高水平放射性废物(简称高放废物)处置作为一项特殊的工程项目,具有建设条件复杂、安全等级高、服务期限长等特点,是关系到核工业可持续发展和环境保护的战略性课题^{[1⇓⇓⇓-5]}。高放废物地质处置从选址到最终确定场址^[6-7],在技术成熟和经费充足的条件下,至少需要20多年。花岗岩作为高放废物处置库的一种合适围岩^[8],具有孔隙度较小(新鲜岩石)、渗透性差、容易保持化学封闭体系、导热性能好、热稳定性较好、含铁矿物可使变价放射性核素处于难溶于水的低价状态等优点。而可供存储高放废物的花岗岩围岩需地质条件简单、岩体延伸大、岩石质地均一、裂隙发育少,且裂隙应广泛充填方解石、黏土、铁锰质等次生矿物将其堵塞。

我国选址工作正式起步于1985年。1985~2011年为我国规划选址阶段,2000年我国起动了区域调查工作。其中,2000~2011年区域调查工作只集中在北山预选区,2012年以后区域调查工作的范围扩展到了新疆和内蒙古预选区^[9⇓-11]。经过30多年努力,证明了北山预选区的适宜性^{[12⇓⇓⇓⇓⇓-18]},使其成为全国6大预选区之首;并从北山预选区中筛选出新场、沙枣园和算井子等3个处置库候选场址。沙枣园地段作为潜在的高放射性废物地质处置预选区,其深部地质特征和岩体工程质量对于确保废物处置的安全性和长期稳定性至关重要。因此,本研究针对沙枣园地段开展了系列的深部地质环境特征研究,以期为后续的废物处置工作提供科学依据。

沙枣园地段隶属我国高放废物地质处置甘肃北山预选区,地段范围为:东径98°00'00″~98°21'00″,北纬40°24'00″~40°38'00″,位于嘉峪关市北约80 km处。研究区西段属甘肃省玉门市管辖,东段属甘肃省金塔县管辖。沙枣园地段地处北山南缘,属中低山区,海拔1 200~1 500 m,地势北高南低,相对高差几十米,沟谷开阔;属大陆性气候,缺雨、干燥、风沙大,蒸发量远远超过降水量。研究区及附近地区普遍干燥,无河流,井泉分布极不均匀。区内无长居居民,有少数牧民分散居住。

地表地质特征研究主要以遥感地质解译、野外路线调查、地球化学取样及浅部探槽揭露为研究手段,对沙枣园地段内岩性的种类、规模、产状、相互关系以及地段内断裂的数量、规模、产状、演化历史等进行研究,查明岩体地表地质特征及其与其他地层、构造间的相互关系,为岩体完整性评价提供资料。

研究区出露长城系古硐井群(ChG)和铅炉子沟群(ChQ)、奥陶系花牛山群(OH)、侏罗系中统水西沟群(J₂S)、白垩系下统新民堡群(K₁X)及第四系中更新统(Qp2l)、上更新统(Qp3pl)和全新统(Qh)地层,地层出露不全(表1,图1),多数地层间为不整合接触。研究认为研究区在长城系为稳定的浅海环境,形成了台盆陆源碎屑岩—碳酸盐岩基底,局部伴有火山喷发;奥陶系以浅海相陆源黏土质—半黏土质细碎屑沉积为主,伴以多次海底基性熔岩喷溢;侏罗系、白垩系则以陆相及山麓—河湖相沉积为主,形成了一系列因气候环境不同导致岩性特征略有差异的沉积建造。

沙枣园地段岩浆岩发育,属于北山南带东延的一部分,出露面积约375 km²,占区内基岩面积的70%以上,岩浆侵入活动以晚古生代为主,次为中生代,其中以晚二叠世岩浆活动规模最大,是侵入岩的主要形成时期。岩体产出环境为造山带或地壳活动较强烈的地段,并具有多期次和多旋回的特点:第一岩浆旋回为早二叠世岩浆侵入活动,形成闪长岩、石英闪长岩、似斑状花岗闪长岩及二长花岗岩为主体的中酸性岩体;第二岩浆旋回属晚二叠世—早三叠世岩浆侵入活动,形成以花岗闪长岩、二长花岗岩为主的大岩基;第三岩浆旋回发生于中三叠世的酸性岩浆侵入活动,以正长花岗岩为主,形成规模小、沿NNW向断裂两侧分布的岩株。以上各旋回都是不完整的侵入旋回。研究区共划分了9个单元,归并了2个超单元,建立了5个独立单元(表2)。其中,枯井中细粒黑云花岗闪长岩单元(P₂Kγδ)在研究区规模最大,出露面积327 km²。

黑山北滩南细粒闪长岩单元(P₁HNδ)在岩体北侧侵入于奥陶系花牛山群中岩组(OH)中,被晚期的枯井中细粒黑云花岗闪长岩单元(P₂Kγδ)侵入,呈明显的侵入接触关系,接触面波状不平直,周围见早期长城系铅炉子沟群(ChQ)残留体零散分布;在岩体南侧的3个侵入体分别侵入于长城系古硐井群(ChG)、铅炉子沟群(ChQ)中,被晚期的枯井中细粒黑云花岗闪长岩单元(P₂Kγδ)、沙枣园北黑云二长花岗岩单元(T₁SBηγ)侵入,接触界线清晰。黑山黑云石英闪长岩单元(P₁Hδο)与晚期的枯井中细粒黑云花岗闪长岩单元(P₂Kγδ)呈明显的侵入接触关系。黑山北滩东似斑状黑云花岗闪长岩单元(P₁HDγδπ)侵入于中奥陶统花牛山群第三岩组(O₂H₃),侵入界线明显,局部可见接触变质现象;被后期老鹰窝沟南山东单元(P₂LDηγ)侵入。小黄山西中粒黑云二长花岗岩单元(P₁XXηγ)侵入于中奥陶统花牛山群第三岩组(O₂H₃)。枯井中细粒黑云花岗闪长岩单元(P₂Kγδ)在东部侵入长城系古硐井群(ChG)和铅炉子沟群(ChQ);北部侵入奥陶系花牛山群(OH),又被中侏罗统水西沟群(J₂S)及下白垩统新民堡群(K₁X)不整合。老鹰窝沟南山东黑云二长花岗岩单元(P₂LDηγ)仅在岩体北部边缘见一个侵入体,近NW向呈长条状分布。

鹿咀子西黑山细粒二长花岗岩单元(T₁LDηγ)分布于岩体北侧及北东侧边部,共5个侵入体组成,呈NW向零星展布。沙枣园北黑云二长花岗岩单元(T₁SBηγ)在岩体南部出露4个侵入体,一般呈椭圆状或不规则状。老鹰窝沟南山南正长花岗岩单元(T₂LNζγ)主要分布于岩体西南部,共有4个侵入体。

岩体内脉岩发育,大部分属晚古生代晚期及中生代中期产物,与构造关系密切,均为岩浆充填裂隙凝固而成,规模大,分布广,从超基性到酸性均可见,分布在不同时代的地质体中。沙枣园岩体北侧的花牛山群变质岩中辉长岩、石英脉发育,局部见少数酸性的花岗岩脉;沙枣园岩体北东侧的二长花岗岩单元和花岗闪长岩单元中中酸性脉岩发育,以闪长玢岩脉、闪长岩脉及花岗岩脉为主,中性岩脉一般以相互平行的130°方向展布。沙枣园岩体内部酸性岩脉发育,以花岗岩脉为主,见少数二长花岗岩脉、石英二长闪长岩脉、花岗闪长岩脉及石英脉,酸性岩脉多数呈NW—SE向展布,沿着脉岩的边部蚀变及钾长石化比较普遍;另外在岩体中部偏东部位发育有闪长玢岩脉。区域内各岩脉都严格受构造控制,大多数脉岩走向与区域构造线方向一致,规模大小不一。

沙枣园地段以位于岩体北部外边界的黑山南滩—西山煤窑大断裂为界,断裂以北为帐房山南—鹿嘴子西山早古生代裂谷带,断裂以南为老鹰窝沟—黑山—穿山驯隆褶带。研究区内的断裂构造全部位于老鹰窝沟—黑山—穿山驯隆褶带内,该带是一发育在震旦纪沉降带上的古生代隆褶带,活动时间主要为早古生代及以后,各断裂构造均是塔里木板块及其周围板块相互作用的结果。研究区内主要发育NNW向(F₁、F₁₂、F₂、F₃、F₄、F₁₀)、近SB向(F₅)和NE向(F₆、F₇、F₈、F₉、F₁₁)3组断裂(图1,表3),其中NE向断裂具张性性质,活动时间最早;NNW向断裂为剪张性断裂,近SN向断裂扭性性质明显,这两组断裂活动时间晚于NE向断裂。前期形成的NE向断裂(F₆、F₇、F₈、F₉、F₁₁)中F₈、F₉断裂为沙枣园北单元的就位提供了空间,该单元岩石的同位素U-Pb年龄为248~252 Ma。NNW向断裂(F₁、F₁₂、F₂、F₃、F₄、F₁₀)及近SB向断裂(F₅)切割了个别NE向断裂,其中F₁、F₂断裂控制了老鹰窝沟南山南单元的就位。

花岗岩中节理发育。黑山北滩超单元和沙枣园超单元形成时代不同,其侵位时所受区域应力亦不同,发育节理产状也不同。黑山北滩东单元中0°、300°方向两组节理发育,该两组节理构成一对共轭节理,300°方向节理后期又有张性活动,有岩脉充填,依该两组节理判断,岩体侵入时主压应力方向为330°。沙枣园超单元中节理发育,以20°、300°、90°、340°方向4组节理最为发育,该4组节理形成于不同的构造运动,20°方向与340°方向两组节理构成一对共轭剪节理,说明岩体侵位时主压应力方向为0°,90°方向节理为后期构造运动所形成。其他单元中节理发育规律性差。

深部地质特征研究主要以音频大地电磁探测(AMT) 和钻探为手段。以50 m为点距,分别布设了长度为16 200 m、方向为NE58°(过BS20和BS21钻孔)的AMT 探测剖面AA',长度24 000 m、方向为NE58°的AMT探测剖面CC'和长度1 8000 m、方向为NW328°的AMT探测剖面BB'(位置如图1所示),用以探测沙枣园岩体空间形态及岩体完整性; 并在岩体西段和东段布设了两个600 m钻孔(BS20 和BS21),通过岩心地质编录和取样分析测试获得沙枣园预选地段中花岗岩体岩性的垂向分布特征,包括岩性的种类、规模、相互关系等,并查明岩体深部的完整性特征。

音频大地电磁方法探测岩体的完整性主要从电性差异,特别是低阻体存在构造的可能性开展研究。3条AMT 探测剖面的电阻率二维反演断面中(图2),在岩体范围整体上呈高阻特征,说明岩体内电性结构稳定,岩体深度应大于2 km。AA'、 BB'及CC'剖面在岩体外围,特别是BB'剖面的西北端、CC'剖面的东北与西南端,低阻体范围与埋深变大。BB'剖面西北端和CC'东北端低阻体应为一体,是岩体外围、沉积盆地的显示。在岩体内,低阻体的明显特征是不连续的,这些低阻异常体在剖面上形态各异,有倾斜条带状(推测为断层),也有局部团块状(推测为变质岩地层)。AA'剖面5 000 m附近低阻体为长城系古硐井群地层与断层F₂,8 400 m与13 000 m附近的低阻体应该是F₃和F₄;BB'剖面6 000~7 000 m之间低阻体为长城系古硐井群;CC'剖面14 000~15 000 m之间低阻体为F₂。

BS20和BS21钻孔揭露结果显示,岩体深部岩性以黑云母花岗闪长岩和黑云母二长花岗岩为主。黑云母花岗闪长岩呈现灰白色、黑灰色,中粗粒似斑状结构,块状构造。黑云母二长花岗岩呈浅肉红色,中粗粒半自形粒状结构、似斑状结构,块状构造。

BS20从开孔到181.87 m黑云母花岗闪长岩与黑云母二长花岗岩交替出现,181.87 m以下全为黑云母二长花岗岩,其中黑云母二长花岗岩总厚度478.95 m,占全孔岩石的79.16%。BS21钻孔中黑云母花岗闪长岩与黑云母二长花岗岩交替出现,其中黑云母二长花岗岩总厚度398.22 m,约占全孔岩石的66.04%。

在中粒黑云母花岗闪长岩和黑云母二长花岗岩中还夹杂大量的在岩浆结晶分异过程中形成的或后期侵入的伟晶岩脉及团块、花岗岩脉、暗色矿物捕虏体、黑云母富集的析离体、钾长石脉,或局部出现一些较粗大的肉红色斑晶。

钻孔揭露段的岩石主要蚀变作用是高岭土化,高岭土化直接影响到岩体的质量,表现为经高岭土化蚀变后,岩石变得质软,疏松易碎。其次的蚀变作用是碳酸盐化,表现为方解石细脉发育,或呈乳白色薄膜,或呈粉末状;有的厚达几厘米或十几厘米的碳酸盐脉,呈透明、半透明的片状。局部少量出现的蚀变有硅化、绿泥石化、水云母化、黏土化。这几种蚀变作用主要存在于开启裂隙中,以充填物的形式存在。这些蚀变主要作用在地质构造发育和富水地段。

从总体岩心编录来看,钻孔岩心新鲜、完整,多以柱状、长柱状为主,短柱状较少。构造带、挤压破碎带不是很发育。一般构造带的主要特征是岩石很破碎,呈碎块状、散粒状,大多构造带内没有构造泥,只有少数构造带见到构造泥。根据构造带内发育的裂隙产状判断,钻孔内多数为高角度的构造,倾角大于60°,部分近直立。部分构造带规模不大,但构造特征很明显,如BS20钻孔497.92~498.06 m的构造带只有0.14 m宽,但在构造带内发育有构造角砾岩,裂隙面上多见有黏土化、褐铁矿化和方解石薄膜。

BS20钻孔发育有13处破碎带,破碎带的规模大多在0.88~3.38 m之间,最大厚度只有11.97 m,最小的才0.14 m,总厚度为37.90 m。BS21钻孔发育有23段构造破碎带,规模在0.57~7.60 m之间,最大厚度7.60 m,最小0.57 m,构造破碎带总厚度只有48.13 m。岩体深部总体受构造影响较弱。

通过岩心编录,对BS20、BS21钻孔岩心的节理裂隙进行了详细统计、观察描述。将钻孔中裂隙的倾角进行统计分析(图3),结果表明BS20钻孔岩心裂隙的倾角主要分布在45°~50°之间,BS21钻孔岩心裂隙的倾角主要分布在55°~60°之间。

钻孔岩心中的开启裂隙表面粗糙,只有少数表面光滑,局部有擦痕。大多开启裂隙有充填物,少数开启裂隙无充填物。裂隙充填物的类型主要为方解石、黏土矿物、铁氧化物及石英、石膏等。其中,方解石的空间分布最广、发育规模最大,且常呈胶结形式充填于花岗岩裂隙中。而裂隙中的黏土矿物多为伊利石和蒙脱石,二者均具有较强的离子吸附能力。开启裂隙宽度一般小于1 mm,少数为2~5 mm,大于5 mm的很少。裂隙产状以大于60°陡倾的占多数,缓倾的较少。BS20孔岩心开启裂隙共915条,占裂隙总数的36.81%,平均密度1.51条/m,裂隙较发育;BS21孔岩心中的开启裂隙2 412条,占裂隙总数的35.83%,平均密度4.00条/m,裂隙发育。

钻孔岩心中闭合裂隙十分发育。闭合裂隙可分为两类,第一类为单条裂隙,由碳酸盐紧密胶结,宽度由0.5 mm至10多厘米断续出现;另一类为网脉状裂隙,由数条至数十条组成,裂隙极细,一般为小于0.5 mm的细脉状密集出现。裂隙的胶结物以碳酸盐为主,少量为硅质、粉砂质胶结;裂隙的倾角大多为高角度,水平和缓倾角裂隙较少。

通过对岩心的工程地质编录,按规范要求对岩石质量指标(RQD)进行统计,对BS20和BS21钻孔岩石的工程地质特征进行定性评价。

从RQD指标可以看出(表4),BS20孔的工程地质特征是极好的,BS21孔的工程地质特征为好—极好。沙枣园岩体两个钻孔的RQD指标存在较大差异,BS20孔岩石质量指标极好的占90%,质量指标极差和差的只占2.7%,而BS21孔质量指标极好的占53%,质量指标极差和差的占11.8%,说明BS20孔的岩石质量比BS21孔好。从RQD结果可看出,RQD等级和钻孔裂隙数、破碎带发育情况都有一定关联。

利用研究区地表和深部地质调查研究中的遥感影像资料、地形数据资料、地质调查资料、地球物理探测资料及钻孔勘察资料进行综合分析,利用Micromine软件建立预选地段三维地质模型,获得沙枣园地段花岗岩岩体的空间延伸形态及主要构造的空间展布关系,并初步圈定潜在的处置库候选场址。

三维断裂模型的建立的思路是:叠加地质图和地形数据,提取断层的地表迹线;根据地表地质调查获得的断裂产状信息进行外推,初步生成断层面;利用地球物理剖面和地质剖面对断层面形态进行调整,使得断层在空间的分布与地质和地球物理剖面相一致,这样就得到了断层的三维空间分布模型。

沙枣园地段共确定了12条断裂构造,主要发育NNW向(F₁、F₁₂、F₂、F₃、F₄、F₁₀)、近SN向(F₅)和NE向(F₆、F₇、F₈、F₉、F₁₁)3组断裂。断裂空间展布见图4。

研究区各地层间界线清楚、接触关系明确。然而,花岗岩侵入体单元较多,且各单元地表出露形态各异、大小不一;钻孔揭示花岗岩岩体深度超过600 m,仅靠2个钻孔无法控制整个研究区各侵入体单元在地下的展布形态;3条AMT剖面受制于方法的局限性无法区分各花岗岩单元侵入体间的界线,仅能识别花岗岩岩体与沉积岩(变质岩)的接触边界。因此本次岩体建模时未区分各单元侵入体,而是将其合并为同一个单元进行建模,统称花岗岩单元。此外,将长城系古硐井群(ChG)和铅炉子沟群(ChQ)合并为长城系(Ch),还有奥陶系花牛山群(OH)、侏罗系中统水西沟群(J₂S)、白垩系下统新民堡群(K₁X)及第四系(Q)地层,即本次岩性模型共分6个单元来建立(图5)。

对沙枣园地段岩性和构造进行三维地质建模与可视化分析,从岩性组合、岩体形态及空间展布来看,沙枣园地段岩体地表出露面积约375 km²,深部延伸超过2 km,花岗岩主体为岩性沙枣园超单元的黑云母花岗闪长岩,岩体外倾;从断裂分布特征来看,沙枣园主要发育的NNW向、近SN向和NE向3组共12条断裂均通过岩体,倾角较陡(>50°),岩体内NW向、近SN向及NE向断裂把早期侵入体分割成块状。由于岩体中部有长城系变质岩穿过,故以花岗岩体外围的沉积岩、断层及变质岩为界,将沙枣园地段花岗岩体自然分割成3个面积相对较大的岩块(图6),各岩块岩性相对单一,深部延伸大。Ⅰ号岩块面积约22 km²,Ⅱ号岩块面积约30 km²,Ⅲ号岩块面积约60 km²,面积都足够大。结合钻孔勘察结果,Ⅰ号岩块和Ⅱ号岩块深部完整性好,可作为高放废物处置库的潜在候选场址。

通过在沙枣园地段开展地表地质特征研究、深部地质特征研究和三维地质建模,初步查明了沙枣园岩体的岩性和断裂空间分布特征,得出如下结论和认识:

1)从岩性组合与岩体形态及空间展布来看,沙枣园地段花岗岩地表出露面积约375 km²,岩性相对均一,花岗岩主体为沙枣园超单元的黑云母花岗闪长岩,出露面积约330 km²,岩体外倾,且深度大于2 km。

2)沙枣园主要发育NNW向(F₁、F₁₂、F₂、F₃、F₄、F₁₀)、近SN向(F₅)和NE向(F₆、F₇、F₈、F₉、F₁₁)3组共12条断裂,其中长度大于10 km的有3条,长度在2~10 km之间的有7条,长度小于2 km的有2条,这些断层均通过岩体,倾角较陡(>50°)。NNW向断裂为剪张性断裂,近SN向断裂扭性性质明显,这两组断裂活动时间晚于NE向断裂。

3)沙枣园地段岩体深部裂隙发育,主要为陡倾角。大多开启裂隙有充填物,裂隙充填物主要为方解石、黏土矿物、铁氧化物及石英、石膏等。方解石常呈胶结形式充填于花岗岩裂隙中,伊利石和蒙脱石等黏土矿物具有较强的离子吸附能力。

4)沙枣园花岗岩体自然分割成3个面积相对较大的岩块,岩性较单一,容积足够大,深部完整性好,具备筛选高放废物处置库的有利地质条件。