三维地质建模是运用计算机技术在三维环境下,将空间信息管理、地质解译、空间分析和预测、地学统计、实体内容分析以及图形可视化等工具结合起来,并用于地质分析的技术^[1,2,3,4]。相对于传统的二维地质数据表示方法,三维模型能够直接从三维空间的角度去理解和表达各种地质现象,快速直观地再现各地质单元的空间展布特征及其相互关系,挖掘隐含的地质信息,方便工程决策、地质分析等^[5,6,7] 。

高水平放射性废物(高放废物)的安全处置受到世界各国的高度关注^[8,9]。高放废物处置库选址分为4个阶段:方案设计和规划阶段、区域调查阶段、场址特性评价阶段、场址确认阶段,而区域调查阶段地段筛选就是在预选区中有利地段开展调查研究,初步了解深部岩体或岩层的特性,从而筛选出若干满足要求的预选地段^[10]。我国高放废物处置库选址工作始于1985年,已开展了处置库选址、场址评价、处置工程、安全评价、地下实验室场址筛选等研究^[11,12,13],获得了大量地质资料和成果。然而这些资料与成果形式多样,场址评价工作者很难对其在处置主岩中的分布规律有一个整体和直观的把握,因此亟需利用一些先进的手段方法,系统地将这些成果综合利用起来进行分析,达到对地质条件直观和深入理解的目的。

本文以高放废物地质处置新疆预选区中的天湖预选地段为研究对象,将野外勘查获得的各种地质信息,包括地形数字资料、地表地质调查资料、工程地质勘查资料及地球物理测量资料等信息进行综合研究,建立三维地质模型,处理岩层界面与结构面的组合关系,表达地质信息在处置主岩中的分布规律,尤其是处置库围岩的空间分布特征及与其他岩层和断裂的相互关系,处置库围岩的深度、体积、深部形态等,提高对深部地质环境的认识,进而指导预选地段筛选及后续处置库的选址、场址特性评价等工作。

天湖预选地段位于新疆维吾尔自治区哈密市东南部,面积约467 km²,其东南段跨入甘肃省酒泉市瓜州县及敦煌市境内,为东天山东部至北山山系的西延部分,地貌以低山丘陵和戈壁荒漠为主,地势总体东高西低。

天湖预选地段地层分区均属天山—兴安岭地层区,以库米什—红柳河隐伏断裂为界,北部为中天山地层分区卡瓦部拉克地层小区,南部为北山地层分区穹塔格—马宗山地层小区^[14]。该地区所处位置地质构造十分复杂,地层变质变形强烈。研究区内出露有古元古界天湖铁矿岩组地层(属区内最老地层)、中元古界长城系古硐井岩组地层以及寒武系、二叠系、第四系等地层(图1)。

天湖地段花岗岩体呈等轴状岩株产出,出露面积约123 km²,侵入于古元古界天湖铁矿岩组变质岩系(Pt₁t)、中元古代湖东片麻状花岗岩(Pt₂H)及二叠系红柳河群(P₁h),接触界面多外倾。岩体南侧外接触带角岩化发育,其宽度约数十米至数百米。内接触带捕虏体发育,主要为灰黑色细粒花岗闪长岩,其形态呈球状、椭球状,直径几厘米到几十厘米不等。在岩体中分布有大量NNW向二长花岗岩脉和辉绿岩脉。

天湖预选地段花岗岩序列由3个花岗岩单元组成,呈套叠式、同心环带状分布(图1),其中一单元(T₁T¹) 分布在天湖花岗岩岩体边部,形成一个较规则外环带,岩性主要为灰白色中粒含斑黑云母二长花岗岩;二单元(T₁T²) 分布在一单元内部,仅为一个侵入体,与一单元呈脉动式侵入接触关系,岩石为灰色,具有半自形粒状含斑镶嵌结构,块状构造,岩性为中粒—中细粒黑云母花岗闪长岩;三单元(T₁T³) 由4个侵入体组成,其中有3个侵入体分布在岩体中部,北起天湖火车站西南,呈NE向排列,延伸至天湖岩体西南部,自北部起依次编号为①、②、③,②号侵入体较大,约2 km²,其余两个均约1 km²,这3个侵入体与二单元呈脉动式侵入接触关系。3个花岗岩单元在空间上呈套叠式、同心环带状分布。地球物理测量显示花岗岩体深度超过2km。

工作区脉岩十分发育,其中与天湖岩体成因关系密切的主要有细粒花岗岩脉、伟晶岩脉以及石英脉,而与区域构造关系密切的脉岩有辉绿岩、闪斜煌斑岩、闪长玢岩和石英脉岩等。区域性脉岩辉绿岩、闪斜煌斑岩、闪长玢岩等十分发育,且大都切穿天湖岩体,表明其侵入活动晚于二叠纪晚期侵入的天湖岩体(即华力西晚期造山运动),这些脉岩是在造山运动之后(中新生代),陆内出现相对拉张的构造环境下的产物。

天湖预选地段外围构造较为发育,主要有图幅外北部尾亚—沙泉子和南部红柳河2条EW向区域性大断裂带,预选地段内主要在天湖岩体以北发育有捷山子大断裂(F₂)。受此3条区域性大断裂影响,预选地段内断裂构造相对发育。经遥感解译和地表追索调查,天湖预选地段在图幅内(图1)共发育有37条断裂,且岩体以南比岩体以北断裂更加发育,而中南部受EW向区域性大断裂控制发育NE向和NW向的小断裂。在天湖岩体内仅发育1条NW走向、长约2 km的断裂(F_5-1)。总体上,天湖预选地段断裂构造虽然发育,但断层时代较老,断层岩均以硅化角砾岩为主,无活动构造迹象^[14],其对天湖花岗岩体的稳定性没有影响,为处置库场址筛选和评价的有利条件。

天湖岩体中发育一组排列规则的裂隙构造蚀变带,这些裂隙构造蚀变带主要分布在天湖火车站以西花岗岩体内,走向一般为NW340°,在裂隙构造蚀变带的北西端走向略有偏转,变为NW320°~300°。在天湖花岗岩体西缘T_1-2T¹单元一带,裂隙构造蚀变带中大都充填了中基性脉岩,包括闪长玢岩脉、辉绿岩脉、闪斜煌斑岩等,而在东部裂隙构造蚀变带中,中基性脉岩充填较少。裂隙构造蚀变带延伸规模不一,大多数长度在300~2 000 m之间,研究区内裂隙构造蚀变带共计33条,其间隔约100~500 m,为主干裂隙构造蚀变带(图1)。在岩体中部北侧,即中部T₁T²单元的北部,是裂隙构造蚀变带最密集处。

地质建模使用北京网格天地软件技术有限公司开发的深探地学建模软件。该软件包含7个模块:构造建模模块、矿体建模模块、构造演化模块、应力建模模块、模型数据库管理模块、速度与属性建模模块及油藏地质建模模块,能够完成复杂地质体的结构建模和属性建模。本研究主要使用构造建模模块、矿体建模模块和模型数据库管理模块3个模块来完成。构造建模模块系统的核心是三角网格剖分技术和优化的算法,可以自动计算断层、地层接触关系,依据原始数据快速生成精细三维构造模型。在网格化过程中既充分考虑到断层之间的接触关系、地层之间的接触关系和断层与地层之间的接触关系,又可加入地质学家的认识,准确描述出更接近地质实际的三维地质构造模型。矿体建模部分可直接利用地质图件解释数据,创建任意大小形态的矿体,可满足本次脉体建模的需求。同时,地质体间大量的接触关系可通过软件的地质体相交功能进行处理,运用地质构造运动关系切割地质体生成模型,所建的模型更符合地质实际。该软件用于本次建模主要有有3个方面优势:为没有数据的工区解译三维地质数据体;地质体间实现真正的无缝拼接;可创建任意形态大小的脉体、蚀变带等三维地质体。

本研究主要目的是对天湖预选地段的卫星遥感影像数据资料、地形图数字资料、地质调查资料及地球物理测量等相关数据进行处理,从而建立该地段(面积526.75 km²、深度2 km)包含基本岩性分布、断层、地质体、脉体和蚀变带的三维地质体模型,直观反映新疆预选区天湖地段岩性和断裂特征及其空间分布,尤其是处置围岩的深度、体积,从三维空间的角度为预选地段的筛选提供综合地质依据。

地质体建模的基本思路为:采用三维构造建模技术与构造解释相结合,将卫星遥感影像数据资料、地形图数字资料、地质调查资料及地球物理测量等相关数据整理成软件可接受格式导入,利用相干体技术及三维构造可视化技术对地质体及断层的分布,尤其是对小断层、小幅度构造的分布细节进行仔细分析和研究,实现由点到线,由线到面的空间立体综合解释,在解释过程中,认真推敲地质体产状及其变化,注重小断层细节,用瞬时相位技术识别断点,做到准确解释,并最终得到成果地质体模型。

构造建模的过程是根据解释成果,采用断裂恢复法由解释的断层和地层数据直接网格化生成地质面,其中一个主要难点就是地层不整合关系的处理。工作区存在大量的不整合地层,不整合关系是由地质构造运动产生的,因此从构造运动出发处理不整合关系建成的模型才更具地质真实性。如果采取简单的圈定边界生成地质体的方法建立的模型,各地质体间不存在先后顺序,无地质构造运动的概念,而且各地质体间不可能实现完全的无缝相接,导致模型无限放大后地质体间会有缝隙。本次所用的深探地质软件正好可以解决这一问题,它采用还原地层的方法,首先按照地层沉积的层序建立覆盖工区的所有地质体模型,再按照构造运动的先后次序进行地层的相交处理,就像地质构造运动一样,先生成的地层经过一段时间的沉积后,花岗岩体再侵入进来,将先沉积的地层切割掉,最终得到符合沉积次序的较为真实的三维地质体模型。

脉体建模是根据脉体产状选取不同的地层或断层作为创建脉体的参考面,按照地形图数字资料、地质调查资料及地球物理测量等资料上的相关信息提取边界线,根据精度要求设置网格步长后创建离散化三维脉体数据,设置脉体与地层或断层的交接关系后即可得到三维脉体模型。由于脉体一般是侵入体与围岩发生交代作用的产物,因此最后需处理脉体与围岩、侵入体间交切关系。

通常在构造建模时使用最小曲率和反距离加权法生成地层,可以在保证建模效率的前提下很好地控制构造的形态特征。本次建模针对花岗岩体采用的是反距离加权和几何光滑相结合的方法,针对变质岩、沉积岩等地层均采用最小曲率法。由于建模区域面积较大,可用数据量相对较少,为了提高模型的准确度,本次建模依据地质认识,通过增加虚拟剖面的方法进行构造解释,对地层形态进行控制。

整个建模过程可以划分为数据预处理、地质面的构建、线框模型的构建和地质体的构建等步骤。

1) 在深探地学建模软件中导入天湖研究区DEM离散点数据,设定地层面网格大小为200 m,采用最小曲率算法和三角网格化算法插值生成地表面。

2) 在地表面的基础上,把BMP格式的天湖地质图覆盖在地表面上,并采用坐标定位技术使导入的图片与地表面完全重合。

3) 利用深探地学建模软件的地震解释模块功能,实现二维剖面的三维立体展布。按照对应的坐标位置,把天湖地段3条实测地质剖面(剖面位置见图1)的BMP位图导入软件,并采用坐标定位技术使剖面图在三维空间与地表面完全吻合。

4) 依据天湖地形数据生成地表面,并在地表以下约2 km处建立水平地层面,作为岩体的基底。

完成天湖三维工区的构建与数据加载(图2)。

综合考虑研究区断层的位置、长度、宽度、走向、倾向、倾角、延伸趋势、断层交切关系等一系列断层性质,在地表面(DTM)、基底面、地质剖面及地球物理剖面上解释断层线,对于没有剖面控制的断层,通过添加虚拟地震解释剖面进行辅助解释,完善控断层形态的断层数据,实现由点到线,由线到面的空间立体综合解。

调整断层的边界,使断层的长度和断层边界吻合, 设定断面网格50 m, 采用最小曲率算法和三角网格化算法插值生成断层面(图3)。定义断层之间的交切关系,建立合理、完善、准确的断层模型。

天湖区块共建立断层37条,其中断层长度大于10 km(包括建模区域以外延伸部分)的有4条,长度在2~10 km的有19条,长度小于 2 km的有14条(图3)。

针对天湖研究区内岩体间的接触关系复杂的情况,为满足岩体间的无缝融合与连接,把地质体大致划分为沉积模式和侵入模式两大类来进行建模。

按沉积模式建模的地质体有:Qh¹第四系全新统湖积物、Qh^pl第四系全新统洪积物、(Qp³-Qh)^pl第四系更新统—全新统洪积物、∈₁x西大山组灰黑色硅质岩夹角砾状灰岩、Chg长城系古硐井岩组大理岩—白云质大理岩及片岩、P₁h²红柳河群中亚组灰色变质砾岩和砂岩、P₁h¹红柳河群下亚组灰色变质砂岩、Pt₁t^c天湖铁矿岩组c段白色大理岩—石英片岩和石英岩、Pt₁t^b天湖铁矿岩组b段绢云母石英片岩—黑云母片岩夹黑云母斜长片麻岩、Pt₁t^a天湖铁矿组a段厚层石英岩夹石英大理岩—绢云母石英片岩。

按侵入模式建模的地质体有: P₃W¹二叠纪石英正长岩单元、P₃T³晚二叠世细粒黑云母二长花岗岩单元、P₃T²晚二叠世中—中细粒黑云母花岗闪长岩单元、P₃T¹晚二叠世中—中粗粒含斑黑云母二长花岗岩单元、γδP₂H中二叠世中粒黑云母花岗闪长岩单元、ηγP₂H中二叠世中粒黑云母二长花岗岩单元、ηγD泥盆纪黑云母二长花岗岩、γδPt₂H中元古代片麻状黑云母花岗闪长岩单元、ηγPt₂H中元古代片麻状黑云母钾长花岗岩、P₃W²二叠纪黑云母二长花岗岩单元。

在地质图、地质剖面图及地球物理剖面图上解译并提取地质界线,由于研究区实测剖面图较少,本次建模增加了50多个虚拟剖面(图切剖面)作为辅助解释,用于创建各自独立的三维地质数据体,并进一步利用地震数据体格式采样功能,建立整个研究区的离散点数据。设置地层面网格大小为200 m。考虑到岩体分界面的离散点在三维空间展布及特点,沉积模式地质体的分界面采用最小曲率插值算法和三角网格化算法插值生成地质分界面,侵入模式地质体的分界面采用反距离加权算法和三角网格化算法插值生成岩体分界面,并同时采用层面平滑技术增强岩体分界面与离散点之间的吻合程度。

在断层和地层分界面的约束下,通过定义岩体分界面与地表面(DEM)和基底面之间的削截关系及岩体分界面之间的削截关系,使岩体在三维空间内形成封闭的空间场景包围盒, 并计算生成地质体(图4)。

天湖区块共含有22个脉体,33个蚀变带。针对脉体与蚀变带宽度较薄、形态较规则的特点,采用特有的脉体与蚀变带建模方案: ①对研究区地质资料综合解译,确定脉体、蚀变带的位置、长度、宽度、个数、走向、倾向、倾角等信息;②在地质图、地质剖面图、地球物理剖面图中,依据解释断层的模式,在脉体、蚀变带的一侧勾画断层线,并通过添加虚拟地震解释剖面进行辅助解释,完善控制脉体(蚀变带)形态的断层线数据,使建立的数据在位置、长度、走向、倾向、倾角上与脉体和蚀变带的产状保持一致;③定义对应的断层面作为参考面,设置脉体与蚀变带的宽度,深探地学建模软件系统按照设置的宽度值,采用地震重采样的功能,沿参考断层面形态采样离散点(图5a);④在天湖三维工区内形成独立的三维工区,通过三维空间坐标变换技术,沿采样的离散点生成脉体或蚀变带的顶底面,形成三维工区内的空间场景包围盒,生成脉体和蚀变带(图5b)。

将建好的脉体、蚀变带模型与地质体做相交处理后,即得到天湖预选区的三维地质体模型(图6)。

目前国际上普遍接受的高放废物地质处置方案是深部地质处置,即把废物埋在距离地表深约500~1 000 m的地质体中,因此,深部地质环境在高放废物地质处置研究中尤为重要。建立研究区三维地质模型后, 可以对模型进行任意剖面切割、开挖、量算和有用信息提取等操作,方便直观地对深部地质结构信息进行分析,对后续开展高放废物处置库选址相关工作具有重要的指导意义。

三维地质模型实现了数据、模型、图的一致性,能通过图件内容的异常及时反映出数据的错误并及时调整和修正。利用地质模型可以开展一系列三维可视化分析,对整体或局部关注的地质体或要素进行多角度多方式的展示。将模型中的天湖花岗岩体与断裂提取出来(图7a),可以直观地看到花岗岩岩性单一,岩体呈岩株状,且边界外倾,岩体深部横截面变大,深度2 km的岩体体积约为296 km³;断裂主要分布在花岗岩体外部,岩体内仅发育1条NW走向、长约2 km断裂。在模型中仅显示花岗岩体、蚀变带及岩脉(图7b),可以看到,岩体内部NNW向的裂隙构造蚀变带比较发育,岩体西部的裂隙构造蚀变带中大都充填有中基性脉岩,东部裂隙构造蚀变带脉岩充填较少。

在三维地质模型的基础上可以快速地编制大量的基础地质图件,如构造平面图、剖面图、等厚图、等值线图等。对天湖地段进行剖面切割,随机选取3条剖面进行岩体深部地质信息探讨,其中剖面Ⅰ、Ⅱ为两条平行的近南北向剖面,剖面Ⅲ与剖面Ⅰ、Ⅱ垂直相交(图8),可以看出,3条剖面上岩性主体均为花岗岩,沿剖面Ⅰ(近东西)方向蚀变带分布较为密集,剖面Ⅰ、Ⅱ南部和剖面Ⅱ、Ⅲ东北部蚀变带分布较少,岩体南部和东北部相对完整。

利用模型单独提取岩体、断层、蚀变带等信息,并切取剖面对深部地质环境进行分析后,初步认为天湖预选地段适宜开展进一步工作,由于岩体中、西部裂隙构造蚀变带发育,完整性受到了一定影响,岩体东北部和南部更适宜开展进一步工作。

利用三维模型进行缩放、平移、剥离、叠加、拾取等操作,可以从不同角度和方位观察、分析深部地质特征,便于初步筛选场址;对选定场址内的任意小块进行切割和开挖,方便对可选用价值较高的区块进行精细的构造分析,以确定是否有足够的容积开展废物处置,并在合适的位置进行虚拟处置巷道和处置坑的布设,为场址评价提供技术支持。

切取天湖预选地段两个钻孔所在花岗岩块的局部模型(图9),该岩块无断裂通过,但NNW向的裂隙构造蚀变带比较发育,TH-2号孔以东相对完整。钻孔揭露资料显示,TH-01和TH-02钻孔裂隙蚀变带均较发育,TH-01钻孔256 m以下岩石完整,TH02钻孔239.35~301.50 m、350.30~457.60 m、507.00~596.35256 m三段岩石完整。利用地质模型进行不同深度水平方向剖切研究,发现岩块在510.00~595.00 m深度范围内蚀变带减少,有更大范围进行虚拟处置坑道和巷道的布设,可对场址不同深度的适宜处置面积进行对比,为将来处置库深度和空间布设提供有益参考。

基于成果模型还可开展距离、面积、体积等量算,为未来处置库的空间布设及单个处置坑的展布尺寸等提供设计依据。随着高放废物地质处置选址工作进一步深入,地质模型作为基础模型还将为场址性能评价提供重要的构造形态规模和性质参数,为水文地质建模、地球化学建模等数值计算等提供边界条件。此外,随着研究区地质资料的不断丰富,还可结合地质统计学相关知识,对深部地质环境进行预测,并利用实际地质资料对模型进行修正,不断提高模型的可预测性和可靠性。

1) 结合三维地质可视化模型的理论方法和研究区地质资料,运用深探地学建模软件建立了天湖预选地段地质模型,描述了预选地段三维构造形态,实现了数据、模型、图件的统一。可以从二维到三维、从整体到局部,综合地对研究区地质条件进行三维可视化分析,直观地表达地质信息在处置主岩中的分布规律。

2) 从岩性组合与岩体形态及空间展布来看,天湖地段花岗岩体岩性单一,呈等轴状岩株产出,花岗岩边界外倾,岩体体积满足处置库场址条件;断裂主要分布在花岗岩体外部,仅在岩体东南部发育一条走向NW、出露长度2 km的断裂;岩体内部脉体和蚀变带较为发育,岩体中、西部完整性受到了一定影响,岩体东北部和南部更适宜开展进一步工作。

3)建立研究区三维地质模型,可以方便对研究区地质资料进行有效管理,依托模型可随时查询、更新地质数据,分析各种地质信息在整个模型中的分布特征及规律,提高对于地质规律的认识,可以更好地指导处置库的选址、场址评价以及处置库的建造等工作。

4)随着研究区地质资料的不断丰富,以建立的地质模型为基础,可结合地质统计学相关知识对深部地质环境进行预测等探索;三维地质模型作为基础模型还可以为场址性能评价提供重要的构造形态规模和性质参数,为高放废物地质处置研究区其他模型的建立和数值计算等提供边界条件。

衷心感谢北京网格天地软件技术有限公司孙艳霞、支亮两位工程师在建模过程中提供的技术支持和帮助。