高水平放射性核废物(以下简称高放废物)地质处置作为一项特殊的工程项目,在各核工业国家受到普遍重视^[1]。目前,深地质处置(将废物处置在地表以下500~1 000 m深度)是国际社会普遍接受的、可行的高放废物最终安全处置方式^[2⇓-4]。1985年我国启动了高放废物地质处置库场址筛选开发工作,提出我国可以作为高放废物处置库围岩的类型有花岗岩、黏土岩、岩盐和凝灰岩,在综合考虑到各类岩石的分布和社会经济等条件的基础上,优先对花岗岩场址进行了研究。经过30多年的发展,先后开展了全国区域筛选、处置库围岩确定、重点地段筛选和适宜性评价等工作^[5⇓⇓-8],最终,甘肃北山预选区被确定为我国高放废物地质处置库首选预选区。从1999年开始,国家国防科技工业局先后批复了6个有关北山预选区处置库场址调查与评价的项目(简称“北山一~六期”),以这6个项目为依托,依次对北山预选区中旧井、野马泉、新场—向阳山、沙枣园和算井子等5个预选地段开展了场址调查等工作^[9⇓⇓-12],并从中筛选出高放废物处置库候选场址。北山预选区花岗岩型处置库候选场址调查与筛选过程也是我国高放废物地质处置库候选场址调查与评价方法的研究过程。本研究以《核安全导则 高水平放射性废物地质处置设施选址》^[13](以下简称“选址导则”)为指导,基于选址准则的10个方面,综合运用地质—地球物理—水文地质—地球化学等研究方法,建立了系统的处置库候选场址调查与适宜性综合分析方法,并在甘肃北山预选区算井子预选地段初步筛选出处置库候选场址。

甘肃北山预选区是我国高放废物地质处置库场址6大预选区之一^[6],位于甘肃西北部和内蒙古西部,其行政区划隶属于甘肃酒泉市及内蒙古阿拉善盟额济纳旗。区域上,北山造山带处于西伯利亚板块、哈萨克斯坦板块和塔里木—华北板块的结合部位,在大地构造位置上属于中亚造山带南缘(图1a)。预选区的地层分属天山—兴安地层区北山地层分区,区内出露的地层较齐全,由老到新有元古宇、寒武系、奥陶系、志留系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系、古近系、新近系和第四系^[7-8]。区内花岗岩广泛出露(图1b),据统计,北山预选区内共有21个花岗岩体,单个岩体的面积从20 km²~800 km²不等,总面积达6 400 km²。花岗岩类的形成时间可从前寒武纪一直延续到中生代燕山期,而出露面积最广的花岗岩类属于华力西期,并主要集中在华力西晚期。北山地区广泛分布的微陆块、岛弧、洋壳块体、沉积变质块体和增生杂岩块体等众多地体,在3大板块的相互作用下经历了多次增生拼合,在复杂的地质过程中,北山境内自北向南以此形成了4条蛇绿岩带。

算井子地段地处北山东北部,属中低山区,主要出露有青白口系圆藻山群大豁落山组、志留系中统公婆泉群、石炭系下统白山组、白垩系下统赤金堡组和第四系全新统地层。侵入岩为华力西中期岩浆活动的产物,以酸性岩类为主,呈岩基状产出。

选址导则把处置库选址过程划分为规划选址、区域调查、场址特性评价和场址确认4个阶段。区域调查阶段的目标是在一个或若干个预选区内筛选出2个或2个以上适宜建造处置设施的候选场址,即对预选区中的具有有利条件的地段开展调查,筛选出若干个适宜建造处置设施的候选场址,供进一步的比选和场址特性评价。

选址准则分为地质条件、未来自然变化、水文地质、地球化学、人类活动、建造和工程条件、废物运输、环境保护、土地利用、社会经济和人文条件10个方面。通过对选址导则的研读,将这10个方面的内容归纳为场址的安全性、可建造性和可接受性3项属性。地段的适宜性主要体现在地段所在(或所含)岩体的适宜性上,本文以北山预选区算井子地段(岩体)为例,开展了以上10个方面的调查,重点阐述了调查方法及调查结果。

安全性调查涉及地质条件、水文地质、地球化学、未来自然变化和人类活动5个方面。

地质条件调查研究是岩体安全性调查的重点,在预选地段开展地质条件研究,排除颠覆性因素。本研究通过地表地质调查、深部地质勘查和三维地质建模研究,查明场址中岩性和构造的空间分布特征,以满足处置库场址安全评价基本要求。首先以ArcGIS和MapGIS操作软件为平台,利用1∶2.5万QuickBird遥感数据对研究区内重要构造、成岩物源、特殊蚀变等开展遥感地质解译,获得算井子地段面积约375 km²遥感解译图,并结合野外地质调查,获得了研究区1∶5万地表地质资料;然后在近南北方向施工3条AMT探测剖面对构造和岩体深部展布形态进行探测,并施工了2口深度约600 m的钻孔对深部地质环境条件进行揭露;最后通过三维地质建模研究,对获取的地质资料进行综合解译,利用场址特征数据建立三维可视化地质模型,直观、清晰地展现场址的地质结构和特征。

算井子地段花岗岩体地表呈NE向长条状出露^[15],长约22 km,宽约8 km,出露面积176 km²(图2)。地球物理探测结果显示,算井子地段花岗岩体的深度可达地下2 000 m。经BS22和BS23(孔深均为600 m)钻孔勘察,均未揭露到岩体的底板,说明花岗岩体厚度大于600 m。算井子花岗岩体由三道明水北、三道明水和三道明水东3个单元组成(图2),其中三道明水单元是算井子花岗岩体的主体,呈NE向长条状展布,出露面积约151 km²,岩性为块状花岗闪长岩;三道明水北单元分布于三道明水单元西北侧,并早于三道明水单元形成,出露面积约19 km²,岩性为片麻状花岗闪长岩;三道明水东单元侵入于三道明水单元的东北部,出露面积仅6 km²,岩性为中细粒花岗闪长岩。算井子地段花岗岩岩体以酸性侵入岩为主,岩浆侵入活动为晚古生代,岩浆在侵入过程中受断裂构造的控制,以岩墙扩张的方式就位。该地段共发育9条断裂构造,主要分成NE向(F₀、F₃、F₄)、NW向(F₁、F₂、F₇、F₈)及南部山前大断裂(F₅、F₆)3组断裂。断裂活动具多期次的特点,无任何新构造活动的迹象,岩体比较稳定。

在研究区开展水文地质调查,通过区域水文地质调查、沟谷洪流监测、2口钻孔抽水试验和压水等水文地质试验、浅部地下水取样分析、井中瞬变电磁法测量等手段,获得了地下水循环交替特征、地下水化学特征、地下水同位素及溶解气体特征等资料,掌握地下水的赋存和运移条件,为核素运移和岩体适宜性评价提供依据。

算井子地段地处北山预选区北部腹地,区内降水量小,年平均降水量不足90 mm,年平均蒸发量大于3 000 mm。地下水资源匮乏,以接受大气降水补给为主,补给能力弱,地下水主要以潜水的形式赋存于50 m以上的风化裂隙中,据算井子地段深钻孔揭露的平均水位埋深为3.12 m(图3)。算井子地段裂隙相对填充和闭合,地下水赋存空间极为有限,富水性主要受控于地形地貌和岩性构造,单井涌水量小于100 m³/d,岩体含水量小。

在算井子地段采用Guelph渗透仪和双环入渗仪,开展浅部包气带渗透试验,获得了浅部渗透性特征数据,并利用双栓塞水文地质试验,获得了算井子地段不同深度的渗透性参数。该地段岩体完整段渗透系数分布在1.00×10^-11~1.00×10^-10 m/s,裂隙带为1.00×10^-8~1.00×10^-6 m/s,岩体内平均水力梯度在10‰左右。据此估算,岩体内地下水平均流速为1.00×10^-10 m/s,岩体内地下水运移到最终排泄区的时间约为57.1万年,循环更新速率较慢,地下水总体流向为NE向。区内地下水主要为微咸水,水化学成分以高矿化为主要特征,总溶解固体(TDS)平均为2.51 g/L,pH值大多为7~8,化学成分含量变化很大,水化学类型以Cl·SO₄-Na和SO₄·Cl-Na型为主。

结合北山预选区前期选址工作内容及成果,通过同位素测年和元素化学分析等手段,查明岩石类型、矿物组成及化学成分,从而探讨岩体的成因和演化特征;运用同位素、微量元素及包裹体分析等方法,揭示裂隙充填物及其母源流体的来源、成因及演化特征,以及深部岩体的水—岩反应特征、氧化—还原条件等;对露头点地下水均进行现场物理、化学参数测量,并采集了地下水化学和同位素样品进行分析,查明了算井子花岗岩体及周围地质单元的地球化学特征,并获得了岩石、裂隙充填物和地下水的地球化学数据和资料。

算井子花岗岩体成岩年龄为346~359 Ma,为同一期岩浆活动作用的结果。各单元岩石的地球化学类型也一致,均属于钙碱性岩石系列,为过铝质岩石,Ⅰ型花岗岩成因,是火成岩熔融形成的岩浆产物。

算井子花岗岩体内裂隙充填物的类型主要为方解石、黏土矿物、铁氧化物及绿帘石、石英等,而裂隙中的黏土矿物多为蒙脱石和伊利石,二者均具有较强的离子吸附能力。根据填隙物随深度变化的发育特征(图4),在算井子花岗岩体不同位置和不同深度范围内,填隙物的分布特征主要受控于断层或节理的形成、开启或闭合状态,以及构造裂隙的导水性。填隙方解石呈现Eu的正异常和Ce的无异常或弱负异常;岩体深部²³⁴U/²³⁸U放射性活度达到平衡或近似平衡状态(岩体浅部比值较大),算井子花岗岩体整体处于还原环境。

算井子花岗岩体内及其周围地区地下水化学成分含量变化很大,地下水总溶解固体(TDS)随地域的不同而有明显的差别。地下水化学类型以Cl·SO₄-Na和SO₄·Cl-Na型为主,其次是SO₄·Cl-Na·Ca、Cl·SO₄-Na·Ca等类型。钻孔中测得的地下水E_h值组成范围较大,介于-232~60 mV,表明其地下水环境为还原性。总体来讲,算井子花岗岩体内地下水的物理、化学参数均较适宜。

开展未来自然变化研究,在充分收集和整理相关历史地震记录和现代地震观测资料上,通过野外地震地质调查,结合年代样品测试及地震构造法、最大历史地震法和综合概率法的地震危险性分析,初步评价了算井子地段近区域(岩体外围25 km)发震构造、最大潜在地震、能动断层等关键问题对算井子花岗岩体的地震安全性影响。

研究区大部分地区为沙漠无人或少人区,没有历史地震记载。区域台网监测能力也较弱,近年来只记载了8次3.0~3.9级地震,最大地震只有3.9级,都分布在岩体之外,地震没有形成带状或团状密集分布,地震活动没有形成短时集中发生的现象。历史地震中,算井子地段的最大影响烈度为Ⅵ度。综合判断,该区地震活动微弱,地壳结构稳定。

算井子花岗岩体近区域断层主要分布于岩体的西侧、东北侧和东南侧,其中多条断层集中于岩体西侧,主要分布NW向断层,如F₁₁和F₁₄,这两条断层被若干条NNW和NNE向次级断层截为几段。岩体东北侧分布两条断层,分别为NW向的F₉和近SN向的F₁₀。岩体东南侧分布NWW向的F₁₂和近EW向的F₁₃。岩体内分布NNE向的F₃、F₄和F₅以及NNW向的F₂。岩体南侧分布一条近EW向,至算井子岩体附近转为NEE向的F₆(图5)。通过野外调查,近区域范围内的断裂破碎带均胶结坚硬,沿断裂没有第四纪盆地发育,断裂破碎带上均有第四系冲洪积、残坡积物发育,未见断裂对第四系产生错断、变形等现象,结合测年结果,认为上述断裂在第四纪均不活动。结合近区域地震活动特征,认为近区域内已有的断裂均不是发震构造。

高放废物地质处置库选址必须考虑场址及其附近现有和未来的人类活动,调查分析研究区能源矿产、矿物资源和地热资源的分布、储量以及开发和利用状况,现有的和计划中的地表水体分布和利用情况,地下水利用情况等。笔者主要通过资料调研整理和现场调查,获得了以岩体中心为圆心的半径25 km的人类活动状况,结果显示:算井子预选地段内没有常年性地表水系,只有季节性洪水形成的冲沟,该区干旱少雨,无河流,井泉分布较多,但不均匀,多不宜饮用,其人类活动主要是矿产资源的勘探和开采活动;以算井子岩体中心为圆心的半径25 km范围内东部约22 km处有一个小型铁矿小红山铁矿,目前停产,无人看守;距岩体中心向南部约16 km处有一个小型煤矿,目前停产,无人看守;算井子花岗岩体内尚未发现矿产资源。北山地区有2条主要河流,为其东侧的黑河和西南侧的疏勒河。算井子花岗岩体与黑河的最近距离大于150 km,与疏勒河的最近距离大于200 km,均相距较远。

可建造性调查的主要内容是处置库建造与工程条件调查研究。通过对算井子BS22、BS23钻孔岩心完整性调查、岩石力学性能测试和钻孔深部地应力测量,进行岩体工程质量综合评价,考察岩体是否满足地下工程施工的要求。

算井子地段岩石抗拉强度较高,在8~12 MPa范围内,单轴抗压强度在120~180 MPa范围内,属于坚硬岩石,总体上岩石抗拉强度和单轴抗压强度随深度变化不明显。方解石充填—开启天然裂隙的内摩擦角主要集中在30°左右;粘聚力较为离散,整体上小于5 MPa。算井子地段地应力场以水平应力为主导,最大水平主应力小于25 MPa,其方向主要集中在NW向。如图6所示,地应力值总体上随着深度的增加而增加,岩体最大(S_h,max)、最小(S_h,min)水平主应力随深度增加梯度系数分别为0.023 8和0.016 7;470 m深度以下,实测最大、最小水平主应力和垂向应力之间的关系可以描述为S_h,max> S_v>S_h,min。该地段属中应力水平区,在埋深500 m左右的范围内,地下洞室的开挖发生岩爆的可能性不大。

算井子BS22钻孔RQD(每次进尺中等于或大于10 cm的柱状岩心的累计长度与每个钻进回次进尺之比)评价为好或极好的回次所占比例超过95%,BS23钻孔RQD评价为好或极好的回次所占比例超过87%,说明岩体具有很好的完整性。BS22号钻孔400 m以下破碎带厚度为1.74 m,占比0.87%;BS23号钻孔400~600 m段破碎带有4段,破碎带厚度为7.62 m,占比为3.8%,BS22号钻孔完整性好于BS23。

可接受性调查涉及废物运输、环境保护、土地利用、社会经济和人文条件4方面内容,主要是对算井子地段所在区域的环境保护条件进行初步调查,获取人口、生态、保护区、经济、资源、气候、水文和交通等方面环境保护所需的数据和资料;对算井子花岗岩体及其周边的土壤、空气、围岩、地表水、地下水、代表性植物进行取样,进行放射性本底调查。

算井子花岗岩体及周边区域具有较便利的交通运输条件,兰新铁路、312国道和连霍高速公路(G30)从其南部约200 km处通过。算井子花岗岩体东侧约40 km处有嘉峪关至黑鹰山的嘉黑公路,向南有兰新铁路、312国道和连霍高速公路(G30),向东有一条简易公路连接火车站,此火车站位于岩体以东90 km处,最终可与嘉策酒钢专用铁路连接。算井子花岗岩体以北60 km处有即将通车的额哈铁路,岩体以北45 km处正在修建京新高速白临段,白临段高速在马鬃山镇处与马鬃山—桥湾二级公路互通,并通过桥湾互通立交连接连霍高速。另外,算井子花岗岩体西北方向60 km处有马鬃山镇,有简易土路连接。此外,算井子花岗岩体内有干沟、戈壁滩均可通行越野车。因此,废物运输方面的条件有利。

对研究区历史遗址、野生动植物保护区、地表水和地下水资源、野生动植物等开展了资料收集和野外实地调研,并对研究区域环境的放射线剂量进行了测量。算井子花岗岩体及邻近地区未发现历史遗迹,距离其最近的历史遗迹为嘉峪关,相距约为200 km。岩体及周边没有水土流失重点防治区、森林公园、地质公园、世界遗产地、历史文化保护地、国家重点文物所在地、热带雨林区和重要湿地等环境敏感点。算井子花岗岩体内无地表水,地下水埋深较浅。以岩体中心为圆心的半径90km外围区域范围内没有河流水系,距离岩体最近的湖泊为干海子,相距120 km。测量了研究区域陆地γ辐射剂量率,空气中氡气,土壤样、岩石样、植物样和水样中总α、总β、¹³⁷Cs、⁹⁰Sr及天然放射性核素²³⁸U、²²⁶Ra、²³²Th、⁴⁰K的含量,本底辐射通过外照射和内照射所致算井子岩体及其外围区域公众的总有效剂量为2.191 mSv/a,低于我国公众所受天然辐射有效剂量2.3 mSv/a,该区属于正常天然放射性本底地区。

根据2008年第二次全国土地调查数据进行规划基数转换,对算井子花岗岩体中心为圆心的半径25 km范围内的土地类型进行统计,并调研了《阿拉善盟土地利用总体规划(2006~2020年)》。算井子花岗岩体内土地类型以中低山、丘陵、地表裸露基岩为主,土层较薄,岩石裸露,植被稀疏。有少数牧民的居住地。该区域内没有耕地、养殖场,除放牧外,算井子花岗岩体及其周围无土地开发利用计划和价值。

参照放射性废物处置场、辐射环境监测的标准规范(HJ/T 5.2—1993^[16]和GB/T 15950—1995^[17]等),研究了以算井子花岗岩体中心为圆心的半径90 km范围内的社会经济概况和人口分布概况。距岩体中心90 km区域内经济发展不平衡,人口稀少,人口多集中在马鬃山镇,其他居民均为牧民,零星分布在大戈壁上,无万人以上的人口分布中心。距岩体中心25 km范围内有6户牧民,均养殖少量的羊、骆驼以及家禽,没有耕地;仅有小红山铁矿和一个小型煤矿,目前都停产,无人看守。算井子地段社会经济与人文方面的条件十分有利。

选址导则是目前唯一的高放废物处置库选址的法规性文件,是本次综合分析和评价的主要依据,以此为基础,提出了“3个角度和2个尺度”的地段综合对比评价的基本思路,即从场址的安全性、可建造性和可接受性3个角度来评价预选地段适宜性,从地段和场址2个尺度来评价场址的适宜性。以场址适宜性分析与场址安全性分析的结果为基础,构建了本次预选地段综合评价的指标系统,该指标系统由适宜性的属性、影响因素、指标3个层次组成,共有3项属性、10大影响因素、40多个指标(表1)。

2011年颁布的《放射性废物安全管理条例》第二十三条规定:“高水平放射性固体废物和α放射性固体废物深地质处置设施关闭后应满足1万年以上的安全隔离要求”。在关闭后的1万年的时间内,未来自然变化和人类活动可能直接或间接地影响场址的安全性。所谓直接影响是指直接导致处置库内核素的浸出或迁移。所谓间接影响是指通过改变场址原来的地质、水文地质和地球化学条件来影响场址的安全性。因此,地质、未来自然变化、水文地质、地球化学、人类活动是影响场址安全性的5个主要因素,其中地质、水文地质和地球化学这3个因素是一种确定性影响因素,未来自然变化和人类活动是一种概率性影响因素。

基于“3个角度和2个尺度”的基本思路,以评价指标系统为工具,把候选场址评价过程划分为地段适宜性综合分析、地段内场址圈定及其安全性综合对比2个步骤。

综上分析,算井子地段均有很好的安全性,主要体现在:①有利的地质条件:地质条件简单,岩性单一(为花岗闪长岩),花岗岩体足够大(地表面积约176 km²,厚度大于2 000 m),且深部完整性好;构造不发育,无任何新构造活动的迹象,岩体比较稳定,具备筛选出处置库场址的条件(岩体内出露最大的岩块面积约50 km²)。②有利的水文地质条件:岩体地下水含水量小(地下水赋存空间极为有限,单井涌水量小于100 m³/d),从处置设施到地下水出露点的径流途径长(离最近排泄区的距离约180 km),水力梯度低(地下水水力梯度小于10‰),完整岩石的渗透率小于1.00×10^-11 m/s,节理带中渗透率小于1.00×10^-6 m/s。③有利的地球化学条件:算井子花岗岩体裂隙充填物在形成时大多处于还原环境,其中的黏土矿物具有很强的阳离子交换能力和吸附性,且地下水环境为还原性,这在一定程度上有利于阻滞放射性核素向外迁移。④有利的未来自然变化:与最近区域活动断层的距离约155 km,所在地震构造区中最大弥散地震震级不大于5.5,避开了由于新构造运动、地震活动等地质作用所产生的不利影响。⑤有利的人类活动:与最近地表水体的距离至少有120 km,岩体内部没有矿(点),人类活动几乎不会对研究区产生影响。

算井子地段具有很好的可建造性,主要体现在:无不良地质地貌现象;较为平缓的地形条件适宜于布置高放废物地质处置库的地表设施,地下岩体特征满足进行地面设施建造和地下工程施工的要求(岩石坚硬、完整性好、开挖不会发生岩爆)。

有很好的可接受性,主要体现在:①废物运输:具有便利的交通运输条件(距铁路小于75 km、公路小于45 km),铁路和公路间沿途人口稀少、地势平坦。②环境保护:与最近地表水体的距离远,且对国家保护区没有影响。③土地利用:土地利用价值极小,为只适用于放牧的低产草地。④社会经济和人文:社会经济与人文方面的条件十分有利(常住人口均小于2人,远离人口稠密区)。

从以上3个方面综合分析认为,算井子地段具有很好的安全性、可建造性和可接受性,暂无发现颠覆性因素,为高放废物地质处置库建造适宜地段。

算井子地段内花岗岩体地表出露面积约176 km²。地球物理探测结果显示,该岩体深部具有足够的规模,且完整性好。该岩体被一组NW向断层和一组NE向断层分割成若干块体。其中钻孔BS22和BS23所在的2个岩块(Ⅰ号和Ⅱ号岩块)的面积相对较大,因而把这2个岩块圈定为场址(图7)。这2个场址相距10 km,它们之间的岩块(Ⅲ号岩块)面积也较大(约23 km²),地表也一样完整,可以作为上述2个场址的扩展区。

地段内场址安全性综合对比主要从地质、水文地质、地球化学、未来自然变化和人类活动5个方面进行(表2)。从表中可以看出,这2个场址各项指标极其相似,且均具有很好的地质、水文地质、地球化学、未来自然变化和人类活动条件。进一步分析,将Ⅰ号场址与Ⅱ号场址相比较,Ⅰ号场址在“场址地表面积”上具有一定优势,而Ⅱ号场址在“场址离最近矿(点)的距离”具有一定优势。由于小红山铁矿与这2个场址的距离均超过了20 km,它的开采已经不会影响这2个场址的安全性。综合考虑,Ⅰ号场址的优势具有一定的实际意义。因此,暂且把Ⅰ号场址选定为算井子地段的候选场址。Ⅰ号场址与Ⅱ号场址之间的岩块作为该候选场址的扩展区。

1)本研究以算井子预选地段为研究对象,开展了岩体的地质、水文地质、未来自然变化、地球化学、建造和工程条件、人类活动、废物运输、环境保护、土地利用、经济和人文条件等方面的调查,获取了地段适宜性评价的关键参数。并基于以上研究,建立了我国高放废物处置预选地段调查与场址适宜性综合分析系统。

2)以构建的指标系统为工具,通过地段适宜性综合分析、地段内场址圈定及其安全性综合对比,认为算井子地段具有很好的安全性、可建造性和可接受性,暂无发现颠覆性因素;并在算井子地段中筛选出1个花岗岩处置库候选场址。

3)本次研究所筛选出的个处置库候选场址可以作为我国下一阶段处置库场址特性评价候选对象,研究成果可直接服务于我国高放废物地质处置库场址筛选和场址特性评价,对保障我国核废物安全管理和核能可持续发展具有重要的现实意义。