Szerkezetfejlődési és fluidummigráció-történeti rekonstrukció a Bodai Agyagkő Formáció ásványos erei alapján
In my research, I studied the structural evolution and fluid migration history of the potential host rock for the disposal of high-level radioactive waste in Hungary. My main goal was to determine the characteristics of these events, thereby helping to evaluate the isolation properties of the rock b...
Elmentve itt :
| Szerző: | |
|---|---|
| További közreműködők: | |
| Dokumentumtípus: | Disszertáció |
| Megjelent: |
2022-07-07
|
| Tárgyszavak: | |
| doi: | 10.14232/phd.11298 |
| mtmt: | 34135762 |
| Online Access: | http://doktori.ek.szte.hu/11298 |
| Tartalmi kivonat: | In my research, I studied the structural evolution and fluid migration history of the potential host rock for the disposal of high-level radioactive waste in Hungary. My main goal was to determine the characteristics of these events, thereby helping to evaluate the isolation properties of the rock body. As a result, micro-scale structural and textural analyses, as well as mineralogical and geochemical observations were performed on the brittle (mineral veins) and ductile (tension gashes within shear zones) style structural elements of the Late Permian Boda Claystone Formation (located in the Western Mecsek Mts.). A complex methodology was developed on the drill core samples of the BAF–2 well, which can be used to study the tectonic evolution and fluid migration history of the formation. In this process, the morphology of the vein-forming crystals was analysed, the growth mechanisms of the veins were determined, and the intra-vein microstructures were interpreted. The fracture-filling minerals were identified using Raman microspectroscopy, while their spatial distribution was determined by micro X-ray fluorescence (μXRF) mapping. Minerals that cannot be separated in a polarising microscope or that are present in subordinate amounts were identified by cathodoluminescence (CL) and scanning electron microscopy (SEM). Besides, fluid inclusions were examined in calcite generations and stable-isotope ratios were analysed in carbonate, sulphide, and sulphate minerals. One of the four vein generations (VeinCIC, VeinSTR, VeinECH, VeinBR) of the BAF–2 well previously defined (Hrabovszki et al. 2017) based on macroscopic appearance, the VeinCIC contains characteristic wall rock inclusion arrangements, such as inclusion bands, inclusion trails, and cone-in-cone microstructures. Based on my observations, these veins were presumably formed during early diagenetic, atectonic processes. The development of VeinCIC veins was continuous and occurred along horizontal surfaces. The formation of the observed microstructures was induced by crystal growth; however, the original texture was presumably replaced during diagenetic, hydrothermal processes. Theoretical models were presented, which describes the processes that may be responsible for continuous vein development along horizontal surfaces and simultaneous crystallization in such sediments. In these models, dehydration, tensile strength anisotropy, compaction, pressure solution, elevated fluid pressure, seepage forces, and pressure exerted by crystallization all play important roles in the formation of these vein types. Each of the observed veins contains numerous mineral generations and reveals complex diagenetic and tectonic processes. Veins with syntaxial and antitaxial growth mechanisms suggest advection and diffusion material transport; however, veins associated with mobile hydrofractures were also observed. The parent fluid, which is typical for most minerals and has a homogenisation temperature of ~80–150 °C (minimum and interquartile range) and a variable salinity of 3.6–13.9% wNaCleq is presumably the mixture of connate brine and freshwater released by clay mineral alteration (smectite-to-illite). Isotope exchange with sedimentary minerals may have contributed to these processes, resulting in the observed (–2.80 to 4.67‰, V-SMOW) d18O compositions of the parent fluids. In contrast to most vein-forming mineral generations, the youngest calcite of the VeinBR generation may have originated from a low-temperature (<50 °C) and salinity (0.0–0.4% wNaCleq) meteoric fluid. Accordingly, these breccia veins are of paramount importance in studying the isolation properties of the rock body. To investigate the extensibility of the findings made on the rock samples from the BAF–2 well, the review and sampling of the total core material from the BAT–4 and Delta–3 wells, as well as the microstructural, textural, and mineralogical examination of the selected samples were performed. In these wells, branched veins with wall rock inclusions characteristic of the VeinCIC (BAF–2) generation appear. In addition, crack-seal veins with straight vein walls (VeinSTR) and hydraulic breccias consisting of multiple mineral generations (VeinBR) are also present. However, the presence of the en-echelon veins (VeinECH) is limited compared to the BAF–2 well. In conclusion, there is a possibility that the findings on mineral veins in the BAF–2 samples could be extended to the entire formation, but this requires further geochemical studies that go beyond the scope of my research. This dissertation demonstrates that complex microstructural, textural, mineralogical, and geochemical studies of veins are suitable for exploring relationships that carry significant information about the evolution of this environmentally vital geological formation. Kutatásom során a hazai nagy aktivitású radioaktív hulladékok mélységi földtani tárolójának potenciális befogadó képződményét, annak egykori szerkezetfejlődési és fluidummigrációs folyamatait vizsgáltam. Fő célkitűzésem ezen jellemvonások megismerése volt, elősegítve ezzel a tároló izolációs tulajdonságainak megítélését. Ebből adódóan a Nyugat-Mecsekben elhelyezkedő, késő-perm korú Bodai Agyagkő Formáció töréses (ásványos erek) és képlékeny stílusú (nyírási zónák kitöltött hasadékai) szerkezeti elemein mikroléptékű szerkezeti és szöveti elemzéseket, illetve ásványtani és geokémiai vizsgálatokat végeztem. A BAF–2 jelű fúrás kőzetanyagán kidolgoztam egy komplex módszertant, amely segítségével feltárhatók a képződményt ért fluidummigrációs és tektonikai folyamatok. Ennek során polarizációs mikroszkóppal elemeztem az éralkotó szemcsék morfológiáját, meghatároztam az ásványok növekedésére jellemző mechanizmusokat, értelmeztem az erekben megjelenő mikroszerkezeteket. Raman mikrospektroszkóppal azonosítottam a repedéskitöltő ásványokat, míg azok éren belüli helyzetét röntgenfluoreszcens-térképezéssel (μXRF) határoztam meg. A polarizációs mikroszkópban el nem különíthető, illetve alárendelt mennyiségben jelenlévő ásványokat katódlumineszcens (CL) és pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) megfigyelések során azonosítottam. Mindemellett éralkotó kalcitgenerációkban fluidumzárványokat vizsgáltam, illetve karbonát, szulfid, valamint szulfát ásványok stabilizotóp-arányait elemeztem. A makroszkópos megjelenésük alapján korábban már meghatározott (Hrabovszki et al. 2017) négy érgeneráció (VeinCIC, VeinSTR, VeinECH, VeinBR) egyike, a VeinCIC jellegzetes, kőzetzárványokból álló mikroszerkezeteket tartalmaz. Megfigyeléseim alapján ezek az erek feltehetően korai diagenetikus, atektonikus folyamatok során jöttek létre. A VeinCIC erek fejlődése folytonos volt és vízszintes felületek mentén jelentkezett. Az említett mikroszerkezetek kialakulása a kristályok növekedésének köszönhető, ugyanakkor az eredeti szövetet diagenetikus, hidrotermális folyamatok írták felül. Bemutattam két elméleti modellt, amely ismerteti, hogy mely folyamatok lehetnek felelősek a vízszintes síkok mentén jelentkező folytonos érfejlődésért, a felnyílással lépést tartó kristályosodásért konszolidálatlan, kis konszolidációs fokon álló üledékekben. Az ilyen típusú erek képződésmodelljeiben a dehidratáció, a szakítószilárdság anizotrópia, a kompakció, a nyomásoldódás, az emelkedett fluidumnyomás, a szivárgási erők, illetve a kristályosodás által kifejtett nyomás egyaránt fontos szerepet játszanak. A megfigyelt érgenerációk mindegyike számos ásványt foglal magában és összetett diagenetikus, tektonikus folyamatokról árulkodik. Szintaxiális és antitaxiális növekedésű erek advekciós és diffúziós anyagáramlási mechanizmusokra utalnak, ugyanakkor megfigyeltem mozgó hidraulikus törésekhez köthető ereket is. A legtöbb ásványra jellemző, ~80–150 °C homogenizációs hőmérsékletű (minimum és interkvartilis terjedelem) és változó sótartalmú (3,6–13,9% wNaCleq) szülőfluidum feltehetően az időszakosan beszáradó sóstó fosszilis vizének és az agyagásvány átalakulásokból (szmektit->illit) származó, kis sótartalmú vizek keveredésének az eredménye. Ezek a folyamatok vezethettek a szülőfluidumok megfigyelt, –2,80 és +4,67‰ (V-SMOW) közé eső d18O értékeihez. A legtöbb éralkotó ásvánnyal ellentétben azonban a VeinBR érgeneráció legfiatalabb kalcitgenerációja kis hőmérsékletű (<50 °C) és sótartalmú (0,0–0,4% wNaCleq) meteorikus eredetű szülőfluidumból válhatott ki. Ennek értelmében a kőzettest izolációs tulajdonságainak megítélése során az említett VeinBR érgeneráció kiemelt figyelmet érdemel. A BAF–2 fúrás kőzetmintáin tett megállapítások kiterjeszthetőségének ellenőrzése céljából elvégeztem a BAT–4, illetve a Delta–3 fúrások teljes maganyagának áttekintését, mintázását, a kiválasztott minták mikroszerkezeti, szöveti és ásványtani vizsgálatát. Ezekben a fúrásokban megjelennek a BAF–2 fúrás VeinCIC érgenerációjára jellemző fonatos lefutású, kőzetzárványos erek. Előfordulnak egyenes geometriájú, több zónából felépülő, repedésképződés és bezáródás mechanizmus által létrejött erek (VeinSTR), illetve több ásványból álló hidraulikus breccsák is (VeinBR). A kulisszás elrendeződésű erek (VeinECH) jelenléte ugyanakkor — a BAF–2 fúráshoz képest — alárendelt. Ezen megfigyelésekből adódóan feltételezhető, hogy a BAF–2 fúrás ásványos erein tett megállapítások kiterjeszthetők a teljes képződményre, azonban ennek igazolásához olyan további geokémiai vizsgálatok szükségesek, amelyek meghaladják kutatásom kereteit, célkitűzéseit. Doktori értekezésemben bemutattam, hogy az egykori szerkezeti és fluidummigrációs események nyomait megőrző ásványos erek mikroszerkezeti, szöveti, ásványtani és geokémiai jellemzőinek együttes vizsgálata alkalmas olyan összefüggések feltárására, amelyek jelentős információt hordoznak e környezetföldtani szempontból kiemelt képződmény fejlődéstörténetéről. |
|---|