蔣實，羅輝，陳偉明，李亞偉，金遠新

(1.中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083； 2.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 中核高放廢物地質(zhì)處置評價重點實驗室，北京 100029)

0 引言

目前，把高水平放射性廢物(簡稱高放廢物)埋在距離地表深約500～1 000 m的地質(zhì)體中，使其永久與人類的生存環(huán)境隔離，是國際上普遍接受的、可行的高放廢物最終安全處置方式[1-5]。高放廢物地質(zhì)處置選址工作一般分為4個階段[6-7]：方案設(shè)計和規(guī)劃階段、區(qū)域調(diào)查階段、場址特性評價階段和場址確認階段，其中區(qū)域調(diào)查階段的工作包括地段篩選和候選場址篩選。高放廢物地質(zhì)處置地段篩選是對預選區(qū)中具有有利條件的地段開展區(qū)域地質(zhì)、區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查及其他自然條件和社會經(jīng)濟方面的調(diào)查，以及1∶50 000 尺度及更為詳細的地表地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、地球物理和地球化學方面的研究，并進行若干個深鉆孔施工，初步了解深部巖體或巖層的特性[8]。我國自1985年啟動高放廢物地質(zhì)處置選址工作，先后完成了全國區(qū)域篩選、處置庫圍巖確定、重點地段篩選和適宜性評價等工作，最終選出華南、華東、西南、甘肅(北山)、內(nèi)蒙古和新疆等6大預選區(qū)[9-10]。2011年，經(jīng)過專家論證和審查，明確了甘肅北山預選區(qū)作為我國高放廢物地質(zhì)處置庫的首選預選區(qū)[8]，之后在北山篩選出了8個預選地段，并對舊井、新場、沙棗園、算井子等預選地段開展了選址和場址評價工作[11-17]。本文主要介紹甘肅北山預選區(qū)算井子地段地質(zhì)條件適宜性初步研究成果。

1 研究區(qū)概況

甘肅北山預選區(qū)算井子地段研究區(qū)范圍：東經(jīng)97°33′00″～97°50′00″，北緯 41°24′30″～41°34′00″，其面積約460 km2，位于玉門市北東約150 km處。研究區(qū)西段屬甘肅省肅北縣管轄，東段屬內(nèi)蒙古自治區(qū)額濟納旗管轄。算井子地段地處北山東北部，屬中低山區(qū)，海拔1 491～1 934 m，高差一般在100 m以下，最大不超過250 m，溝谷開闊。

2 研究區(qū)地表地質(zhì)特征

地表地質(zhì)特征研究主要以遙感地質(zhì)解譯、野外路線調(diào)查、地球化學取樣及淺部工程揭露為主要研究手段，對算井子地段內(nèi)巖性的種類、規(guī)模、產(chǎn)狀、相互關(guān)系以及地段內(nèi)斷裂的數(shù)量、規(guī)模、產(chǎn)狀、演化歷史等進行研究，查明巖體地表地質(zhì)特征及其與其他地層、構(gòu)造間的相互關(guān)系，為巖體完整性評價提供資料。

2.1 地層和巖性分布特征

算井子地段主要出露有青白口系圓藻山群大豁落山組(Qbd)、志留系中統(tǒng)公婆泉群(S2gp)、石炭系下統(tǒng)白山組(C1b)、白堊系下統(tǒng)赤金堡組(K1c)和第四系全新統(tǒng)(Qhapl)(圖1),出露面積最大的是第四系全新統(tǒng)(Qhapl)，占研究區(qū)總面積的28.91%，出露面積最小的是青白口系圓藻山群大豁落山組(Qbd)，占總面積的1.83%(表1)。

表1 算井子地段各地層出露情況統(tǒng)計

算井子地段侵入巖(算井子巖體)為華力西中期巖漿活動的產(chǎn)物，以酸性巖類為主，呈巖基狀產(chǎn)出，巖體侵入石炭系下統(tǒng)白山組、志留系中統(tǒng)公婆泉群地層。巖體內(nèi)接觸帶混染巖化強烈，頂部常見頂蓋狀圍巖殘留物，表明巖體的剝蝕程度較差。在綜合研究以往地質(zhì)資料及系統(tǒng)開展地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，將算井子巖體劃分為3個單元，即三道明水北片麻狀花崗閃長巖單元(CS1γδ)、三道明水花崗閃長巖單元(CS2γδ)、三道明水東中細?；◢忛W長巖單元(CS3γδ)(圖1)，出露面積分別為18.88、150.71、5.89 km2,主要成巖年齡介于350～359 Ma之間。從成巖年齡上看，片麻狀花崗閃長巖(CS1γδ)和花崗閃長巖(CS2γδ)形成的先后序列不足以明顯區(qū)分，認為是同期巖漿作用形成的產(chǎn)物，而中細?；◢忛W長巖(CS3γδ)的主要成巖年齡介于346～355 Ma之間，與花崗閃長巖(CS2γδ)的成巖年齡比較接近，從最年輕的成巖年齡數(shù)據(jù)顯示其成巖時間略晚于花崗閃長巖。

圖1 算井子地段地質(zhì)圖Fig.1 Geological map of Suanjingzi area

早期志留紀斷續(xù)的火山活動形成了中基性—中酸性火山巖夾陸源碎屑巖的建造，到晚古生代受海西運動的影響，伴隨著強烈的侵入活動，形成了區(qū)內(nèi)大面積的酸性巖體。研究區(qū)主要發(fā)育NE、NW向及巖體南部的山前斷裂，受山前斷裂的控制，算井子巖體總體呈NE—SW向分布，巖基狀產(chǎn)出，與區(qū)內(nèi)主構(gòu)造線方向一致；NE、NW向斷裂產(chǎn)于巖體內(nèi)部，將巖體分割成不規(guī)則塊狀。巖體侵位時代為早石炭世，巖體北側(cè)侵入于志留系中統(tǒng)公婆泉群，南側(cè)侵入于石炭系下統(tǒng)白山組，之后被晚期白堊系下統(tǒng)赤金堡組不整合覆蓋。巖漿侵位于石炭紀紅石山洋向南的俯沖消減及碰撞造山期再生繼承性陸內(nèi)裂谷盆地再次打開階段，巖體形態(tài)呈長條狀、近圓形、橢圓形，界面與圍巖多呈交角關(guān)系，捕虜體形態(tài)呈透鏡狀及不規(guī)則狀，屬于以巖墻擴張為主的被動就位機制。

2.2 斷裂分布特征

在算井子地段共確定9條斷裂(圖1，表2)，構(gòu)造破碎帶均已固結(jié)堅硬，未觀察到斷裂斷錯第四系松散堆積物及現(xiàn)代水系，各斷層砂楔和上覆的坡積礫石層均未擾動，遙感圖線性影像清晰，初步判斷斷裂在晚更新世以來沒有活動，為非能動斷裂。

表2 算井子地段斷裂構(gòu)造特征

算井子地段內(nèi)的斷裂構(gòu)造主要受馬鬃山弧形構(gòu)造控制，為區(qū)內(nèi)的基底斷裂，形成于震旦紀之后，加里東期之前。馬鬃山弧形構(gòu)造呈近EW向或NWW向展布，在區(qū)內(nèi)表現(xiàn)為巖體南部的山前大斷裂(F6)，其對區(qū)內(nèi)地層的分布起著控制作用，志留系中統(tǒng)公婆泉群及石炭系白山組地層分布于F6斷層兩側(cè)，算井子巖體也整體沿其延伸方向就位。斷層F5則形成于石炭紀區(qū)內(nèi)繼承性盆地再次打開階段，該斷層直接控制了算井子巖體的就位，嚴格控制巖體的南邊界。研究內(nèi)其余斷裂形成于華力西期之后，燕山期之前的北山山系形成階段，該期斷裂均切割了算井子巖體本身及區(qū)內(nèi)的脈巖，且NE向斷裂(F0、F3、F4)較NW向斷裂(F1、F2、F7、F8)形成晚，表現(xiàn)為NE向斷裂均止于NW向斷裂。

3 深部地質(zhì)環(huán)境特征

深部地質(zhì)環(huán)境特征研究主要以音頻大地電磁探測(AMT)和鉆探為手段。分別布設(shè)點距均為50 m，長度為11 800 m、方向為 NW325°的AMT探測剖面SJZ-AMT-A和長度15 000 m、方向為NW325°的AMT探測剖面SJZ-AMT-B(位置如圖1)，用以探測算井子巖體空間形態(tài)及巖體完整性；并在巖體西段和東段布設(shè)兩個600 m深鉆孔(BS22和BS23)，通過巖心地質(zhì)編錄和取樣分析測試獲得算井子預選地段中花崗巖體巖性的垂向分布特征，包括巖性的種類、規(guī)模、相互關(guān)系等，并查明巖體深部的完整性特征。

3.1 深部地球物理特征

2條AMT探測剖面的電阻率反演斷面(圖2)顯示，所探測地段具有相似的地電結(jié)構(gòu)，整體上呈高阻特征，說明巖體內(nèi)電性結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性，且?guī)r體深度應(yīng)大于2 km；電性不均勻體主要分布在2條探測剖面的淺部，推測巖體內(nèi)不存在深度大于400 m的電性異常。此外，SJZ-AMT-B剖面13 km處顯示的電性異常推測為巖體南邊界，從剖面分析，該邊界近于直立，WS傾向；剖面顯示巖體北邊也存在明顯的電性異常，推測為沉積地層，但巖體北邊界沒有明顯地反映出來。

圖2 AMT探測剖面電阻率二維反演地電斷面Fig.2 Two-dimensional inversion of resistivity of AMT probe profiles for geoelectrical area

3.2 鉆孔深部地質(zhì)特征

3.2.1 巖性特征

BS22和BS23孔所揭露的巖性以黑云母花崗閃長巖為主體，其中夾雜一些在巖漿結(jié)晶分異過程中形成的或后期侵入的鉀長花崗巖脈、石英脈及暗色礦物捕虜體(黑云母石英片巖)。BS22鉆孔中黑云母花崗閃長巖占巖心總長的99.4%， BS23鉆孔中黑云母花崗閃長巖占巖心總長的88.89%，巖石呈淺灰白色，以中粒、中細粒結(jié)構(gòu)為主，塊狀構(gòu)造。

鉀長花崗巖主要以脈體的形式產(chǎn)出，呈淺肉紅色，中細?；◢徑Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，在BS22鉆孔中共產(chǎn)出15處，最小厚度0.100 m，最大厚度1.840 m，總長3.640 m，約占全孔巖心總長的0.6%；在BS23鉆孔中共產(chǎn)出23處，最小厚度0.100 m，最大厚度 6.480 m，總長33.653 m，約占全孔巖心總長的 5.51%。

黑云母片麻狀花崗閃長巖呈青灰色，片麻狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。BS23鉆孔中巖心多呈長柱狀，局部碎塊，裂隙較發(fā)育，可見3組裂隙。在247.478～248.030 m段巖心破碎，248.770～250.528 m段因縱向裂隙發(fā)育，巖心呈碎片狀，寬度1～3 mm，由高嶺土填充。低角度裂隙寬度小于<1 mm，白色碳酸鹽充填。

黑云母石英閃長巖捕擄體僅在BS23鉆孔中產(chǎn)出，呈灰黑色，鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造，主要礦物成分為：石英50%±、黑云母30%±、斜長石15%±及綠泥石。黑云母石英閃長巖在黑云母花崗閃長巖中呈捕擄體出現(xiàn)在509.510～510.160 m及533.700～533.780 m處，約占全孔巖心總長的 0.1%。在巖體接觸帶附近，出現(xiàn)混合巖化。

3.2.2 巖石的蝕變作用

鉆孔揭露段的巖石，蝕變作用主要集中在構(gòu)造破碎帶和裂隙發(fā)育的位置，蝕變作用主要有綠泥石化、高嶺土化、泥化、鉀化及碳酸鹽化等。這些蝕變主要作用在地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育和富水地段，受應(yīng)力、溫度、水的綜合作用，巖石中的礦物成分逐步蝕變?yōu)楦邘X土、綠泥石，在巖石裂隙面產(chǎn)生高嶺土化、綠泥石化、泥化和鈣化薄膜。

3.3 鉆孔深部構(gòu)造特征

3.3.1 斷裂構(gòu)造特征

巖心編錄結(jié)果顯示，BS22構(gòu)造帶破碎帶不發(fā)育，僅在153.700～153.720 m處見一寬度0.02 m的斷層破碎帶，破碎帶由斷層角礫和斷層泥組成，角礫成分為花崗閃長巖，礫徑2～6 mm，棱角狀，含量約75%；BS23構(gòu)造帶、擠壓破碎帶較發(fā)育，全孔構(gòu)造破碎帶共17段，發(fā)育寬度0.100～6.690 m，發(fā)育總寬度 19.079 m，部分破碎帶由斷層角礫和斷層泥組成，角礫成分為花崗閃長巖，礫徑2～5 mm，棱角狀，含量約70%。

3.3.2 裂隙發(fā)育特征

結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度包括結(jié)構(gòu)面組數(shù)和平均間距，它們是影響巖體完整性的重要方面。通過巖心編錄，對BS22、BS23孔巖心的裂隙進行了詳細統(tǒng)計，以裂隙面是否有明顯空隙或是否導水為標準，把鉆孔巖石的裂隙分為開啟的和閉合的兩類。開啟裂隙表面大多粗糙，部分可見擦痕，主要充填物以碳酸鹽礦物為主，呈粉末狀、薄膜狀、薄片狀，另外還有高嶺土及鐵質(zhì)氧化物。巖心中的閉合裂隙十分發(fā)育，有碳酸鹽礦物緊密膠結(jié)。

經(jīng)統(tǒng)計BS22、BS23鉆孔巖心總體裂隙發(fā)育程度一般，BS22裂隙共有428條，BS23裂隙共有736條。巖心裂隙主要發(fā)育有兩組，呈“X”斜交，大多為閉合節(jié)理。裂隙面一般較平直，淺部和巖石蝕變程度較高的地段有高嶺土和鈣質(zhì)充填。將鉆孔中裂隙的傾角進行統(tǒng)計分析(圖3)，結(jié)果表明BS22鉆孔巖心裂隙的傾角主要以26°～40°和46°～60°兩組為主，BS23鉆孔中裂隙傾角分布較為離散，規(guī)律性不強。

圖3 BS22、BS23鉆孔巖心節(jié)理裂隙傾角統(tǒng)計Fig.3 Statistics of inclination angle of core fissures in BS22 and BS23

按裂隙間距劃分發(fā)育程度，裂隙間距小于20 mm為極發(fā)育、20～60 mm為非常發(fā)育、60～200 mm為發(fā)育、200～600 mm為較發(fā)育、600～2 000 mm為中等發(fā)育、2 000～6 000mm為不發(fā)育、大于6 000 mm為很不發(fā)育，對鉆孔中裂隙密度進行統(tǒng)計。BS22鉆孔巖心裂隙中等發(fā)育、不發(fā)育和很不發(fā)育三者所占比例之和為86%，說明該鉆孔的裂隙發(fā)育程主要為中等發(fā)育—很不發(fā)育；BS23鉆孔巖心裂隙較發(fā)育、中等發(fā)育、不發(fā)育和很不發(fā)育四者所占比例之和為98.4%，整個鉆孔的裂隙發(fā)育程度為較發(fā)育—很不發(fā)育；2個鉆孔巖心裂隙間距以大于600 mm為主。

3.4 鉆孔深部巖石完整性特征

巖石的完整性是由地質(zhì)構(gòu)造作用強度和裂隙的發(fā)育程度決定的。經(jīng)前文統(tǒng)計，BS22孔僅有1段構(gòu)造破碎帶，428條裂隙，斷裂構(gòu)造和裂隙均不發(fā)育；BS23孔有17段構(gòu)造破碎帶，736條裂隙，構(gòu)造破碎帶較為發(fā)育，裂隙發(fā)育中等。

將BS22和BS23全孔巖心以5 m為統(tǒng)計步距，進行裂隙發(fā)育程度和巖石完整程度統(tǒng)計(圖4)，2個鉆孔裂隙的發(fā)育程度和巖石的完整程度隨著深度的變化規(guī)律性不是太強，總體上隨深度增加，裂隙有減少趨勢。其中，BS22鉆孔裂隙線密度總體變化在0～5.2條/m之間，但150～350 m之間裂隙的密度相對較大，均值為1.25條/m；BS23鉆孔裂隙線密度總體變化在0～5.4條/m之間，但150～400 m之間裂隙的密度相對較大，均值為1.37條/m。

圖4 BS22、BS23鉆孔巖心裂隙發(fā)育程度隨深度的變化Fig.4 The degree of development of core fissures varies with depth in BS22 and BS23

我國于2014年發(fā)布的更新版強制性國家標準《工程巖體分級標準》(GB50218—2014)[18]中指出，巖體完整性指數(shù)(Kv)為巖體完整程度的定量指標，應(yīng)采用實測值，但當無條件取得實測值時，也可用巖體體積的裂隙數(shù)Jv，并按照表3計算Kv值。

表3 Jv與Kv對照值

巖體體積裂隙數(shù)(Jv)應(yīng)針對不同的工程地質(zhì)巖組或巖性段，選擇有代表性的露頭或開挖壁面進行裂隙(結(jié)構(gòu)面)統(tǒng)計。除成組裂隙外，對延伸長度大于1 m的分散裂隙亦應(yīng)予以統(tǒng)計，已為硅質(zhì)、鐵質(zhì)、鈣質(zhì)充填再膠結(jié)的裂隙不予統(tǒng)計。每一測點的統(tǒng)計面積，不應(yīng)小于2×5 m2。巖體Jv值計算公式為：

Jv=S1+S2+…+Si+…+Sn+Sk。

式中：Si為第i組裂隙每米長測線上的條數(shù)；n為裂隙組數(shù)；Sk為每立方米巖體非成組裂隙條數(shù)。

依據(jù)工程巖體的完整性分級標準，對巖石的完整程度進行統(tǒng)計分析(表4)，可以看出，盡管受到構(gòu)造破碎帶和裂隙的切割，BS22和BS23鉆孔巖石的完整性仍然較好，且BS22鉆孔巖石完整性好于BS23鉆孔。

表4 BS22、BS23鉆孔巖石完整程度統(tǒng)計

4 研究區(qū)三維地質(zhì)特征

對研究區(qū)地表地質(zhì)調(diào)查和深部地質(zhì)環(huán)境研究中的遙感影像數(shù)據(jù)資料、地形圖數(shù)字資料、地質(zhì)調(diào)查資料、地球物理探測資料、鉆孔編錄資料等進行綜合解譯和分析，利用Micromine軟件建立預選地段的三維地質(zhì)模型，直觀反映算井子地段巖體和斷裂構(gòu)造的空間展布形態(tài)及其相互關(guān)系等三維地質(zhì)特征，綜合分析地段的地質(zhì)條件適宜性。

4.1 斷裂模型

三維斷裂模型的建立的思路是[11-12]：首先，提取地質(zhì)圖中的斷層線與遙感影像進行對比校正，將校正后的斷層線與地表DTM數(shù)據(jù)進行疊加，生成斷層的地表軌跡；然后利用地表地質(zhì)調(diào)查獲得的斷裂產(chǎn)狀信息將斷層地表軌跡線復制外推，生成一系列斷層的空間軌跡；再根據(jù)地球物理剖面和地質(zhì)剖面對三維空間中斷層軌跡線進行調(diào)整，使得斷層在空間的分布與地質(zhì)剖面和地球物理解釋剖面相一致；最后利用軟件生成研究區(qū)斷層網(wǎng)格模型。建模時斷裂產(chǎn)狀取值原則為：傾向和傾角若在調(diào)查時有確切產(chǎn)狀用確切產(chǎn)狀，若產(chǎn)狀為某一范圍則傾向取垂直走向方向平均值，傾角直接取平均值。

算井子地段共發(fā)育9條斷裂構(gòu)造，主要分為NE向(F0、F3、F4)、NW向(F1、F2、F7、F8)及南部山前大斷裂(F5、F6)3組。生成的算井子地段斷裂空間展布見圖5。

圖5 算井子地段三維斷裂模型Fig.5 Three-dimensional fracture model of Shoujingzi section

4.2 巖性模型

巖體邊界和形態(tài)主要由水平剖面和豎直剖面控制。先將實測地質(zhì)剖面、物探解譯地質(zhì)剖面、鉆孔剖面導入三維空間，參考地質(zhì)資料繪制一系列平行于物探剖面線方向的圖切剖面。然后參照地質(zhì)調(diào)查資料，由圖切剖面和物探解譯所得地質(zhì)剖面控制，在水平方向上不同深度繪制一系列水平剖面，用于控制不同巖性單元和斷裂在空間上的三維展布；最后選擇相同巖性的界線進行插值生成巖體的邊界面，進而生成完整的巖體實體模型(圖6)。

圖6 算井子地段三維地質(zhì)模型Fig.6 Three-dimensional geological model of Shoujingzi section

算井子巖體北側(cè)侵入于志留系中統(tǒng)公婆泉群(S2gp)，南側(cè)侵入于石炭系下統(tǒng)白山組(C1b)，之后被晚期白堊系下統(tǒng)赤金堡組(K1c)不整合覆蓋，第四系覆蓋于巖體之上。

4.3 模型可視化分析

三維地質(zhì)模型是后續(xù)開展系列工程地質(zhì)研究的基礎(chǔ)，在三維地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上可以快速地編制大量的基礎(chǔ)地質(zhì)圖件，比如構(gòu)造平面圖、剖面圖、等厚圖、等值線圖等，以了解巖體深部地質(zhì)環(huán)境特征。此外，還可以隱藏其他信息對局部進行分析，或切取任意大小局部模型對研究區(qū)內(nèi)任意大小范圍內(nèi)地層進行構(gòu)造分析，更有利于場址的選擇。

隱藏地層后可直觀看到巖體與斷層的空間展布關(guān)系，算井子巖體總體呈NE—SW向分布，被9條斷裂將巖體自西向東大致切割成3塊(圖7)，Ⅰ號巖塊面積約45 km2，Ⅱ號巖塊面積約25 km2，Ⅲ號巖塊面積約23 km2。Ⅰ號巖塊面積最大，其外圍F2、F4、F5傾角均較陡。避開斷層，在Ⅰ號巖塊以BS22為中心，面積約31 km2的區(qū)域內(nèi)(圖8)，巖性較單一(為花崗閃長巖)，容積足夠大，深度超過2 km，且該區(qū)域內(nèi)沒有斷裂構(gòu)造通過，完整性好，認為該區(qū)域可作為未來高放廢物處置庫的潛在候選場址。

圖7 算井子巖體與斷裂的空間展布關(guān)系(圖例說明同圖6)Fig.7 Three-dimensional relationship between granite bodies and faults in Shoujingzi area(the legend description is the same as Fig.6)

圖8 潛在場址的空間位置(圖例說明同圖6)Fig.8 The spatial location of the potential site(the legend description is the same as Fig.6)

5 結(jié)論

通過在算井子地段開展地表地質(zhì)特征研究、深部地質(zhì)特征研究和三維地質(zhì)建模，初步查明了算井子巖體的巖性和斷裂空間分布特征，得出如下結(jié)論和認識：

1) 算井子地段內(nèi)主體巖性為花崗閃長巖，巖體的外圍有長城系、奧陶系、侏羅系、白堊系和第四系等地層?；◢弾r體呈巖基狀產(chǎn)出，深度超過2 km，總體呈NE—SW向分布，與區(qū)內(nèi)主構(gòu)造線方向一致，出露面積約176 km2。花崗巖體巖性單一，深部完整性好，巖石蝕變程度低。

2) 算井子地段共發(fā)育9條斷裂構(gòu)造，主要分成NE向(F0、F3、F4)、NW向(F1、F2、F7、F8)及南部山前大斷裂(F5、F6)3組斷裂，這些斷層基本發(fā)育在巖體里面，傾角較陡(>50°)，其中長度大于10 km的3條，長度在2～10 km的7條。

3) 1號巖塊內(nèi)(以BS22中心約31 km2區(qū)域)切割體巖性較單一，容積足夠大，完整性好，可用作為未來高放廢物處置庫的潛在候選場址。

綜上，算井子地段作為高放廢物地質(zhì)處置預選地段，地質(zhì)條件適宜性較好。