Trasporto e ritardo nelle rocce argillose

180 Sebbene i sedimenti non consolidati non possano essere considerati come un analogo completamente assimilabile alle rocce argillose ospiti del deposito o dei materiali argillosi di riempimento, l’analogia è generalmente valida per ambienti argillosi nei quali il trasporto è dominato dalla diffusione. Il contenuto di argilla e la mineralogia associata ai sedimenti è anche molto simile ad importanti rocce argillose ed i sedimenti hanno mantenuto condizioni riducenti simili a quelle del deposito per lunghi periodi di tempo sebbene le condizioni di pH possano essere dissimili.

Un esempio interessante è lo studio condotto sulle torbiditi marine dello Madeira AbissalPlain (vd. Fig. 7.3), che ha investigato il fenomeno della formazione di strati ricchi di uranio al fronte redox di migrazione. Il meccanismo dell’arricchimento di uranio si verifica quando un sedimento con un alto contenuto di uranio viene messo in posto da una torbidite in un ambiente marino profondo. L’acqua marina ricca di ossigeno penetra il deposito torbiditico, e ossida e scioglie l’uranio, che è libero di diffondersi attraverso il sedimento. L’uranio migrante verso il basso raggiunge condizioni più riducenti elevando la concentrazione di uranio a quel livello.

Fig. 7.3 Fronti redox fossili marcati da picchi di concentrazione isotopica.

Viene così a costituirsi un forte fronte redox e quando acque più ossigenate penetrano nella torbidite il fronte redox migra ulteriormente verso il basso trascinando con sé uranio

181 progressivamente più arricchito. Il fronte redox rimane attivo fino a che una torbidite successiva si colloca sopra la prima, ostacolando l’arrivo delle acque ossigenate. L’esame degli strati arricchiti in uranio ai fronti redox inattivi e le misure delle coppie genitore/figlio a più lunga vita della serie di decadimento 238U (238U-234U;234U-230Th; 230Th-226Ra; 226Ra-210Po) hanno dimostrato che il solo elemento che manifesti migrazione a partire dal momento in cui il fronte è divenuto inattivo è il

226

Ra, la cui concentrazione, simmetrica attorno al picco del genitore 230Th, comporta che il trasporto sia avvenuto solo per diffusione e non per advezione (fig. 7.3). Il profilo di concentrazione del 226Ra è stato usato per calcolare i coefficienti effettivi di diffusione, risultati compresi tra 6∙10-13 e 1∙10-13 m2/s.

Lo studio più noto di analogo naturale del trasporto dei radionuclidi all’interno dei sedimenti è forse quello condotto a Loch Lomond (fig.7.4). Sebbene lo studio sia stato condotto su poche carote di sedimento del lago, sono state ottenute molte informazioni quantitative. Attualmente il lago è isolato dal mare ed è costituito da acqua dolce, ma una ingressione marina fiandriana ha avuto luogo a partire dal Firth of Clyde , che è una profonda insenatura situata nella costa occidentale della Scozia e separata dall'Oceano Atlantico dalla penisola di Kintyre. Questo evento è registrato nel sedimento con un livello spesso un metro di detriti marini coperti e coprenti sedimenti di acqua dolce, dando luogo di conseguenza ad una discontinuità geochimica. Tutti i sedimenti sono ricchi di argilla, contenendone fino allo 80% in alcuni orizzonti. La chimica delle acque interstiziali identifica i sedimenti marini per più alte concentrazioni di cloruri, bromuri ed ioduri. La migrazione di questi alogeni nei sedimenti di acqua dolce sopra e sottostanti registra la storia di un trasporto diffusivo.

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Fig. 7.4 Ingressione marina nel Lago Loch Lomond nella trasgressione Flandriana (-6900/-5400 da oggi).

Una serie di profili di concentrazione per vari elementi ha riconosciuto che la sedimentazione del livello marino è avvenuta tra 6900 e 5400 anni fa. Il riconoscimento è avvenuto attraverso analisi di 14C e studi paleomagnetici e palinologici. La fissazione,correlata con la presenza di carbonio organico, di iodio, bromo, uranio e 226Ra, è stata chiaramente identificata all’interno del livello marino e dove è stato riconosciuto un fronte redox mobile. Le concentrazioni nelle acque interstiziali di bromo e, a minor grado, di iodio decrescono con la distanza dai sedimenti marini (vd. fig. 7.5).

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Fig. 7.5 Diffusione del bromo dal sedimento marino verso quelli di acqua dolce sopra e sottostanti [6]

Il profilo di concentrazione del bromo è stato modellato secondo diffusione semplice con assorbimento reversibile ed escludendo trasporto advettivo. Assumendo una concentrazione iniziale di 60ppm, il modello ha prodotto un’apparente diffusività di 8∙10-11 m2/s. Esperimenti di assorbimento in batch, condotte su materiale di carote per iodio e bromo, hanno dimostrato che le diffusività apparenti calcolate erano inferiori di un ordine di grandezza di quelle misurate e possibilmente dovute a perturbazione dei campioni in laboratorio. Ciò suggerisce che, sebbene gli studi di laboratorio siano conservativi, le diffusività calcolate sono probabilmente più realistiche. In più gli esperimenti di laboratorio indicano che alcuni processi di assorbimento erano apparentemente irreversibili per molti radionuclidi. Ne segue che l’assunzione, fatta in molti modelli di migrazione, che l’assorbimento è istantaneo e reversibile, è inaccurata e che la cinetica sottesa al processo deve essere investigata ulteriormente.

I risultati di questi due studi sono più utili se applicati ad ambienti di deposito argillosi dominati da diffusione. Chiaramente ciò includerebbe il trasporto nel materiale di riempimento bentonitico, ma l’informazione sarebbe appropriata alla diffusione in matrice in una roccia ospite argillosa fratturata nella quale si verifica il flusso advettivo.

A Cigar Lake (figg. 7.6, 7.7) l’alone di argilla attorno al minerale rappresenta i prodotti di alterazione formati dalla dissoluzione idrotermale e dal cedimento delle arenarie ospiti. Queste argille residuali, caratterizzate soprattutto da argille e da minerali accessori, formano un’efficiente

184 barriera idrologica per i movimenti delle acque sotterranee all’interno ed all’intorno del giacimento. Il movimento dei radionuclidi nell’alone di argilla, quando osservati, sono principalmente diffusivi e locali ed estesi solo fino a poche decine di centimetri.

Fig. 7.6 - L’alone argilloso isolante i radionuclidi della mineralizzazione di Cigar Lake