesos biológicos para medios porosos que ha sido implementada en el código BIO CORE2D© mediante la adición de los procesos microbiológicos en el código de transporte reactivo no isotermo CORE2D©. BIO-CORE2D© incorpora algoritmos numéricos eficientes para resolver la versión cuasi implícita del método de iteración secuencial y determinar de forma automática los intervalos de tiempo óptimos. Se presentan modelos hidrobiogeoquímicos para una columna sintética y para el experimento in situ CERBERUS realizado en el laboratorio subterráneo de Mol en Bélgica para evaluar el efecto del calor y la radiación en la arcilla de Boom.

Pore water chemistry of a Paleogene continental mudrock in Spain and a Jurassic marine mudrock in Switzerland: Sampling methods and geochemical interpretation - Química del agua intersticial de una arcilla continental Paleógena en España y una arcilla marina Jurásica en Suiza: métodos de muestreo e interpretación geoquímica    TURRERO, M.J. | GÓMEZ, P. | YLLERA, A. | GARRALÓN, A. | MELÓN, A. | SÁNCHEZ, M. | BOSSART, P. | WERSIN, P. | SÁNCHEZ, M.D. | PEÑA, J. | FERNÁNDEZ, A.M. | HERNÁN, P.
233 

Palabras Clave: Clays; Pore water; Borehole equipment; Squeezing; Geochemistry; Modelling
Arcillas; Agua intersticial; Instrumentación de sondeos; Compresión bajo presión; Geoquímica; Modelización
 
Resumen: This work summarises the methodologies and approaches developed in CIEMAT during the last 10 years for the characterisation of argillaceous formations with the aim of obtaining information on their pore water composition. The work is focused on two sedimentary formations: the Opalinus Clay from Switzerland and an Oligocene-Miocene Clay from Spain, with rather different characteristics as much from the point of view of the methodology applied to the study as for the sedimentary origin itself of both formations. The Swiss clay was studied through the participation in the DI-B experiment carried out at the Mont Terri Underground Rock Laboratory, in Switzerland. This experiment was devoted to water sampling and in situ analysis of pore water. Samples were collected and analysed after developing equipments and methodologies to minimize the perturbation of the critical parameters of the clay pore water: pH, Eh, pCO2, Fe(II) and alkalinity. Geochemical modelling is used to interpret and understand the main geochemical processes controlling the water chemistry and the present state of the system. Concerning the Spanish clay, the work shows the development of an integrated methodology to characterize a clay formation from core samples belonging to one borehole, named S1. The study integrates all the available data on pore water composition, based on squeezing and leaching experiments, with the mineralogy and geochemistry studied from the mentioned core samples. Geochemical modelling was employed with two main objectives: to check the consistency of the pore water analytical data and to determine the relative importance of the main processes governing the chemistry of the pore water. Specifically, it was used to simulate the processes controlling the redox evolution in the clay formation. The simulation considered equilibrium for reactive minerals such as calcite, dolomite, gypsum and ferrihydrite. Microbially-mediated degradation of organic matter and oxidative dissolution of pyrite were also considered from a kinetic point of view.
 
Este trabajo resume una serie de metodologías y aproximaciones desarrolladas en CIEMAT durante los últimos 10 años con el objetivo de obtener información del agua intersticial de dos formaciones arcillosas: la Opalinus Clay procedente de Suiza y una formación de edad Oligoceno Mioceno española. Ambas tienen características bastante diferentes tanto desde el punto de vista de la metodología aplicada para su estudio como del origen sedimentario en sí mismo de las dos formaciones. La arcilla Suiza se estudió a través de la participación en el experimento DI-B en el laboratorio subterráneo de Mont Terri, en Suiza, uno de cuyos objetivos fue el muestreo y análisis in situ del agua intersticial de la arcilla. Las muestras de agua se recogieron después de desarrollar equipos y metodologías para conseguir una alteración mínima de los parámetros críticos del agua de la arcilla: pH, Eh, pCO2, Fe(II) y alcalinidad. La modelización geoquímica se utilizó como herramienta para interpretar y entender los principales procesos geoquímicos que controlan la química del agua y el estado actual del sistema. En relación con la arcilla española, el artículo muestra el desarrollo de una metodología integrada para caracterizar el agua intersticial de la formación arcillosa a partir de muestras de testigos correspondientes a un sondeo, denominados S1. El estudio trata de integrar todos los datos disponibles sobre la composición del agua intersticial obtenida mediante la técnica de compresión bajo presión (squeezing) y mediante extractos acuosos, con la caracterización mineralógica y geoquímica de los testigos. La modelización geoquímica se utilizó con dos objetivos principales: para valorar la consistencia de los datos analíticos del agua intersticial y para determinar la importancia relativa de los principales procesos que gobiernan la química del agua intersticial. Específicamente, la modelización se utilizó para simular los procesos que controlan la evolución redox del sistema. Se consideró equilibrio para los minerales reactivos como la calcita, dolomita, yeso y ferrihidrita. Además, se trató la degradación de la materia orgánica y la disolución oxidativa de la pirita desde un punto de vista cinético.

Large-scale and long-term coupled thermo-hydro-mechanic experiments with bentonite: the FEBEX mock-up test. - Experimentación del acoplamiento termo-hidro-mecánico en bentonita a gran escala y larga duración: ensayo FEBEX en maqueta.    
MARTÍN, P.L. | BARCALA, J.M. | HUERTAS, F.
259 

Palabras Clave: Radioactive waste disposal; Bentonite barrier; Coupled processes; Thermo-hydro-mechanical instrumentation.
Almacenamiento de residuos radiactivos; Barrera de bentonita; Procesos acoplados; Instrumentación termo-hidro-mecánica.
 
Resumen: The paper summarizes the large-scale long-term experiment performed in the frame of the FEBEX and FEBEX-II projects. An almost full-scale thermo-hydro-mechanical (THM) mock-up test was designed to improve the knowledge of the coupled THM processes in the Engineering Barrier System of the Spanish reference concept for the Deep Geological Disposal in Granite. The test runs under controlled boundary conditions.More than 500 sensors measure the most important thermo hydro-mechanical variables within the bentonite barrier; meanwhile, data acquisition and control systems manage, supervise, record and store the data generated. The sensors were chosen to withstand mechanical stress, high temperature, humidity and salinity coming from environment. After more than eight and a half years, the test has become a source of valuable data, both in number of involved processes and duration of the experiment, including some qualitative aspects, that indicates major implications of the thermal aspects in the transport processes.
 
El artículo presenta, de manera resumida y no exhaustiva, el experimento de gran escala y larga duración realizado en el marco de los proyectos FEBEX y FEBEXII. Se diseñó un ensayo termo hidro-mecánico en maqueta para mejorar el conocimiento de los procesos termo-hidro-mecánicos (THM) acoplados que se producen en el sistema de barreras de ingeniería prevista en el concepto de referencia para un Almacenamiento Geológico Profundo en granito. El ensayo se realiza bajo condiciones controladas.Más de 500 sensores miden las variables termo-hidro-mecánicas más importantes en la barrera de bentonita, mientras los sistemas de adquisición y control gestionan y supervisan el ensayo y registran los datos generados. Los sensores se han elegido para soportar las duras condiciones ambientales impuestas (tensiones mecánicas, temperatura, salinidad y humedad elevadas).Tras más de ocho años y medio, el ensayo se ha convertido en una importante fuente de datos, tanto por el número de procesos involucrados como por la duración del experimento, incluyendo algunas aspectos cualitativos que parecen indicar implicaciones importantes de los aspectos térmicos sobre los procesos de transporte.

Factors that control the geochemical evolution of hydrothermal systems of alkaline water in granites in Central Pyrenees (Spain) - Factores de control del grado de evolución geoquímica de sistemas hidrotermales de aguas alcalinas instalados en materiales graníticos del Pirineo Central (España)     
BUIL, B. | GÓMEZ, P. | TURRERO, M.J. | GARRALÓN, A. | LAGO, M. | ARRANZ, E. | CRUZ, B. De la
283 

Palabras Clave: Hydrothermal system; Granite; Pyrenees; Spain
Sistema hidrotermal; Granito; Pirineos; España
 
Resumen: The geochemical evolution of the solutions from the hydrothermal systems of Caldas de Boí, Artiés, Tredós and Les (Central Pyrenees, Spain), show differences in the concentration of dissolved solids and in the presence of equilibrium or disequilibrium of the solutions in depth regarding albite. The dating (14C) of the waters belonging to the various hydrothermal systems demonstrated that the residence time is not the only factor controlling the differences in the degree of the geochemical evolution reached by each system, but other factors related to the dissolution kinetics of the minerals. The analysis of the influence of the main factors controlling the dissolution rate of the minerals, specifically feldspars, indicates that the temperature of the solutions at depth is the variable that can justify their different geochemical evolutions, even in solutions with similar residence times.
 
La evolución geoquímica de las soluciones de los sistemas hidrotermales de Caldas de Boí, Artiés, Tredós y Les, situados en el Pirineo Central (Spain), muestra diferencias reflejadas en la concentración de sólidos disueltos y en la presencia de una situación de equilibrio o desequilibrio en profundidad de las soluciones respecto a la albita. La datación (14C) de las aguas pertenecientes a los distintos sistemas hidrotermales ha puesto de manifiesto que el tiempo de residencia no es el factor de control determinante de las diferencias existentes en el grado de evolución geoquímica alcanzado por las mismas, teniendo que contemplarse otro tipo de factores relacionados con la cinética de disolución de los minerales, como responsables de estas diferencias. El análisis de la influencia de los principales factores que controlan la tasa de disolución de los minerales y, más en concreto, de los feldespatos, muestra como las diferencias de temperatura de las soluciones en profundidad son capaces de justificar el distinto grado de evolución geoquímica, incluso en soluciones con tiempos de residencia muy similares.