The engineered barrier system of high-level radioactive waste disposal must maintain its performance in the long term, because it must play a role in slowing the rate of leakage to the surrounding rock mass even if a radionuclide leak occurs from the canister. In particular, it is very important to clarify gas dilation flow phenomenon clearly, that occurs only in a medium containing a large amount of clay material such as a bentonite buffer, which can affect the long-term performance of the bentonite buffer. Accordingly, DECOVALEX-2019 Task A was conducted to identify the hydraulic-mechanical mechanism for the dilation flow, and to develop and verify a new numerical analysis technique for quantitative evaluation of gas migration phenomena. In this study, based on the conventional two-phase flow and mechanical behavior with effective stresses in the porous medium, the hydraulic-mechanical model was developed considering the concept of damage to simulate the formation of micro-cracks and expansion of the medium and the corresponding change in the hydraulic properties. Model verification and validation were conducted through comparison with the results of 1D and 3D gas injection tests. As a result of the numerical analysis, it was possible to model the sudden increase in pore water pressure, stress, gas inflow and outflow rate due to the dilation flow induced by gas pressure, however, the influence of the hydraulic-mechanical interaction was underestimated. Nevertheless, this study can provide a preliminary model for the dilation flow and a basis for developing an advanced model. It is believed that it can be used not only for analyzing data from laboratory and field tests, but also for long-term performance evaluation of the high-level radioactive waste disposal system.
The pH values of the mine and surface water from the Tohyun mine creek were higher compared with those of groundwater, and 2nd round samples in same sites were even alkaline. The stream and mine waters belong to the characteristics of (Ca+Mg)-(SO$_4$) and (Ca+Mg)-(HCO$_3$) types, and groundwaters have to the (Ca+Mg+Na+K)-(HCO$_3$+SO$_4$) type. As the 2nd samples. concentrations of mostly anions are increasing compared with the forder samples. However, the mostly cation concentrations are decreasing. The hydrogeochemistry indicate that water quality is different chemical characteristics and evolution trends. The range of $\delta$D and $\delta$$^{18}$ valutes (relative to SMOW) in the waters are shown in -62.2 to -70.1$\textperthousand$, and -8.1 to -9.4$\textperthousand$. The values are plowed parallel to $\delta$D=8$\delta$$^{18}$ O+ (6$\pm$4). The d values of groundwater show 2.4, which is lower than the surface (5.2) and mine (7.6) waters. Strontium concentra titans range from 0.025 to 11.844 mg/$\ell$ in all kinds of water samples, but the groundwater has the highest contents The $^{87}$ Sr/$^{86}$ Sr ratios (0.7115 to 0.7129) show more lightened to the groundwater. The $\delta$$^{18}$ O value, Ca and Sr contents are decreased with $^{87}$ Sr/$^{86}$ Sr increasing, because it is support to the altitude effects of the sampling sites rather than a water-rock interaction of environmental isotope. Using computer code of WATEQ4F, saturation indices of albite, Quartz, gibssite and gypsum are calculated to be soluble. The calcite and dolomite show super saturation state, however, clay mineral species are plotted boundary between undersaturation and supersaturation. In the Tohyun mine creek, reaction materials with ore wastes arid precipitation have influence upon increasing EC and TDS of the waters independent of pH. The SO$_4$ concentrations in the mine water is 181.845 mg/$\ell$. This is abruptly increase in surface water and then detected 249.727 mg/$\ell$ in the groundwater. As a results of the calculated sulfate mineral solubilities, the sulfate ions became saturation states an above 150 mg/$\ell$ concentrations.
From the Jungwon and Munkyeong areas which are among the famous producers of the carbonate-type groundwaters in Korea, various kinds of natural waters (deep groundwater, shallow groundwater and surface water) were collected between 1996 and 1997 and were studied for hydrogeochemical and environmental isotope (${\delta}^{34}S_{so4}$, ${\delta}^{18}O$, ${\delta}D$)systematics. Two types of deep groundwaters (carbonate type and alkali type) occur together in the two areas, and each shows distinct hydrogeochemical and environmental isotope characteristics. The carbonate type waters show the hydrochemical feature of the 'calcium(-sodium)-bicarbonate(-sulfate) type', whereas the alkali type water of the 'sodium-bicarbonate type'. The former type waters are characterized by lower pH, higher Eh, and higher amounts of dissolved ions (especialJy, $Ca^{2+}$, $Na^{+}$, $Mg^{2+}$, $HCO_3{^-}$ and $SO_4{^{2-}}$). Two types of deep groundwaters are all saturated or supersaturated with respect to calcite. Two types of deep groundwaters were both derived from pre-thermonuclear (about more than 40 years old) meteoric waters (with lighter 0 and H isotope data than younger waters, i.e., shallow cold groundwaters and surface waters) which evolved through prolonged water-rock interaction. Based on the geologic setting, water chemistry, and environmental isotope data, however, each of these two different types of deep groundwaters represents distinct hydrologic and hydrogeochemical evolution at depths. The carbonate type groundwaters were formed through mixing with acidic waters that were derived from dissolution of pyrites in hydrothermal vein ores (for the Jungwon area water) or in anthracite coal beds (for the Munkyeong area water). If the deeply percolating meteoric waters did not meet pyrites during the circulation, only the alkali type groundwaters would form. This hydrologic and hydrogeochemical model may be successfully applied to the other carbonate type groundwaters in Korea.
Perlite, a hydrated volcanic glass, occurs mainly as a bed-like body, and is distributed intermittently along the unconformity surface between the Beomgockri Group and its lower formations, viz. Janggi Group. The perlite is intimately associated with surrounding pumiceous welded tuff and rhyodacites in space and time. Compared to the typical perlite, the perlite is rather silica-poor and impure, and thus, includes lots of phenocrysts and rock fragments. Nearly the perlite is compositionally rather close to a pitchstone than a perlite in water contents. Petrographic comparison between perlite and associated volcanic to volcaniclastic rocks indicates that pumiceous welded tuff and rhyodacite seem to be Protolith of the Perlite. A Zr/$TiO_{2}$-Nb/Y diagram and field occurrence of perlite and their protolithic rocks also conforms the above interpretation. Kn addition, remnant vesicles in perlite strongly reflect that the precursor of perlitic glass appeared to be pumice fragment as well as volcanic glass. The perlite was diagenetically formed by way of a pervasive water-rock interaction at the deposition of the Manghaesan Formation in lacustrine environment. During perlitization, $SiO_{2}$ and alkali tend to be consistently depleted. Preexisting system of the Beomgockri Group based on the perlite formation should be corrected, because the perlite was formed diagenetically without lateral persistence in its occurrence.
Park, Jung-Wook;Kim, Taehyun;Park, Eui-Seob;Lee, Changsoo
Tunnel and Underground Space
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v.28
no.6
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pp.670-691
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2018
This study presents the research results of the BMT(Benchmark Model Test) simulations of the DECOVALEX-2019 project Task B. Task B named 'Fault slip modelling' is aiming at developing a numerical method to predict fault reactivation and the coupled hydro-mechanical behavior of fault. BMT scenario simulations of Task B were conducted to improve each numerical model of participating group by demonstrating the feasibility of reproducing the fault behavior induced by water injection. The BMT simulations consist of seven different conditions depending on injection pressure, fault properties and the hydro-mechanical coupling relations. TOUGH-FLAC simulator was used to reproduce the coupled hydro-mechanical process of fault slip. A coupling module to update the changes in hydrological properties and geometric features of the numerical mesh in the present study. We made modifications to the numerical model developed in Task B Step 1 to consider the changes in compressibility, Permeability and geometric features with hydraulic aperture of fault due to mechanical deformation. The effects of the storativity and transmissivity of the fault on the hydro-mechanical behavior such as the pressure distribution, injection rate, displacement and stress of the fault were examined, and the results of the previous step 1 simulation were updated using the modified numerical model. The simulation results indicate that the developed model can provide a reasonable prediction of the hydro-mechanical behavior related to fault reactivation. The numerical model will be enhanced by continuing interaction and collaboration with other research teams of DECOVALEX-2019 Task B and validated using the field experiment data in a further study.
This study aims to identify the mineraloical and petrographical characteristics of caprock from drilling cores of Pohang basin as a potential $CO_2$ storage site. Experiments and modeling were conducted in order to investigate the geochemical and mineralogical caprock effects of carbon dioxide. A series of autoclave experiments were conducted to simulate the interaction in the $scCO_2$-caprock-brine using a high pressure and temperature cell at $50^{\circ}C$ and 100 bar. Geochemical and mineralogical alterations after 15 days of $scCO_2$-caprock-brine sample reactions were quantitatively examined by XRD, XRF, ICP-OES investigation. Results of mineralogical studies, together with petrographic data of caprock and data on the physicochemical parameters of brine were used for geochemical modeling. Modelling was carried out using the The Geochemist's Workbench 11.0.4 geochemical simulator. Results from XRD analysis for caprock sample showed that major compositional minerals are quartz, plagioclase, and K-feldspar, and muscovite, pyrite, siderite, calcite, kaolinite and montnorillonite were included on a small scale. Results from ICP-OES analysis for brine showed that concentration of $Ca^{2+}$, $Na^+$, $K^+$ and $Mg^{2+}$ increased due to dissolution of plagioclase, K-feldspar and muscovite. Results of modeling for the period of 100 years showed that the recrystallization of kaolinite, dawsonite and beidellite, at the expense of plagioclase and K-feldspar is characteristic. Volumes of newly precipitation minerals and minerals passing into brine were balanced, so the porosity remained nearly unchanged. Experimental and modeling results indicate the interaction between caprock and $scCO_2$ during geologic carbon sequestration can exert significant impacts in brine pH and solubility/stability of minerals.
Major ions and nitrogen isotopic analyses were performed to determine the geochemical characters and to identify the source of nitrate of the shallow groundwater around agricultural field in the Youngdong area. The pH value of groundwater ranges from 60. to 8.2 (pH 7.2, mean). The average of EC, Eh and DO is 369 ${\mu}S/cm$ (70~729 ${\mu}S/cm$), 165.6 mV (29~383.2 mV), 4.3 mg/L (1.8~8.0 mg/L) respectively. The ion concentraion of groundwater was in the order of $Ca^{2+}$>$Na^{2+}$>$Mg^{2+}$>$K^{2+}$ and ${HCO_3}^-$>${NO_3}^-$>${SO_4}^{2-}$>$Cl^-$>$F^-$. Most of groundwater is Ca-$HCO_3$ type. The groundwater was affected by water-rock interaction in the shallow depth. Some groundwater is Ca-Cl or Na-$HCO_3$ (2.5%) type that was due to agricultural activities. The $NO_3$_N concetration of grondwater range from 10.2 mg/l to 26.9 mg/l, which show that this area is under nitrate pollution. ${\delta}^{15}N-NO_3$ value of the groundwater is the origins of are a combination of animal wastes and man-made fertilizers.
The chemical composition and noble gas isotopes of 10 deep groundwater samples were analyzed to know the circulation of groundwaters in the Yangsan fault and the Gampo fault. The chemical types of groundwaters show the $Ca-HCO_3$ type and $Ca-SO_4(Cl)$ type, and show indistinct relationship with geology. Noble gas isotopic data of most groundwaters were plotted along the air-crust mixing line on $^3He/^4He$ vs. $4^He/^{20}Ne$ diagram, and show dominant $^3He$ of air origin except one sample that shows helium mixing of crust origin. This indicates that groundwater actively circulates along fault, and fault could not play an role of upward pathway of a deep-seated helium gas. A comparatively high $^4He$ indicates that groundwater flows in an aquifer assuring relatively enough water-rock interaction.
High-resolution (3.5 kHz) subbottom profiles were analyzed in order to reveal sedimentation pattern of late Quaternary in the northern South Shetland continental margin and the South Scotia Sea, Antarctica. On the basis of clarity, continuity and geometry of surface and subbottom echoes together with seafloor topography, high-resolution echo characters are classified into eight echo types which represent rock basements (echo type III-1), coarse-grained subglacial till or moraine (echo type I-1), slides/slumps (echo type IV), debris-flow deposits (echo types II-3 and III-2), and bottom-current deposits (echo types I-2, II-1 and II-2). Subglacial till or moraine (echo type I-1) is mostly present in the lower continental shelf and upper continental slope of the northern South Shetland continental margin, which changes downslope to slides/slumps (echo type IV) and debris-flow deposits (echo types II-3 and III-2) in the middle to lower continental slope. This distribution suggests that the continental slopes of the northern South Shetland continental margin were mostly affected by downslope gravitational processes. Further downslope, bottom-current sediments (echo type I-2) deposited by the southwestward flowing Antarctic Deep Water (ADW) occur at the South Shetland Trench, reflecting an Interaction between mass flows and bottom currents in the area. In contrast to the northern South Shetland continental margin, the South Scotia Sea is dominated by bottom-current deposits (echo types II-1 and II-2), indicating that the sedimentation was mostly controlled by the westward flowing ADW. Flow intensity of the ADW has increased in the relative topographic highs, forming thin covers of coarse-grained contourites (echo type II-1), whereas it has decreased in the relative topographic lows, depositing thick, fine-grained contourites (echo type II-2). The poor development of wave geometry in the fine-grained bottom-current deposits (echo type II-2) is suggestive of the unsteady nature of the ADW flow.
Lead and zinc mineralization of the Kwangsin mine was formed in quartz and carbonate veins that filled fault-related fractures in the limestone-rich Samtaesan Formation of the Chosun Supergroup and the phyllite-rich Suchangni Formation of unknown age. A K-Ar date of alteration sericite indicates that the Pb-Zn mineralization took place during Late Cretaceous (83.5 Ma), genetically in relation to the cooling of the nearby Muamsa Granite (83~87 Ma). Mineral paragenesis can be divided into three stages (I, II, III): (I) the deposition of barren massive white quartz, (II) the main Pb-Zn mineralization with deposition of white crystalline quartz and/or carbonates (rhodochrosite and dolomite), and (III) the deposition of post-ore barren calcite. Mineralogic and fluid inclusion data indicate that lead-zinc minerals in middle stage II (IIb) were deposited at temperatures between $182^{\circ}$ and $276^{\circ}C$ from fluids with salinities of 2.7 to 5.4 wt. % equiv. NaCl and with log $fs_2$ values of -15.5 to -11.8 atm. The relationship between homogenization temperature and salinity data indicates that lead-zinc deposition was a result of fluid boiling and later meteoric water mixing. Ore mineralization occurred at depths of about 600 to 700 m. Sulfur isotope compositions of sulfide minerals (${\delta}^{34}S_{CDT}=9.0{\sim}14.5$ ‰) indicate a relatively high ${\delta}^{34}S_{{\Sigma}S}$ value of ore fluids (up to 14 ‰), likely indicating an igneous source of sulfur largely mixed with an isotopically heavier sulfur source (possibly sulfates in surrounding sedimentary rocks). There is a remarkable decrease of calculated ${\delta}^{18}O$ value of water in hydrothermal fluids with increasing paragenetic time: stage I, 14.6~10.1 ‰; stage IIa, 5.8~2.2 ‰; stage IIb, 0.8~2.0 ‰; stage IIc, -6.1~-6.8 ‰, This indicates a progressive increase of meteoric water influx in the hydrothermal system at Kwangsin. Measured and calculated hydrogen and oxygen isotope values indicate that the Kwangsin hydrothermal fluids was formed from a circulating (due to intrusion of the Muamsa Granite) meteoric waters which evolved through interaction mainly with the Samtaesan Formation (${\delta}^{18}O=20.1$ to 24.9 ‰) under low water/rock ratios.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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