李亞楠，蘇銳，陳亮，周志超，郭永海

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029）

國家核安全局在2013 年頒布的“高水平放射性廢物地質(zhì)處置設(shè)施選址”導(dǎo)則中，提出了“十大選址準(zhǔn)則”。場址地球化學(xué)特征是“十大選址準(zhǔn)則”之一，明確指出需要評價場址地下水化學(xué)特征、巖石-水-廢物罐之間的相互作用、及其所處的地球化學(xué)環(huán)境等，這些都與場址的水文地球化學(xué)研究密切相關(guān)［1］。因此，充分理解和掌握處置庫場址的水文地球化學(xué)特征對于處置庫場址評價尤為重要。

瑞典早在1977 年就開始了在花崗巖中進行放射性廢物深地質(zhì)處置的項目研究，是首個在花崗巖中進行研究的國家，至今已開展了大量系統(tǒng)、詳細的研究工作，其研究計劃及成果被國際公認為是最好的，在花崗巖作為處置庫天然屏障研究方面具有很好的代表性［2］。

我國1985 年啟動了高放廢物地質(zhì)處置選址工作，初步篩選出華東、華南、西南、內(nèi)蒙、新疆和西北6 大預(yù)選區(qū)，圍巖包括花崗巖、黏土巖和凝灰?guī)r，其中花崗巖為這6 大預(yù)選區(qū)的主要圍巖。2011 年，將甘肅北山預(yù)選區(qū)定為我國高放廢物地質(zhì)處置庫首選預(yù)選區(qū)［3］。

本文通過分析研究瑞典高放廢物處置庫選址的水文地球化學(xué)研究工作，意在為我國花崗巖處置場址篩選和評價提供參考和借鑒。

1 瑞典放射性廢物深地質(zhì)處置選址概況

瑞典的放射性廢物深地質(zhì)處置工作由SKB 負責(zé)，早在1977 年就開始了在花崗巖中進行放射性廢物深地質(zhì)處置的項目研究，是首個在花崗巖中進行研究的國家，并于20 世紀(jì)80 年代，在Stripa 鐵礦山建造了地下實驗室，1995 年建成了位于花崗巖中的?SP? 地下實驗室。

2002 年瑞典已篩選出 Forsmark 和Laxemar 兩處候選場址，并已完成對這兩個場址的詳細特性評價。2007 年瑞典已經(jīng)完成場址的水文地球化學(xué)特征調(diào)查研究工作，并于2008 年建立初步的水文地球化學(xué)概念模型。2009 年瑞典最終選定Forsmark 為處置庫的場址。

Forsmark 場址位于瑞典首都斯德哥爾摩北部約170 km，靠近?regrundsgrepen 海岸，長約6 km，寬2 km；Laxemar 場址位于瑞典東南部，距斯德哥爾摩約350 km，與波羅的海相鄰［4］。

花崗巖具有分布范圍廣、巖體規(guī)模大、滲透系數(shù)小、含水量較小、機械強度高、導(dǎo)熱性好、抗輻射性能好、對放射性核素具有較好的阻滯性能等優(yōu)點［5-6］，是放射性廢物深地質(zhì)處置非常理想的天然屏障。

但花崗巖中存在一些裂隙，具有各向異性、非均質(zhì)性等特點，核素會隨著地下水沿花崗巖中的裂隙遷移到生物圈，因此需要充分掌握花崗巖中的裂隙分布情況。為了描述花崗巖的裂隙分布情況，瑞典學(xué)者將整個花崗巖體分為高裂隙區(qū)、中等裂隙區(qū)和低裂隙區(qū)，裂隙按不同產(chǎn)狀又分為近水平裂隙、緩傾角裂隙和陡傾角裂隙（圖1）［7］。

2 瑞典處置庫場址水文地球化學(xué)研究概況

瑞典高放廢物處置庫場址水文地球化學(xué)研究的總體目標(biāo)是對場址的水文地球化學(xué)特征有一個系統(tǒng)的認識，為場址安全評價提供水文地球化學(xué)依據(jù)。

2.1 研究目的

通過水文地球化學(xué)特征的研究，建立概念模型來描述和可視化場址；為場址安全評價的計算提供水文地球化學(xué)方面相關(guān)的參數(shù)；為其他模型的建立，尤其是水文地質(zhì)的研究提供水文地球化學(xué)基礎(chǔ)資料；通過安全評價反饋，優(yōu)化水文地球化學(xué)模型。

2.2 研究方法

應(yīng)用傳統(tǒng)的地球化學(xué)方法對地下水?dāng)?shù)據(jù)進行一個整體的檢驗，對場址有一個初步的了解。在這個框架的基礎(chǔ)上，通過使用不同的模型進一步分析這些數(shù)據(jù)，如數(shù)據(jù)評價和可視化模型、混合模型、平衡模型、氧化還原模型，并且對其中的微生物、膠體、氣體進行研究［7］。

圖1 地下水在花崗巖裂隙介質(zhì)中運移示意圖Fig.1 Schematic diagram of groundwater migration in granite fracture media

2.3 研究內(nèi)容

地下水的起源及其演化；圍巖對地下水文地球化學(xué)組分的影響；裂隙充填物對水文地球化學(xué)成分的影響；地下水混合作用對水文地球化學(xué)成分的影響；不同深度上地下水文地球化學(xué)成分的變化規(guī)律；古水文地球化學(xué)特征；處置庫深度、未來地下水文地球化學(xué)條件預(yù)測與評估；廢物罐的侵蝕速率研究；處置庫地下水溶質(zhì)遷移速率研究等。

在水文地球化學(xué)評價中，PHREEQC 可以模擬計算水巖作用及化學(xué)反應(yīng)的動態(tài)平衡；M3 可以模擬地下水文地球化學(xué)組分、混合作用方面的研究；CORE2D 可用于水文地球化學(xué)和水文地質(zhì)模型的耦合；OpenDX 可用于3D可視化研究。

3 瑞典處置庫場址水文地球化學(xué)研究進展

瑞典高放廢物處置研究工作較為系統(tǒng)，以花崗巖作為處置庫天然屏障開展的研究在世界上具有很好的代表性。

3.1 場址水文地球化學(xué)調(diào)查

為了獲取后期用于長期研究的水文地球化學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，瑞典開展了水文地球化學(xué)監(jiān)測項目（Hydrogeochemical monitoring program），建立了水文地球化學(xué)監(jiān)測體系，將水相環(huán)境分為地表環(huán)境、近地表環(huán)境及深部環(huán)境。地表環(huán)境中，主要采集地表水，包括大氣降水、河水、湖水、海水，其采樣頻率分別為河水每年6 次、海水每年4 次；在近地表環(huán)境中，淺部地下水主要賦存于風(fēng)化帶含水層中，通過淺鉆孔抽取其中的淺層地下水，采樣頻率為每年6 次；在深部環(huán)境中，地下水主要賦存于基巖裂隙中，可通過PACKER 系統(tǒng)分層采集，采樣頻率為每年兩次，采樣時間為每年5 月和11 月［8］。

3.2 場址水化學(xué)垂向分布規(guī)律

近地表水埋藏深度小于20 m，近地表水的水化學(xué)特征主要由表層灰?guī)r風(fēng)化決定，其中二氧化碳（來源于有機質(zhì)的腐敗及植物根系的呼吸作用）及風(fēng)化作用產(chǎn)生的碳酸鹽，直接影響近地表水的pH 值及Ca2＋和HCO3-的濃度。目前季節(jié)性變化的二氧化碳含量可以影響近地表水中的Ca2＋和HCO3-的濃度，但主要還是取決上覆灰?guī)r蓋層的影響。場址近地表水的Ca2＋濃度為50～200 mg/L，HCO3-的濃度200～900 mg/L，Cl-濃度通常＜200 mg/L。

淺部地下水埋藏深度在20～200 m 之間。淺部地下水與近地表水的水化學(xué)成分不同，說明大部分近地表水與淺部地下水水力聯(lián)系很弱，只有少部分近地表水通過優(yōu)勢水力通道與淺部地下水相連。100～150 m 之間，F(xiàn)orsmark 場址地下水主要賦存于高裂隙區(qū)，由現(xiàn)代水和古海水組成；還有一些非常年輕的地下水經(jīng)過水巖相互作用后，逐漸入滲，與上述地下水混合。場址淺部地下水Cl-濃度通常在200～2 000 mg/L 之間。

中等深度地下水埋藏深度為200～600 m，該深度地下水賦存于低滲透區(qū)，主要由深部古鹽水和冰川融水混合而成，在滲透性較高區(qū)域，主要由Littorina 的古海水補給。場址中等深度地下水Cl-濃度通常在2 000～6 000 mg/L 之間。

深部地下水埋藏深度大于600 m，該深度地下水由古海水和古鹽水混合而成，場址深部地下水Cl-濃度通常在4 000～20 000 mg/L之間。

3.3 場址水化學(xué)形成

Forsmark 和Laxemar 場址的地下水是由不同起源的水體混合而形成的。通過研究，證實了Forsmark 和Laxemar 場址的地下水至少由4 種來源的水體混合而成：深部古鹽水、冰川融水、古海水和現(xiàn)代大氣降水入滲水。由此可知，混合作用是Forsmark 和Laxemar場址地下水形成演化最主要的作用?；旌献饔么蚱屏说叵滤到y(tǒng)原有的平衡，混合后，經(jīng)過水巖相互作用，使混合的地下水再次達到平衡狀態(tài)?？赏ㄟ^反向模型（混合與質(zhì)量平衡計算）定量評價上述過程，這些模型包括NETPATH、PHREEQC 和基 于M3 的PCA分析方法。

深部古鹽水：這類型的地下水由于長時間處于相對封閉的環(huán)境，通過水巖作用形成于百萬年前的花崗巖中，其水文地球化學(xué)特征與Forsmark 和Laxemar 場址中最深、最咸的地下水樣一致。迄今為止，最深、最咸的地下水樣取自Laxemar 的KLX02 鉆孔，深度1 625 m、TDS 值高達75 g/L、地下水年齡達到150 萬年（36Cl 測年）、水化學(xué)類型Ca-Na-Cl、δ18O 和δD 曲線明顯偏離全球大氣降水線。

冰川融水：冰川融水中溶解性固體含量非常低，甚至低于現(xiàn)代大氣降水，這類水代表冰川地表融水，該水沒有經(jīng)過水巖相互作用，并且未入滲到地下。300 萬年前的冰期和間冰期，冰川融水逐漸入滲到花崗巖中，然而由于當(dāng)時氣候的迅速變化，F(xiàn)orsmark 和Laxemar 場址中，冰川融水極易和其他類型起源的水體混合，所以，很難找到冰川融水僅經(jīng)過水巖相互作用形成的地下水。

古海水：Littorina 海（現(xiàn)波羅的海所在位置）的海水，在9500 年前，最后一個冰期之后，逐漸滲入，補給Forsmark 場址所在位置的地下水。而現(xiàn)在的Forsmark 場址就位于Littorina 海水之下。直到1 000年前，隨著Forsmark 場址所在位置地層的抬升，Littorina海水的補給才結(jié)束。

現(xiàn)代大氣降水入滲水：現(xiàn)代大氣降水入滲水3H 含量很高，代表20 世紀(jì)60 年代后的降水補給，是現(xiàn)代大氣降水與第四系松散沉積物發(fā)生水巖相互作用后形成的。

深部古鹽水TDS 值高達75 932 mg/L，冰川融水TDS 值只有1.85 mg/L，古海水TDS 值為11 831 mg/L，現(xiàn)代大氣降水與第四系松散沉積物發(fā)生水巖相互作用后，形成的現(xiàn)代大氣降水入滲水TDS 值為611 mg/L（表1）。

在場址中，能夠直接取到深部古鹽水、現(xiàn)代大氣降水入滲水這兩種類型的地下水，而古海水、冰川融水的化學(xué)特征只能通過其他的地質(zhì)信息進行推斷，所以，用于計算混合比例的4 種類型水體的選擇存在很大的不確定性。

為減少因古海水與冰川融水這兩種類型水體化學(xué)特征選擇不確定性問題，更加精確的計算不同類型水體的混合比例，一些學(xué)者采用蒙特卡洛方法進行不確定性分析［9］。

3.4 場址地下水化學(xué)指標(biāo)

掌握場址的地下水化學(xué)特征，對預(yù)測未來地下水化學(xué)特征的變化規(guī)律非常重要。銅罐的腐蝕及膨潤土的失效直接影響未來處置系統(tǒng)的安全。為了安全處置高放廢物，場址的水文地球化學(xué)特征模型中應(yīng)該考慮以下指標(biāo)：TDS 值、Eh 值、pH 值、Cl-、Ca2＋、Mg2＋、Na＋、K＋、HS-、S2-、HCO3-/CO32-、Fe2＋、Mn2＋、氮化物、磷化物、膠體、微生物等，此外，還包括溶解性氣體二氧化碳、甲烷、氫氣等，這些氣體與微生物的反應(yīng)密切相關(guān)。

表1 Forsmark 用于計算混合比例的4 種類型水體水化學(xué)指標(biāo)表/（mg·L-1）Table 1 The chemical indicators of four types water used to calculate the mixing ratio in Forsmark

TDS 值：地下水的TDS 值對近場和遠場的核素遷移都有重要影響。在近場，地下水的TDS 值影響膨潤土的穩(wěn)定性，從而影響核素在膨潤土中的吸附擴散性能，如影響Cs＋和Sr2＋的擴散；地下水的TDS 值非常高時，會破壞膨潤土的膨脹性能及增強其導(dǎo)水性，當(dāng)?shù)叵滤腡DS 值＞100 g/L 時，密度為2 000 kg/m3的膨潤土的膨脹性能會減半。在遠場，地下水的TDS 值通過影響地下水的密度來影響地下水流，高TDS 值可以減緩核素從處置庫遷移到生物圈的速度。

通過上述分析可知，在近場，地下水的TDS 值越高，越利于核素遷移；而在遠場，地下水的TDS 值越高，越不利于核素遷移。

Eh 值：地下水的Eh 值對廢物罐（銅罐）的穩(wěn)定性影響顯著，在缺氧的環(huán)境下，廢物罐穩(wěn)定性較好，反之，在氧化環(huán)境下，銅罐的腐蝕非常強烈。

pH 值：地下水的pH 值影響銅罐的腐蝕速率；也影響膨潤土的穩(wěn)定性，高pH 值會影響蒙脫石的溶解性，從而影響膨潤土的阻滯性能。地下水的pH 值同樣影響許多核素的溶解速率，如Pu、Am，這些核素的溶解能力隨著pH 值的增加而減?。桓遬H 值會降低一些核素的溶解能力，同時增加這些核素的吸附能力，如Cs＋、Sr2＋。

Cl-：當(dāng)?shù)叵滤膒H 值＜6，溫度80～100℃，有氧環(huán)境下，地下水中的Cl-濃度非常高時，銅罐腐蝕的速率最快。

Ca2＋、Mg2＋、Na＋、K＋：地下水中的Ca2＋、Mg2＋、Na＋對膨潤土的穩(wěn)定性起非常重要的作用，當(dāng)其濃度過低（＜4 mg/L）時，這些離子會轉(zhuǎn)變成膠體顆粒，隨地下水運移；但這些離子的濃度也不能過高，尤其是Ca2＋，富含Ca2＋的地下水會與黏土礦物中的Na＋進行陽離子交換作用，從而降低膨潤土的膨脹性能，并增加其滲透性；當(dāng)溫度高于100℃時，伊利石中的K＋同樣會降低膨潤土的膨脹性能，但當(dāng)溫度低于100℃時，該影響就非常微弱；Ca2＋、Mg2＋、Na＋同樣影響核素的阻滯性能，如對Cs＋、Sr2＋的吸附性能的影響，直接取決于地下水中其他陽離子的濃度。

HS-、S2-：HS-、S2-會引起銅罐的腐蝕，并通過與氧氣反應(yīng)影響Eh 值，從而影響一些核素的溶解、遷移性能。

DOC（dissolved organic carbon）：在地下水的補給區(qū)，微生物可通過分解地下水中的有機碳，消耗氧氣，降低地下水的Eh 值。

溶解性氣體：地下水中溶解的氣體，如H2、CH4對核素的遷移起到重要作用，可作為核素的載體，促進核素的遷移。其他氣體，如N2、CO2、Ar、He 也有類似的作用，此外CO2通過碳酸平衡影響地下水的pH 值。

SO42-：通過脫硫酸作用，影響地下水中的有機碳、H2、CH4等，間接影響銅罐的腐蝕。同時，SO42-會影響核素的運移速率。

HCO3-/CO32-：HCO3-/CO32-會影響銅罐的穩(wěn)定性，高HCO3-/CO32-會導(dǎo)致銅罐的腐蝕。HCO3-/CO32-會影響UO2的溶解性，也影響其他核素的溶解性。

其他指標(biāo)：Fe2＋、Mn2＋可通過與氧氣反應(yīng)，使銅罐免于腐蝕，起到隔絕效果。氮化物、磷化物可促進微生物的生長等［7，9-11］。

3.5 場址安全評價中的水化學(xué)指標(biāo)

瑞典在高放廢物處置庫場址安全評價過程中，主要從銅罐的腐蝕速率以及膨潤土的穩(wěn)定性兩個方面，來設(shè)置場址評價水文地球化學(xué)指標(biāo)，提出了一套適用于瑞典場址的水文地球化學(xué)指標(biāo)，當(dāng)場址水化學(xué)條件滿足這些指標(biāo)時，則認為從水文地球化學(xué)角度評價，場址是安全的（表2）［12］。

表2 瑞典場址安全評價水文地球化學(xué)指標(biāo)Table 2 Hydrogeochemical indicators for site safety assessment in Sweden

4 我國高放廢物處置水文地球化學(xué)研究進展

我國高放廢物處置工作于1985 年正式啟動，由核工業(yè)北京地質(zhì)研究院負責(zé)。通過勘查地質(zhì)條件、地質(zhì)構(gòu)造、巖石類型、水文地質(zhì)條件，綜合考慮自然地理、經(jīng)濟地理及核工業(yè)布局等因素，在全國范圍內(nèi)初步篩選出了華東、華南、西南、內(nèi)蒙、新疆和西北6大預(yù)選區(qū)，圍巖包括花崗巖、黏土巖和凝灰?guī)r，其中花崗巖為這6 大預(yù)選區(qū)的主要圍巖。

2011 年，甘肅北山預(yù)選區(qū)被選定為我國高放廢物地質(zhì)處置庫首選區(qū)。北山地區(qū)氣候干旱，降雨量僅為60～80 mm/a，蒸發(fā)量高達3 000 mm/a，地表水和地下水都非常貧乏。海拔標(biāo)高在1 600 m 左右，地表為典型的荒漠戈壁景觀。當(dāng)?shù)厝藷熛∩?，無明顯的經(jīng)濟作物，大面積的花崗巖體構(gòu)成良好的處置庫巖體，具備建造處置庫得天獨厚的自然地理和經(jīng)濟地理條件。

自1996 年至今，核工業(yè)北京地質(zhì)研究院先后對北山預(yù)選區(qū)的舊井、野馬泉、新場、沙棗園和算井子5 個花崗巖重點地段進行了水文地質(zhì)調(diào)查研究［13］。

經(jīng)過20 多年的研究，在水文地球化學(xué)方面取得了大量的研究成果。水文地球化學(xué)特征研究、地下水同位素特征研究、地下水的分層水質(zhì)監(jiān)測、深部環(huán)境原狀地下水取樣測試以及水文地球化學(xué)模擬研究等都為甘肅北山預(yù)選區(qū)場址評價提供了重要的水文地球化學(xué)依據(jù)，也為水文地質(zhì)特征認識提供了重要的佐證。該區(qū)域地下水的特點如下：首先，北山地區(qū)主要含水介質(zhì)是風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙，因此地下水的空間分布是極其不均勻的，這也決定了水文地質(zhì)條件及地下水的循環(huán)交替是十分復(fù)雜的。其次，由于該區(qū)降水少，蒸發(fā)大，地表水和地下水非常匱乏，這也是水化學(xué)研究的一大難題。第三，北山地下水補給來源主要是當(dāng)?shù)卮髿饨邓叵滤畬r石的溶濾作用、地下水的蒸發(fā)濃縮作用，是本區(qū)地下水化學(xué)成分形成的主要作用。受蒸發(fā)濃縮作用影響，區(qū)內(nèi)淺部地下水主要為礦化度大于2 g/L 的微咸水，水化學(xué)類型以Cl·SO4-Na 和SO4·Cl-Na型為主，pH 值多在7～8 之間。深部地下水水化學(xué)類型以Na-Cl·SO4型為主，深部環(huán)境為還原環(huán) 境［14-16］。

通過對瑞典放射性廢物地質(zhì)處置水文地球化學(xué)現(xiàn)狀的研究，結(jié)合北山預(yù)選區(qū)場址水化學(xué)特點，需要在下述方面繼續(xù)進行深入研究，進而全面掌握北山預(yù)選區(qū)的水文地球化學(xué)規(guī)律。

1）建立北山地區(qū)水文地球化學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)，包括地表水、不同深度地下水的采樣方法、采樣頻率等，為水化學(xué)的空間分布特征研究及不同水體水化學(xué)指標(biāo)隨時間演化規(guī)律研究，提供基礎(chǔ)的水化學(xué)數(shù)據(jù)。

2）由于深部地下水樣較少，現(xiàn)階段很難得到場址水化學(xué)垂向分布規(guī)律，未來在北山地下實驗室豎井和螺旋斜坡道開挖施工過程中，可以采集不同深度的原狀地下水，來研究北山預(yù)選區(qū)水化學(xué)的垂向分布規(guī)律。

3）開展古水文地質(zhì)研究，深入研究北山預(yù)選區(qū)地下水的形成演化規(guī)律、古氣候條件，并對未來氣候條件進行預(yù)測，對不同深度裂隙充填物取樣進行分析，與北山深部原狀地下水進行水巖作用實驗研究，從機理方面研究北山預(yù)選區(qū)地下水的演化規(guī)律。

4）利用PHREEQC 水文地球化學(xué)模擬軟件，計算地下水樣品的水溶組分、礦物飽和指數(shù)。同時進行垂向反應(yīng)路徑模擬，模擬天然條件下從大氣降水到處置深度地下水的形成演化過程，以及水平向反應(yīng)路徑模擬，模擬區(qū)域上從補給區(qū)到排泄區(qū)的水化學(xué)變化情況。

5）在上述工作的基礎(chǔ)上，采用OpenDX，將場址進行3D 可視化展示。

6）從廢物罐的腐蝕及緩沖材料的穩(wěn)定性兩個方面考慮，提出適合我國場址安全評價的指標(biāo)。通過與瑞典場址安全評價的主要指標(biāo)相比較，北山已有水文地球化學(xué)指標(biāo)滿足瑞典安全評價標(biāo)準(zhǔn)，如地下水的TDS值＜100 g/L、Eh 值＜0、pH 值介于6～10 之間等。根據(jù)我國場址特征，建立適合我國高放廢物處置水文地球化學(xué)的場址評價指標(biāo)。

5 結(jié)語

1）瑞典場址地下水按其埋藏深度可分為：近地表水埋藏深度小于20 m，Cl-濃度通常＜200 mg/L；淺部地下水埋藏深度在20～200 m 之間，Cl-濃度通常在200～2 000 mg/L之間；中等深度地下水埋藏深度為200～600 m，Cl-濃度通常在2 000～6 000 mg/L 之間；深部地下水埋藏深度大于600 m，Cl-濃度通常在4 000～20 000 mg/L 之間。

2）混合作用是瑞典Forsmark 和Laxemar場址地下水形成演化最主要的作用，場址地下水主要由深部古鹽水、冰川融水、古海水和現(xiàn)代大氣降水入滲水混合而成。

3）瑞典用于場址安全評價的水文地球化學(xué)指 標(biāo)包括：TDS 值、Eh 值、pH 值、Cl-、Ca2＋、Mg2＋、Na＋、K＋、HS-、S2-、HCO3-/CO32-、Fe2＋、Mn2＋、氮化物、磷化物、膠體、微生物、可溶性氣體等。其中用于安全評價的部分地下水水文地球化學(xué)指標(biāo)的范圍為：TDS 值＜100 g/L、Eh 值＜0 mV、pH 值為6～10、Ca＋Mg＞4 mg/L、DOC＜20 mg/L、膠體＜0.5 mg/L。

4）與瑞典場址安全評價的主要指標(biāo)相比較，北山已有水文地球化學(xué)指標(biāo)滿足瑞典安全評價標(biāo)準(zhǔn)。但還應(yīng)根據(jù)我國場址特征，建立適合我國高放廢物處置水文地球化學(xué)的場址評價指標(biāo)。